WO2020193261A1 - Druckbehälter und verfahren zum herstellen eines druckbehälters - Google Patents

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Hans-Ulrich Stahl
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a pressure vessel and a method for manufacturing such a pressure vessel.
  • Pressure tanks are generally known as such.
  • they can be designed as fiber-reinforced pressure tanks. They are used, for example, in motor vehicles or other mobile units for storing fuel, which is gaseous at room temperature and normal pressure. By storing the fuel under high pressure, a considerably larger amount of the fuel can be stored in a given volume.
  • pressure tanks should often be adapted to certain existing installation spaces which are present in motor vehicles in order to make the best possible use of such installation space.
  • Installation spaces often do not have a simple shape, such as a sphere or cylinder shape.
  • snake tanks for this purpose, snake tanks, sausage tanks or honeycomb tanks are known from the prior art.
  • Snake tanks are known from the prior art.
  • Honeycomb tanks also make use of the space between the tanks by detaching from the round shape, at least for internal walls between the tanks. Since the same pressure is applied on both sides, the round shape is not required there. Honeycomb tanks are in the
  • the technology disclosed herein relates to a pressure vessel.
  • the pressure vessel has a wall which surrounds an interior space, the wall having an arrangement of wall threads and a matrix, the arrangement being embedded in the matrix.
  • Pressure vessel has an internal structure that has a number of
  • the inner threads enter the wall at the respective entry points and are anchored in the matrix.
  • the inner threads are anchored in the matrix.
  • the pressure vessel just described it is possible to provide the required stability exclusively or at least in part through the inner threads.
  • the inner threads are considerably less complex and take up significantly less volume. As a result, optimal use of the installation space can be achieved, and only very little volume is lost through interior walls.
  • the arrangement of wall threads can, for example, be in the form of a network.
  • the inner threads can for example be arranged in groups parallel to one another. By bracing the respective entry points, stability against a corresponding expansion of these wall points can be achieved.
  • the inner threads encompass a number of between two entry points for anchoring in the matrix
  • the inner threads can, for example, run through a thread reserve like a roll
  • Wall threads are guided or, if the free thread end is used, for example, the free thread end of the inner thread can be guided over a longer distance through the wall threads in order to traverse at least the interior back through again.
  • respective inner threads run through the matrix between a number of wall threads and an outside of the wall.
  • inner threads can be provided which encompass wall threads, and inner threads can be provided which extend between
  • Wall threads and outside of the wall run. By both possible designs, a respective anchoring of the inner threads in the wall can be achieved.
  • the respective inner thread runs between two of its entry points exclusively within the matrix. In this way, possible leaks, which could result from an inner thread emerging from an outside of the wall, can be avoided.
  • the wall is smooth.
  • the wall is designed in the form of adjoining spherical and / or cylinder segments. These designs can also be combined, i.e. part of the wall can be smooth and part of the wall can be in the form of adjoining spherical and / or cylinder segments. This can relate to both the outer and the inner delimitation of the wall.
  • the outer and inner boundaries of the wall can also be designed differently. For example, can also
  • Combinations can be provided, for example an outside being able to be smooth, whereas the inside is spherical and / or
  • spherical and / or cylinder segments are provided, these preferably have a diameter of less than 2.5 cm and particularly preferably a diameter of less than 1 cm. This has proven to be advantageous for typical applications. In this way, in particular, an advantageous pressure distribution can be achieved and the wall thickness can be reduced to the minimum necessary level.
  • At least some or all of the entry points lie at a respective boundary between two adjacent ones adjacent spherical and / or cylinder segments. This has proven to be advantageous in terms of stability.
  • the inner threads preferably run completely or partially freely in the interior. More preferably, they are not embedded in a matrix or a liner in the interior. As a result, the best possible use of space can be achieved.
  • the corresponding design can relate to all of the inner threads or only to some of the inner threads. Ultimately, each inner thread that is not sheathed by a liner and / or a matrix can be better than the sheathed version
  • Inner threads and wall threads are preferably interwoven in a linen weave, in a twill weave or in an M-to-N weave. Such interlacing processes have proven advantageous for typical applications.
  • the inner threads brace the wall in one spatial direction, in two spatial directions or in three spatial directions. A corresponding stability in the respective spatial directions can thereby be achieved. Specific geometric requirements can be taken into account.
  • the inner threads are preferably partially embedded in a matrix, so that a number of external, each gas-tight delimited chambers are formed in the interior. These can in particular be close to an inner surface of the wall. As a result, an additional seal can be achieved on the outside, so that, for example, an interior of the pressure vessel that is further inside is delimited from an outer wall by the chambers delimited in a gas-tight manner. In this way, for example, resistance to impacts or mechanical damage can be increased. In addition, a leak test can be carried out through such chambers, since they can be pressurized independently of one another.
  • the technology disclosed herein further relates to a method of manufacturing a pressure vessel as described herein.
  • a pressure vessel As described herein.
