WO2004072542A1 - Druckbehälter - Google Patents

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WO2004072542A1
WO2004072542A1 PCT/EP2004/001136 EP2004001136W WO2004072542A1 WO 2004072542 A1 WO2004072542 A1 WO 2004072542A1 EP 2004001136 W EP2004001136 W EP 2004001136W WO 2004072542 A1 WO2004072542 A1 WO 2004072542A1
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reinforcing structures
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Dirk Büchler
Gerhard Buttkewitz
Georg Harzfeld
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Buechler Dirk
Gerhard Buttkewitz
Georg Harzfeld
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    • F17C2260/013—Reducing manufacturing time or effort

Definitions

  • the invention relates to a pressure vessel made of fiber-reinforced plastic for storing gases.
  • the prior art is characterized by pressure vessels containing an inliner of metal or plastic.
  • the fiber-reinforced plastic is applied by means of a winding process (see DE-OS 199 52 611).
  • the axial strength is realized by longitudinal windings and the circumferential strength separated by circumferential windings.
  • the inliner serves as a scaffold for the application of the fiber-reinforced
  • Plastic as well as a barrier to the permeation of gases.
  • the strength of the pressure vessel is achieved by the application of fiber-reinforced plastic.
  • Inliner increases the weight of the component.
  • a problem that precludes the use of the largest possible volume of the known container relates to the fact that the end faces of the pressure vessel are always formed as a convex dome. Due to the shape of the dome an unfavorable volume utilization is given. The modification of the dome by a so-called isotensoidal shape and the modification of the fiber distribution and angle can mitigate this problem only conditionally. Due to the arrangement of the fiber strands in the region of the periphery or the shell of the pressure vessel and by the winding process forces must be absorbed from several directions.
  • the invention has for its object to develop a pressure vessel, which allows a significant improvement in the design of the pressure vessel with little effort.
  • a pressure vessel made of fiber-reinforced plastic with flat or almost flat lids to realize, whereby the above-mentioned disadvantages are reduced.
  • this object is achieved in that in at least one direction through the interior of the pressure vessel through axially aligned reinforcing structures are arranged, which are evenly distributed in the interior, and absorb most of the forces caused by the internal pressure forces.
  • the invention is characterized in that fiber strands of fiber-reinforced composite materials (primarily carbon fibers and impregnated with a matrix of epoxy resin), which are arranged distributed uniformly over the cross-sectional area of the cylindrical pressure vessel, exactly aligned axially and secured to flat or substantially flat lids.
  • a container is formed by the helical winding of a largely unidirectional fiber layer, which is edged at the ends.
  • the fiber orientation of the layer is in the area transverse to the winding direction.
  • the thickenings can also be in others Direction oriented or be made of a different material.
  • Another aspect of the invention is that an axial reinforcement takes place in more than one direction.
  • One embodiment provides for increasing the gas tightness' of the
  • Pressure vessel to wrap barrier layers between the outer layer of the axial reinforcement and the circumferentially wound outer shell, which largely overlap.
  • the lids which form the end faces of the pressure vessel, are made of suitable, lightweight metallic materials or of fiber-reinforced plastic.
  • Reinforcement structures slots can regularly be introduced at an angle, but different in depth.
  • the pressure vessel according to Fig. 1 is formed by the arrangement of axially continuous reinforcing structures 1, which consist of fiber strands of fiber-reinforced composite materials, preferably impregnated monofilaments of carbon fibers or other high-strength thread-like strands, inside a cylinder. They are largely uniformly distributed over the cross-sectional area, and are anchored in flat lids 7.
  • the cover 7 are also formed by a winding technology from the strand material or miteingewickelt from another material.
  • a metallic connection 5 for the fittings is embedded in the composite material.
  • these reinforcing strands are arranged very close, so you with a barrier layer 3 can be occupied. These are then the radial reinforcements 2 wound, which give the radial reinforcement and which form the outer end of the pressure vessel.
  • the pressure vessel according to FIGS. 2 and 3 is formed by winding up a semifinished product consisting of a base layer of unidirectional layers (layered layers of fiber-reinforced composite materials, predominantly carbon fibers impregnated with a matrix of epoxy resin) with thickenings 8 applied to the ends.
  • the thickenings are preferred also formed by composite material and may additionally contain barrier layers 6.
  • the semifinished product is usually preimpregnated with a matrix system.
  • the winding can be done on a metal reinforcing tube 4, which simultaneously carries the fittings. In this case, the tube 4 must have openings for flowing through the storage medium.
  • the semi-finished product is oriented so that the direction of the fibers in the base layer with the axial