  • Wall threads with respective adjacent or encompassing sections of the inner threads are immersed in a bath of a matrix material.
  • the matrix material forms concaves by climbing up along the inner threads
  • Boundary surfaces of the wall between the inner threads are Boundary surfaces of the wall between the inner threads.
  • concave boundary surfaces of the wall are preferably formed, in particular in the interior, and in particular in such a way that the most inner point of the wall is in each case on an inner thread.
  • the wall threads can form a network or a linear structure, for example.
  • a matrix material can be used in particular that does not require a liner, ie one without a liner has sufficient tightness against the escape of a gas to be stored.
  • separate liners can also be used which, for example, can be added to the interior of the pressure vessel in liquid form, the pressure vessel then being moved in order to wet the entire inner surface of the wall of the pressure vessel.
  • the respective entry points of an inner thread lie opposite one another in pairs.
  • advantageous tension and resistance to high pressures can be achieved.
  • Fig. 1 a pressure vessel
  • Fig. 2 a first possible arrangement of inner threads
  • Fig. 5 a possible anchoring of inner threads.
  • Fig. 1 shows a pressure vessel 5 according to an embodiment.
  • the pressure vessel 5 has a wall 10.
  • the wall 10 has an outside 12 and an inside 14.
  • the wall 10 encloses an interior 8 in which pressurized gas or other
  • Substances can be stored.
  • the wall 10 is formed from a number of wall threads 20 and a matrix 22 in which the wall threads 20 are embedded.
  • the wall threads 20 are no further in the present case
  • an inner structure 9 with a number of vertical inner threads 30 and horizontal inner threads 32 is arranged.
  • the inner threads 30, 32 enter the respective entry points 16
  • an inner thread 30, 32 engages around one
  • the inner threads 30, 32 are anchored in the matrix 22.
  • entry points 16 at which the inner threads 30, 32 penetrate into the wall 10 are opposite in pairs.
  • the inner threads 30, 32 can advantageously ensure stability of the pressure vessel 5, since the inner threads 30, 32 can prevent the respective entry points 16 and thus also the wall 10 from being pulled apart. This allows a higher pressure load with constant wall thickness or a lower wall thickness for a certain pressure.
  • the inner threads 30, 32 are embedded in the matrix 22 only in the case of the wall 10, in order to prevent slipping.
  • a matrix around the inner threads 30, 32 can otherwise be dispensed with for the inner space 8 which is subject to pure tensile loading. The inner threads 30, 32 are therefore exposed in the interior 8. This saves
  • the anchoring of the inner threads 30, 32 in the wall 10 is supported, as already mentioned, by the wall threads 20 running in the wall 10. It can also be several and intersecting
  • Wall threads 20 are used to anchor one inner thread 30, 32 each. Conversely, a wall thread 20 can also serve to anchor a plurality of inner threads 30, 32 in each case. In other words, all types of weave, such as, for example, canvas, twill or m-to-n fabrics, can also be used for the interplay of wall threads 20 and inner threads 30, 32.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment in which only one
  • FIG. 3 shows the embodiment already known from FIG. 1, in which a
  • FIG. 4 shows another alternative, with bracing in three dimensions by internal threads 30, 32, 34.
  • Designs can be used in a pressure vessel 10. However, other arrangements of inner threads 30, 32, 34 are also possible. Spatial directions in which there is no bracing by inner threads 30, 32, 34 can be implemented, for example, with solutions as in the design of conventional pressure tanks. By displacing fibers or threads from the wall 10 into the interior space, spaces can be designed which differ significantly from traditional solutions such as cylinders or spheres and can now have planar tank walls. A liner can be on the inside of the
  • Matrix material can be used, which makes the use of a liner as a separate permeation barrier unnecessary.
  • thermoplastics or thermosetting plastics can be used as matrix material for this.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment of the anchoring of an inner thread 30 in the wall 10, which can be combined with the embodiment shown in FIG. 1 in a pressure vessel or used exclusively as an alternative.
  • the inner thread 30 does not encompass any
  • Wall thread 20 but is embedded in the matrix 22 in an approximately T-shape between the wall threads 20 and the outer boundary 12 of the wall 10. This also allows for high stability and good
  • Anchoring can be achieved.
  • the wall threads 20 would still serve as a stabilization for the
  • Inner thread 30 are used.
  • a “half T” or an “L”, ie embedding essentially on one side, is also possible.
  • a three-dimensional one is preferred
  • Embedding that is, a course of the inner fiber 30 in the matrix 22 such that the course of the inner fiber in the interior 8 and in the matrix 22 does not lie in one plane.
  • the course in the matrix 22 could describe a circle, an ellipse or an “8”.
  • the matrix for the wall 10 can be produced by different methods.
  • the later wall or the wall threads 20 can be immersed in a resin bath. The force of gravity and capillary forces can cause the matrix material to lie around the inner threads 30, 32, 34 in such a way that jumps in rigidity are avoided.
  • Additive manufacturing methods in particular liquid material processes, can also be used for this.
  • the implementation of both bath and immersion methods as well as liquid material methods is significantly facilitated by the planar geometry of the tank wall.
  • the matrix can also produce concave structures around the inner threads 30, 32, 34, specifically viewed from the interior. This is already shown in FIG. 1.
  • Such concave structures have a favorable effect on the strength properties, since the force acting on the outer wall is well distributed over the inner threads 30, 32, 34.
  • the pressure vessel 10 is designed in such a way that, with increasing internal pressure, there is uniform expansion on all sides. This largely avoids bending forces.
  • the surface density of the inner threads 30, 32, 34 anchored in the outer wall directly influences the stiffness properties of the respective
  • Wall 10 anchored inner threads 30, 32, 34 can thus be designed or enforced uniform expansion. In particular, this can be used in the vicinity of edges and corners, since the wall 10 has an inherent rigidity across the inner threads 30, 32, 34 due to the wall threads 20, which is taken into account for the design of the pressure vessel 10. In order to increase the security of the container even further, it is possible to dispense with the complete waiver of liner and matrix material for all inner walls or inner threads 30, 32, 34. Instead, through the targeted use of matrix, and possibly also liner, for inner walls that are close to the tank wall 10, a type of double-walled or generally multiple-walled structure can be achieved. This can be for
  • Leak diagnostics are used.
  • the behavior towards external mechanical influences is improved, for example in the event of a crash.
  • the inner threads 30, 32, 34 in the interior 8 improve the climbing properties, since they are a flow obstacle for very high ones
  • Matrix material a very efficient heat transfer to the wall 10 is achieved.
  • the inner threads 30, 32, 34 represent a very large surface.
  • short fiber reinforced plastic or a metal alloy can be used, for example, very inexpensive extrusion processes can be used.
  • reshaping should preferably take place in such a way that the fibers are aligned in the loading direction of the pressure tank 10.
  • additive manufacturing processes can be used.
  • a powder bed process preferably with a metal powder, can be used.
  • the Wall 10 gas-tight, but the inner walls are deliberately designed to be gas-permeable.
  • volume efficiency takes place. An efficient use of cuboid or differently designed installation spaces is made possible. Furthermore, there is a very efficient heat conduction to the wall 10. In addition, an internal multi-wall structure enables burst protection and additional security to be achieved.

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Abstract

Die hierin offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter (5) mit einer Wandung (10), welche einen Innenraum (8) umgibt, wobei die Wandung (10) eine Anordnung von Wandungsfäden (20) und eine Matrix (22) aufweist, wobei ferner eine Innenstruktur (9) mit einer Anzahl von Innenfäden (30, 32, 34) zur Verspannung vorgesehen ist. Die hierin offenbarte Technologie betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckbehälters.

Description

Druckbehälter und Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters
Die hierin offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Druckbehälters.
Drucktanks sind als solche grundsätzlich bekannt. Sie können beispielsweise als faserverstärkte Drucktanks ausgeführt sein. Sie dienen beispielsweise in Kraftfahrzeugen oder anderen mobilen Einheiten zum Lagern von Kraftstoff, welcher bei Raumtemperatur und Normaldruck gasförmig ist. Durch das Lagern des Kraftstoffs unter hohem Druck kann in einem vorgegebenen Volumen eine erheblich höhere Menge des Kraftstoffs gelagert werden.
Es hat sich gezeigt, dass Drucktanks häufig an bestimmte vorhandene Bauräume angepasst werden sollen, welche in Kraftfahrzeugen vorhanden sind, um einen solchen Bauraum bestmöglich auszunutzen. Derartige
Bauräume haben häufig keine einfache Form, wie beispielsweise eine Kugel oder Zylinderform. Je besser ein Drucktank an den Einbauraum angepasst werden kann, desto besser kann der vorhandene Platz ausgenutzt werden.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu beispielsweise Schlangentanks, Würstchentanks oder Wabentanks bekannt. Schlangentanks sind
beispielsweise aus mehreren verbundenen Tanks mit kleinerem
Durchmesser ausgebildet. Dadurch bleibt jedoch der Raum zwischen den Tanks ungenutzt. Wabentanks nutzen auch Raum zwischen den Tanks, indem sie sich zumindest für innenliegende Wände zwischen den Tanks von der runden Form lösen. Da auf beiden Seiten der gleiche Druck anliegt, wird die runde Form dort nicht benötigt. Wabentanks sind jedoch in der
Herstellung aufwändig. Außerdem werden lediglich die Spannungen senkrecht zur Längsachse durch das übliche Wickelverfahren aufgenommen. Für die Spannungen in Längsrichtung ist eine separate Lösung notwendig. Außerdem sind bei Wabentanks neben der sehr aufwändigen Herstellung für die Innenwände weiterhin Harz und Liner vorgesehen, wodurch das
Nutzvolumen des Behälters verringert wird.