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Abstract

Die Erfindung kann bei der Druckspeicherung von Gasen zur Anwendung gelangen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff mit ebenen oder nahezu ebenen Deckeln zu realisieren. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass gewickelte axial ausgerichtete Verstärkungsstrukturen durch den Innenraum des Körpers hindurchgehen und den grössten Teil der notwendigen Kräfte in ihrer Ausrichtungsebene übernehmen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Faserstränge, die gleichmässig verteilt über die Querschnittsfläche des zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, genau axial ausgerichtet und an ebenen oder weitgehend ebenen Deckeln befestigt werden. Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass durch das spiralförmige Aufwickeln einer weitgehend unidirektionalen Faserschicht, die an den Enden aufgedickt ist, ein Behälter gebildet wird. Über die Verstärkungsstränge bzw. die spiralförmig aufgewickelten unidirektionalen Faserschicht werden umfangsgerichtete radial wirkenden Verstärkungsschichten aufgebracht, die den Abschluss der Druckbehälter bilden.

Description

Druckbehälter
Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff zur Speicherung von Gasen.
[Stand der Technik]
Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch Druckbehälter, die einen Inliner aus Metall oder Kunststoff enthalten. Auf dem Inliner wird der faserverstärkte Kunststoff mittels eines Wickelverfahrens aufgebracht (siehe hierzu DE-OS 199 52 611) . Dabei wird die axiale Festigkeit durch Längswicklungen und die Umfangsfestigkeit durch Umfangswicklungen getrennt realisiert . Als wesentliches Element der Behälter dient der Inliner als Stützgerüst für die Aufbringung des faserverstärkten
Kunststoffs sowie als Barriere gegenüber der Permeation von Gasen. Die Festigkeit des Druckbehälters wird durch das Aufbringen von faserverstärktem Kunststoff erreicht .
Nachteil der oben beschriebenen Ausführung ist, dass der
Inliner das Gewicht des Bauteils erhöht. Zudem ergibt sich in den Bereichen der Dome eine ungünstige Materialverteilung, da es im Bereich der Pole der Dome durch den Wickelvorgang zu einer nicht festigkeitsbegründeten Materialanhäufung kommt . Ein Problem, das der Nutzung des größtmöglichen Volumens der bekannten Behälter entgegensteht, betrifft die Tatsache, dass die Stirnseiten der Druckbehälter stets als konvexe Dome ausgebildet sind. Durch die Form der Dome ist eine ungünstige Volumenausnutzung gegeben. Die Modifizierung der Dome durch eine sogenannte isotensoide Form und die Modifizierung der Faserverteilung und Winkel kann dieses Problem nur bedingt entschärfen. Durch die Anordnung der Faserstränge im Bereich der Peripherie bzw. der Hülle des Druckbehälters und durch den Wickelvorgang müssen Kräfte aus mehreren Richtungen aufgenommen werden.
[Aufgabe der Erfindung]
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter zu entwickeln, der eine wesentliche Verbesserung bei der Auslegung des Druckbehälters mit geringem Aufwand ermöglicht. Dazu ist ein Druckbehälter aus faserverstärktem Kunststoff mit ebenen oder nahezu ebenen Deckeln zu realisieren, wodurch die oben genannten Nachteile reduziert werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in mindestens einer Richtung durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehende axial ausgerichtete Verstärkungsstrukturen angeordnet sind, die gleichmäßig im Innenraum verteilt sind, und den größten Teil der durch den Innendruck hervorgerufenen Kräfte aufnehmen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Faserstränge von faserverstärkten Verbundwerkstoffen (vorrangig Kohlefasern und imprägniert mit einer Matrix aus Epoxidharz) , die gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche des zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, genau axial ausgerichtet und an ebenen oder weitgehend ebenen Deckeln befestigt werden.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass durch das spiralförmige Aufwickeln einer weitgehend unidirektionalen Faserschicht, die an den Enden auf edickt ist, ein Behälter gebildet wird.
Die Faserorientierung der Schicht ist in der Fläche quer zur Wickelrichtung. Die Aufdickungen können auch in anderer Richtung orientiert oder aus einem anderen Material gefertigt sein.