Es ist deshalb eine Aufgabe, einen Druckbehälter bereitzustellen, welcher diesbezüglich alternativ oder besser ausgeführt ist, beispielsweise den vorhandenen Bauraum noch besser nutzt. Es ist des Weiteren eine Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckbehälters vorzusehen.
Dies wird durch einen Druckbehälter und ein Verfahren gemäß den jeweiligen Hauptansprüchen erreicht. Vorteilhafte Ausführungen können beispielsweise den jeweiligen Unteransprüchen entnommen werden. Der Inhalt der Ansprüche wird durch ausdrückliche Inbezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die hierin offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter. Der
Druckbehälter weist eine Wandung auf, welche einen Innenraum umgibt, wobei die Wandung eine Anordnung aus Wandungsfäden und eine Matrix aufweist, wobei die Anordnung in der Matrix eingebettet ist. Der
Druckbehälter weist eine Innenstruktur auf, welche eine Anzahl von
Innenfäden aufweist. Die Innenfäden treten an jeweiligen Eintrittsstellen in die Wandung ein und sind in der Matrix verankert. Die Innenfäden
verspannen je zumindest zwei Eintrittsstellen der Wandung gegeneinander.
Durch die Verwendung des eben beschriebenen Druckbehälters ist es möglich, die erforderliche Stabilität ausschließlich oder zumindest zu einem Teil durch die Innenfäden bereitzustellen. Die Innenfäden sind im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Innenwandungen oder der Ausführung mit separaten Tanks erheblich weniger aufwändig und nehmen deutlich weniger Volumen ein. Dadurch kann eine optimale Bauraumausnutzung erreicht werden, und es geht nur sehr wenig Volumen durch Innenwände verloren.
Die Anordnung aus Wandungsfäden kann beispielsweise netzförmig ausgeführt sein. Die Innenfäden können beispielsweise gruppenweise parallel zueinander angeordnet sein. Durch das Verspannen von jeweiligen Eintrittsstellen kann eine Stabilität gegen eine entsprechende Dehnung dieser Wandungsstellen erreicht werden.
Gemäß einer Ausführung umgreifen die Innenfäden zur Verankerung in der Matrix jeweils zwischen zwei Eintrittsstellen eine Anzahl von
Wandungsfäden. Bei der Produktion können dabei die Innenfäden beispielsweise über einen Fadenvorrat wie eine Rolle durch die
Wandungsfäden geführt werden oder, wenn das freie Fadenende verwendet wird, kann beispielsweise das freie Fadenende des Innenfadens über eine längere Strecke durch die Wandungsfäden geführt werden, um mindestens den Innenraum wieder zurück zu durchqueren.
Gemäß einer weiteren Ausführung verlaufen zwischen einer Anzahl von Wandungsfäden und einer Außenseite der Wandung jeweilige Innenfäden durch die Matrix. Diese Ausführung hat produktionstechnisch Vorteile, da sie ermöglicht eine Verankerung zu erreichen, wobei der Innenfaden nur über den minimal notwendigen Weg geführt werden muss.
Die genannten Ausführungen können auch kombiniert werden, d.h. es können Innenfäden vorgesehen sein, welche Wandungsfäden umgreifen, und es können Innenfäden vorgesehen sein, welche zwischen
Wandungsfäden und Außenseite der Wandung verlaufen. Durch beide möglichen Ausführungen kann eine jeweilige Verankerung der Innenfäden in der Wandung erreicht werden.
Der jeweilige Innenfaden verläuft gemäß einer Ausführung zwischen zwei seiner Eintrittsstellen ausschließlich innerhalb der Matrix. Dadurch können eventuelle Undichtigkeiten, welche dadurch entstehen könnten, dass ein Innenfaden aus einer Außenseite der Wandung austritt, vermieden werden.
Gemäß einer Ausführung ist die Wandung glatt ausgebildet. Gemäß einer weiteren Ausführung ist die Wandung in Form aneinander angrenzender Kugel- und/oder Zylindersegmente ausgebildet. Auch diese Ausführungen können kombiniert werden, d.h. ein Teil der Wandung kann glatt ausgebildet sein und ein Teil der Wandung kann in Form aneinander angrenzender Kugel- und/oder Zylindersegmente ausgebildet sein. Dies kann sich jeweils sowohl auf die äußere wie auch auf die innere Begrenzung der Wandung beziehen. Äußere und innere Begrenzungen der Wandung können jedoch auch unterschiedlich ausgeführt sein. Beispielsweise können auch
Kombinationen vorgesehen sein, wobei beispielsweise eine Außenseite glatt ausgeführt sein kann, wohingegen innenseitig Kugel- und/oder
Zylindersegmente vorgesehen sind.
Sofern Kugel- und/oder Zylindersegmente vorgesehen sind, weisen diese bevorzugt einen Durchmesser von weniger als 2,5 cm und besonders bevorzugt einen Durchmesser von weniger als 1 cm auf. Dies hat sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen. Dadurch kann insbesondere eine vorteilhafte Druckverteilung erreicht und die Wandstärke auf das minimal notwendige Maß reduziert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung liegen zumindest einige oder alle Eintrittsstellen an einer jeweiligen Grenze zwischen zwei aneinander angrenzenden Kugel- und/oder Zylindersegmenten. Dies hat sich im Hinblick auf die Stabilität als vorteilhaft erwiesen.
Bevorzugt verlaufen die Innenfäden ganz oder teilweise frei im Innenraum. Weiter bevorzugt sind sie im Innenraum nicht in eine Matrix oder einen Liner eingebettet. Dadurch kann eine bestmögliche Raumausnutzung erreicht werden. Die entsprechende Ausführung kann sich auf alle Innenfäden oder auch nur auf einen Teil der Innenfäden beziehen. Letztlich kann jeder Innenfaden, der nicht durch einen Liner und/oder eine Matrix ummantelt ist, zu einer im Vergleich zur ummantelten Ausführung besseren
Raumausnutzung führen.
Innenfäden und Wandungsfäden sind bevorzugt miteinander in einer Leinwandbindung, in einer Köperbindung oder in einer M-zu-N-Bindung verflochten. Derartige Verflechtungsverfahren haben sich für typische Anwendungen als vorteilhaft erwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung verspannen die Innenfäden die Wandung in einer Raumrichtung, in zwei Raumrichtungen oder in drei Raumrichtungen. Dadurch kann eine entsprechende Stabilität in den jeweiligen Raumrichtungen erreicht werden. Auf spezifische geometrische Bedürfnisse kann Rücksicht genommen werden.
Bevorzugt sind die Innenfäden teilweise in eine Matrix eingebettet, so dass eine Anzahl von außenliegenden, jeweils gasdicht abgegrenzten Kammern im Innenraum ausgebildet werden. Diese können insbesondere nahe einer Innenfläche der Wandung liegen. Dadurch kann eine zusätzliche Abdichtung an der Außenseite erreicht werden, so dass beispielsweise ein noch weiter innen liegender Innenraum des Druckbehälters durch die gasdicht abgegrenzten Kammern von einer äußeren Wandung abgegrenzt wird. Dadurch kann beispielsweise eine Resistenz gegenüber Stößen oder mechanischen Beschädigungen erhöht werden. Außerdem kann durch derartige Kammern eine Leckprüfung durchgeführt werden, da diese unabhängig voneinander unter Druck gesetzt werden können.
Die hierin offenbarte Technologie betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters wie hierin beschrieben. Bezüglich des Druckbehälters kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und
Varianten zurückgegriffen werden. Bei dem Verfahren werden die
Wandungsfäden mit jeweiligen benachbarten oder umgreifenden Abschnitten der Innenfäden in ein Bad eines Matrixmaterials getaucht. Das Matrixmaterial bildet dabei durch Hochsteigen entlang der Innenfäden konkave
Begrenzungsflächen der Wandung zwischen den Innenfäden aus.
Durch eine derartige Herstellung von konkaven Begrenzungsflächen der Wandung kann eine bessere Resistenz gegenüber hohen Drücken erreicht werden. Das beschriebene Verfahren, welches auf dem Eintauchen in ein Bad des Matrixmaterials basiert, hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, um derartige konkave Begrenzungsflächen ohne hohen apparativen Aufwand auszubilden.
Dementsprechend sind bei einem Druckbehälter wie hierin beschrieben bevorzugt konkave Begrenzungsflächen der Wandung ausgebildet, insbesondere im Inneren, und insbesondere derart, dass jeweils an einem Innenfaden der jeweils am weitesten innen liegende Punkt der Wandung ist.
Die Wandungsfäden können beispielsweise ein Netz oder eine lineare Struktur bilden. Für die Wandung oder auch für Innenfäden, welche in eine Matrix eingebettet werden sollen, kann insbesondere ein Matrixmaterial verwendet werden, welches ohne Liner auskommt, d.h. ohne Liner eine ausreichende Dichtigkeit gegen Austritt eines zu lagernden Gases aufweist. Alternativ dazu können jedoch auch separate Liner verwendet werden, welche beispielsweise in flüssiger Form in das Innere des Druckbehälters gegeben werden können, wobei der Druckbehälter anschließend bewegt wird, um die gesamte innere Oberfläche der Wandung des Druckbehälters zu benetzen.
Bevorzugt liegen sich jeweilige Eintrittsstellen eines Innenfadens paarweise gegenüber. Dadurch kann eine vorteilhafte Verspannung und Resistenz gegenüber hohen Drücken erreicht werden.