Über die Verstärkungsstränge bzw. die spiralförmig aufgewickelten unidirektionalen Faserschicht werden umfangsgerichtete radial wirkenden Verstärkungsschichten aufgebracht, die den Abschluss der Druckbehälter bilden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass eine axiale Verstärkung in mehr als einer Richtung erfolgt.
Es ist weiterhin vorgesehen, eine Kombination der axialen durch den Innenraum hindurchgehenden Verstärkungen mit
Verstärkungen, die in die Außenhülle integriert sind, zu kombinieren.
Eine Ausführung sieht vor, zur Erhöhung der Gasdichtheit 'des
Druckbehälters Barriereschichten zwischen der äußeren Schicht der axialen Verstärkung und der umfangsgewickelten Außenhülle zu wickeln, die sich weitgehend überlappen.
Die Verwendung der nahezu ebenen Deckel der Behälter wurde überraschend gefunden und stellt eine technische Lösung zur
Verfügung, die es ermöglicht, eine Reihe von Vorteilen bei der Gestaltung der gewickelten Druckbehälter zu verwirklichen.
Zur Fixierung der beidseitigen Deckel bietet sich ein innenliegendes, gasoffenen Verstärkungsrohr an.
Die Deckel, die die Stirnseiten des Druckbehälters bilden, bestehen aus geeigneten, leichten metallischen Materialien oder aus faserverstärktem Kunststoff. Für die Aufnahme der
VerstärkungsStrukturen können Schlitze regelmäßig im Winkel, jedoch unterschiedlich in der Tiefe eingebracht werden.
Gleichzeitig wird dadurch die Lösung ermöglicht, die Armaturen des Druckbehälters gasdicht mit den Gasanschlüssen zu verbinden.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus :
Es ist kein Inliner notwendig. Die Verstärkungsmaterialien sind nahezu vollständig in Richtung der auftretenden Kräfte orientiert. Aus beiden Eigenschaften ergibt sich eine deutliche Verbesserung des gewichtsspezifischen Speichervermögens. Die Fertigung ist vereinfacht .
Die Integration in Anlagen ist durch die günstigere Formgebung raumsparender möglich und damit eine Erhöhung der volumetrisehen Speicherdichte gegeben.
[Beispiele]
Die Erfindung ist anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 Druckbehälter mit Fasersträngen
Fig. 2 Druckbehälter mit Unidirektionallagen Fig. 3 Unidirektionallagen
Der Druckbehälter nach Fig. 1 entsteht durch die Anordnung von axial hindurchgehenden Verstärkungsstrukturen 1, die aus Fasersträngen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen bestehen, vorzugsweise imprägnierte Einzelfäden aus Kohlefasern oder anderen hochfesten fadenförmigen Strängen, im Innern eines Zylinders. Sie sind weitgehend gleichmäßig über die Querschnittsfläche verteilt, und werden in ebenen Deckeln 7 verankert . Die Deckel 7 werden über eine Wickeltechnologie ebenfalls aus dem Strangmaterial gebildet oder aus einem anderen Material miteingewickelt . Bevorzugt im Zentrum der Deckel wird ein metallischer Anschluss 5 für die Armaturen in das Compositmaterial eingebettet .
In der äußeren Begrenzung des Druckraumes werden diese Verstärkungsstränge sehr dicht angeordnet, so dass Sie mit einer Barriereschicht 3 belegt werden können. Auf diese werden dann die radialen Verstärkungen 2 aufgewickelt, die die radiale Verstärkung ergeben und die den äußeren Abschluss des Druckbehälters bilden.
Der Druckbehälter nach Fig.- 2 und 3 entsteht durch das Aufwickeln eines Halbzeugs, bestehend aus einer Grundschicht aus Unidirektionallagen (schichtartigen Lagen aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen, vorrangig Kohlefasern mit einer Matrix aus Epoxidharz imprägniert) mit an den Enden aufgebrachten Aufdickungen 8. Die Verdickungen werden bevorzugt ebenfalls durch Verbundwerkstoff gebildet und können zusätzlich Barriereschichten 6 enthalten. Das Halbzeug wird üblicherweise mit einem Matrixsystem vorimprägniert. Das Aufwickeln kann auf einem metallischen Verstärkungsröhr 4 erfolgen, das gleichzeitig die Armaturen trägt. Dabei muss das Rohr 4 Öffnungen zum Durchströmen des Speichermediums besitzen. Beim Aufwickeln wird das Halbzeug so ausgerichtet, dass die Richtung der Fasern in der Grundschicht mit der axialen
Richtung des Druckkδrpers übereinstimmt. Die Au dickungen 8 im Randbereich bilden dabei gleich den axialen Abschluss des Druckkörpers . Auf dem entstandenen spiralförmigen Kern kann eine in radialer Richtung wirkende Barriereschicht 3 aufgebracht werden. Auf dieser liegt dann eine in Umfangsrichtung orientierte radial wirkende Verstärkungsschicht 2. [Bezugszeichenliste] Verstärkungsstrukturen radiale Verstärkungsschicht Barriereschicht Verstärkungsrohr metallischer Anschluss zusätzliche Barriereschicht Deckel Aufdickungen