Durch die Verwendung von kleinen Durchmessern bei Kugel- und/oder Zylindersegmentförmiger Wandung kann nicht nur die Volumeneffizienz verbessert werden aufgrund besserer Anpassung an eine planare Wand oder andere Umgebungen, sondern es kann zusätzlich auch der Dickwandeffekt vermieden werden, der eine immer stärker reduzierte Zugspannung mit dem steigenden Radius zwischen Innenradius und Außenradius bedeutet. Auch dies bewirkt somit eine weitere Verbesserung der Volumeneffizienz.
Bevorzugt werden deshalb wenige Lagen und insbesondere bevorzugt nur eine Lage von Fasermaterial verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile wird der Fachmann dem nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiel entnehmen. Dabei zeigen:
Fig. 1 : einen Druckbehälter,
Fig. 2: eine erste mögliche Anordnung von Innenfäden,
Fig. 3 eine zweite mögliche Anordnung von Innenfäden,
Fig. 4: eine dritte mögliche Anordnung von Innenfäden, und
Fig. 5: eine mögliche Verankerung von Innenfäden. Fig. 1 zeigt einen Druckbehälter 5 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Druckbehälter 5 weist eine Wandung 10 auf. Die Wandung 10 hat eine Außenseite 12 und eine Innenseite 14. Die Wandung 10 umschließ einen Innenraum 8, in welchem unter Druck stehendes Gas oder andere
Substanzen gelagert werden können.
Die Wandung 10 wird gebildet aus einer Anzahl von Wandungsfäden 20 sowie einer Matrix 22, in welcher die Wandungsfäden 20 eingebettet sind.
Die Wandungsfäden 20 sind dabei vorliegend in einer nicht weiter
dargestellten netzartigen Struktur angeordnet.
Im Inneren des Druckbehälters 5 ist eine Innenstruktur 9 mit einer Anzahl von vertikalen Innenfäden 30 und horizontalen Innenfäden 32 angeordnet. Die Innenfäden 30, 32 treten dabei an jeweiligen Eintrittsstellen 16 in die
Wandung 10 bzw. in die Matrix 22 ein.
Wie gezeigt umgreift dabei jeweils ein Innenfaden 30, 32 einen
Wandungsfaden 20. Hierdurch sind die Innenfäden 30, 32 mit den
Wandungsfäden 20 verflochten, wodurch eine besonders hohe Stabilität hergestellt werden kann. Grundsätzlich sind die Innenfäden 30, 32 in der Matrix 22 verankert.
Wie gezeigt liegen Eintrittsstellen 16, an welchen die Innenfäden 30, 32 in die Wandung 10 eindringen, jeweils paarweise gegenüber. Die Innenfäden 30, 32 können auf diese Weise in vorteilhafter weise eine Stabilität des Druckbehälters 5 gewährleisten, da ein Auseinanderziehen jeweiliger Eintrittsstellen 16 und damit auch der Wandung 10 durch die Innenfäden 30, 32 verhindert werden kann. Dies erlaubt eine höhere Druckbelastung bei gleichbleibender Wandungsstärke oder eine geringere Wandungsstärke für einen bestimmten Druck. Es hat sich gezeigt, dass gemäß einer vorteilhaften Ausführung lediglich bei der Wandung 10 die Innenfäden 30, 32 in die Matrix 22 eingebettet sind, um ein Abrutschen zu verhindern. Für den rein auf Zug belasteten Innenraum 8 kann auf eine Matrix um die Innenfäden 30, 32 ansonsten verzichtet werden. Die Innenfäden 30, 32 liegen also frei im Innenraum 8. Dies spart
beispielsweise bei einem angenommenen Faservolumengehalt von 60 % insgesamt 40 % des Volumens aller inneren Wände, wobei dieses somit frei gewordene Volumen zusätzlich zur Speicherung von Kraftstoff zur Verfügung steht. Die Innenwände werden mit anderen Worten zu Zugstreben reduziert.
Die Verankerung der Innenfäden 30, 32 in der Wandung 10 wird wie bereits erwähnt durch die in der Wandung 10 verlaufenden Wandungsfäden 20 unterstützt. Es können auch mehrere und sich überkreuzende
Wandungsfäden 20 zur Verankerung von jeweils einem Innenfaden 30, 32 verwendet werden. Umgekehrt kann auch ein Wandungsfaden 20 zur Verankerung von jeweils mehreren Innenfäden 30, 32 dienen. Mit anderen Worten sind alle Bindungsarten wie beispielsweise Leinwand, Köper oder m- zu-n von Geweben auch auf das Zusammenspiel von Wandungsfäden 20 und Innenfäden 30, 32 anwendbar.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführung, in welcher lediglich eine
Zugverstrebung durch Innenfäden 30 in einer Dimension vorhanden ist. Fig.
3 zeigt die bereits aus Fig. 1 bekannte Ausführung, in welcher eine
Verstrebung in zwei Dimensionen durch Innenfäden 30, 32 vorhanden ist.
Fig. 4 zeigt eine nochmalige Alternative, wobei eine Verstrebung in drei Dimensionen durch Innenfäden 30, 32, 34 vorhanden ist. Derartige
Ausführungen können in einem Druckbehälter 10 verwendet werden. Auch andere Anordnungen von Innenfäden 30, 32, 34 sind jedoch möglich. Raumrichtungen, in welchen keine Verstrebung durch Innenfäden 30, 32, 34 vorhanden ist, können beispielsweise jeweils mit Lösungen wie bei der Gestaltung konventioneller Drucktanks ausgeführt werden. Durch die Verlagerung von Fasern bzw. Fäden von der Wandung 10 in den Innenraum können Räume gestaltet werden, die von traditionellen Lösungen wie beispielsweise Zylinder oder Kugel deutlich abweichen und nun über planare Tankwände verfügen können. Ein Liner kann auf der Innenseite der
Außenwand aufgebracht werden. Bevorzugt kann jedoch auch ein
Matrixmaterial verwendet werden, welches die Verwendung eines Liners als separate Permeationsbarriere unnötig macht. Insbesondere können hierfür Thermoplaste oder Duroplaste als Matrixmaterial eingesetzt werden.
Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführung der Verankerung eines Innenfadens 30 in der Wandung 10, welche mit der in Fig. 1 gezeigten Ausführung in einem Druckbehälter kombiniert oder auch ausschließlich als Alternative verwendet werden kann . Dabei umgreift der Innenfaden 30 keinen
Wandungsfaden 20, sondern ist zwischen den Wandungsfäden 20 und der Außengrenze 12 der Wandung 10 in etwa T-förmig in die Matrix 22 eingebettet. Auch dadurch können eine hohe Stabilität und eine gute
Verankerung erreicht werden. Die Wandungsfäden 20 würden bei entsprechender Beanspruchung trotzdem als Stabilisierung für den
Innenfaden 30 dienen.
Auch ein„halbes T“, bzw. ein„L“, also eine Einbettung nach im Wesentlichen einer Seite ist möglich. Bevorzugt ist jedoch eine dreidimensionale
Einbettung, also ein Verlauf der Innenfaser 30 in der Matrix 22 so, dass der Verlauf der Innenfaser im Innenraum 8 und in der Matrix 22 nicht in einer Ebene liegt. Beispielsweise könnte der Verlauf in der Matrix 22 einen Kreis, eine Ellipse oder eine„8“ beschreiben. Die Herstellung der Matrix für die Wandung 10 kann durch unterschiedliche Verfahren erfolgen. Beispielsweise kann die spätere Wandung bzw. können die Wandungsfäden 20 in ein Harzbad getaucht werden. Die Schwerkraft und Kapillarkräfte können dabei bewirken, dass das Matrixmaterial sich so um die Innenfäden 30, 32, 34 legt, dass Steifigkeitssprünge vermieden werden.
Auch additive Fertigungsmethoden, insbesondere Flüssigmaterialverfahren, können dafür eingesetzt werden. Die Durchführung von sowohl Bad- und Eintauch-Methoden als auch von Flüssigmaterialverfahren wird durch die planare Geometrie der Tankwand deutlich erleichtert.
Bevorzugt können bei der Herstellung der Tankwand durch die Matrix auch konkave Strukturen um die Innenfäden 30, 32, 34 entstehen, und zwar vom Innenraum aus betrachtet. Dies ist bereits in Fig. 1 gezeigt. Derartige konkave Strukturen wirken sich günstig auf die Festigkeitseigenschaften aus, da die auf die Außenwand wirkende Kraft gut auf die Innenfäden 30, 32, 34 verteilt wird.
Idealerweise wird der Druckbehälter 10 so gestaltet, dass mit steigendem Innendruck eine allseits gleichmäßige Dehnung erfolgt. Dadurch werden Biegekräfte weitgehend vermieden.
Die Flächendichte der in der Außenwand verankerten Innenfäden 30, 32, 34 beeinflusst direkt die Steifigkeitseigenschaften des jeweiligen
Flächenelements. Durch die Anpassung der Flächendichte der in der
Wandung 10 verankerten Innenfäden 30, 32, 34 kann somit die gleichmäßige Dehnung gestaltet oder erzwungen werden. Insbesondere kann dies in der Nähe von Kanten und Ecken eingesetzt werden, da die Wandung 10 durch die Wandungsfäden 20 eine Eigensteifigkeit quer zu den Innenfäden 30, 32, 34 besitzt, welche für die Auslegung des Druckbehälters 10 berücksichtigt wird. Um die Behältersicherheit noch weiter zu erhöhen, kann vom vollständigen Verzicht auf Liner und Matrixmaterial für alle innenliegenden Wände bzw. Innenfäden 30, 32, 34 abgesehen werden. Stattdessen kann durch gezielten Einsatz von Matrix, und eventuell auch Liner, für Innenwände, die sich nahe an der Tankwand 10 befinden, eine Art Doppelwandigkeit oder allgemein Mehrfachwandigkeit erreicht werden. Dies kann beispielsweise für
Leckdiagnosen eingesetzt werden. Darüber hinaus wird das Verhalten gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen beispielsweise im Fall eines Crashs verbessert.