Claims

[Patentansprüche]
1.. Druckbehälter dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Kraftaufnahme der durch den Innendruck hervorgerufenen Kräfte in mindestens einer Richtung durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1) , die gleichmäßig im Innenraum verteilt sind, angeordnet sind.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (1) aus Fasersträngen bestehen, die gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche eines zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, genau axial ausgerichtet sind und von einem weitgehend ebenen Deckel zu der gegenüberliegenden Seite verlaufen und von einer ύmf ngsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen werden.
3. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (1) aus spiralförmig aufgewickelten Unidirektionallagen eines
Verbundwerkstoffes bestehen, die am Ende Aufdickungen (8) besitzen und so beim Aufwickeln den Deckel (7) oder einen Teil des Deckels bilden und von einer umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen wird.
4. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass axiale durch den Innenraum hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1) nicht nur in einer räumlichen Richtung sondern auch in einer weiteren oder in allen drei axialen Richtungen angeordnet sind.
5. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehenden Verstärkungsstrukturen (1) nur einen Teil der Axialkräfte durch den Innendruck aufnehmen und mit einer über die Außenhülle verlaufenden VerstärkungsSchicht (2) kombiniert sind.
6. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Barriereschichten (3) zur Verringerung der Permeation von Gasen zwischen der äußeren Schicht der hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1) und der umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) aufgebracht sind.
7. Druckbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine bandförmig aufgewickelte sich überlappenden Barriereschicht (3) angeordnet ist.
8. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein innenliegendes zentrales Verstärkungsrohr (4) angeordnet ist.
9. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (7) durch geeignete leichte Materialien gebildet werden, die regelmäßig im Winkel aber unterschiedlich tief geschlitzt sind und in den Schlitzen die hindurchgehenden Verstärkungsstrukturen (1) befestigt sind.
10.Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Armaturen gasdicht mit den Deckeln (7) verbunden sind. GEÄNDERTE ANSPRÜCHE
[beim Internationalen Büro am 29. Juni 2004 (29.06.04) eingegangen; ursprüngliche Ansprüche 1-10 ersetzt durch geänderte Ansprüche 1-6]
1. Druckbehälter, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck der Kraftaufnahme der durch den Innendruck hervorgerufenen Kräfte axial wirkende, durch den Innenraum des Druckbehälters hindurchgehende Verstärkungsstrukturen (1) , welche aus Fasersträngen bestehen, gleichmäßig verteilt über die Querschnittsfläche eines zylinderförmigen Druckbehälters angeordnet werden, die genau axial ausgerichtet sind und zwischen weitgehend ebenen Deckeln weitgehend parallel verlaufen und von einer umfangsgerichteten ausschließlich radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen werden.
2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstrukturen (1) aus spiralförmig aufgewickelten Unidirektionallagen eines Verbundwerkstoffes bestehen, die am Ende Aufdickungen (8) besitzen und so beim Aufwickeln die Deckel (7) oder einen Teil der Deckel-s- bilden und von einer umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) umschlossen werden.
3. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass Barriereschichten (3) zur Verringerung der Permeation von Gasen zwischen der äußeren Schicht der hindurchgehenden axialen Verstärkungsstrukturen (1) und der umfangsgerichteten radial wirkenden Verstärkungsschicht (2) aufgebracht sind.
4. Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine bandförmig aufgewickelte sich überlappende Barriereschicht (3) angeordnet ist.
5. Druckbehälter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckel (7) durch geeignete leichte Materialien gebildet werden, die regelmäßig im Winkel aber
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