Ganz allgemein verbessern die Innenfäden 30, 32, 34 im Innenraum 8 die Bersteigenschaften, da diese ein Strömungshindernis für sehr hohe
Geschwindigkeiten, wie sie bei einem Tankbersten auftreten würden, darstellen und somit die Druckwelle im Berstereignis effektiv abflachen können. Durch die Wandungsfäden 30, 32, 34 ohne umgebendes
Matrixmaterial wird eine sehr effiziente Wärmeübertragung zur Wandung 10 erreicht. Darüber hinaus stellen die Innenfäden 30, 32, 34 eine sehr große Oberfläche dar.
Beispielsweise kann zur Herstellung der Wandung 10 auch ein
kurzfaserverstärkter Kunststoff oder eine Metalllegierung verwendet werden, wobei beispielsweise sehr kostengünstige Extrusionsverfahren verwendet werden können. Bevorzugt sollte im Fall von kurzfaserverstärktem Kunststoff eine Umformung derart erfolgen, dass dabei eine Ausrichtung der Fasern in Belastungsrichtung des Drucktanks 10 stattfindet. Auch hier lassen sich wieder additive Herstellungsverfahren anwenden. So kann beispielsweise ein Pulverbettverfahren, bevorzugt mit einem Metallpulver, zum Einsatz kommen. Durch entsprechende Prozessführung kann so beispielsweise die Wandung 10 gasdicht, die Innenwände aber bewusst gasdurchlässig gestaltet werden.
Insgesamt hat es sich gezeigt, dass bei dem Druckbehälter 10 in den infrage kommenden Ausführungen eine sehr große Verbesserung der
Volumeneffizienz erfolgt. Eine effiziente Nutzung von quaderförmigen oder anders gestalteten Bauräumen wird ermöglicht. Des Weiteren erfolgt eine sehr effiziente Wärmeleitung zur Wandung 10. Außerdem können durch eine interne Mehrwandigkeit ein Berstschutz und eine zusätzliche Sicherheit erreicht werden.

Claims

Ansprüche
1. Druckbehälter (5), aufweisend
- eine Wandung (10), welche einen Innenraum (8) umgibt, wobei die Wandung (10) eine Anordnung aus Wandungsfäden (20) und eine Matrix (22) aufweist, wobei die Anordnung in der Matrix (22) eingebettet ist, und
- eine Innenstruktur (9), welche eine Anzahl von Innenfäden (30, 32, 34) aufweist,
- wobei die Innenfäden (30, 32, 34) an jeweiligen Eintrittsstellen (16) in die Wandung (10) eintreten und in der Matrix (22) verankert sind,
- wobei die Innenfäden (30, 32, 34) je zumindest zwei Eintrittsstellen (16) der Wandung (10) gegeneinander verspannen.
2. Druckbehälter (5) nach Anspruch 1 ,
- wobei die Innenfäden (30, 32, 34) zur Verankerung in der Matrix (22) jeweils zwischen zwei Eintrittsstellen (16) eine Anzahl von
Wandungsfäden (20) umgreifen und/oder zwischen einer Anzahl von Wandungsfäden (20) und einer Außenseite (12) der Wandung (10) durch die Matrix (22) verlaufen.
3. Druckbehälter (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei der jeweilige Innenfaden (30, 32, 34) zwischen zwei seiner
Eintrittsstellen (16) ausschließlich innerhalb der Matrix (22) verläuft.
4. Druckbehälter (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei die Wandung (10) glatt oder in Form aneinander angrenzender Kugel- und/oder Zylindersegmente ausgebildet ist.
5. Druckbehälter (5) nach Anspruch 4,
- wobei zumindest einige oder alle Eintrittsstellen (16) an einer
jeweiligen Grenze zwischen zwei aneinander angrenzenden Kugel- und/oder Zylindersegmenten liegen.
6. Druckbehälter (5) nach einen der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei die Innenfäden (30, 32, 34) ganz oder teilweise frei im
Innenraum (8) verlaufen und/oder nicht in eine Matrix im Innenraum (8) oder einen Liner eingebettet sind.
7. Druckbehälter (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei Innenfäden (30, 32, 34) und Wandungsfäden (20) miteinander in einer Leinwandbindung, in einer Köperbindung oder in einer m-zu- n-Bindung verflochten sind.
8. Druckbehälter (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei die Innenfäden (30, 32, 34) die Wandung (10) in einer
Raumrichtung, in zwei Raumrichtungen oder in drei Raumrichtungen verspannen.
9. Druckbehälter (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei die Innenfäden (30, 32, 34) teilweise in eine Matrix eingebettet sind, so dass eine Anzahl von außenliegenden, jeweils gasdicht abgegrenzten Kammern im Innenraum (8) ausgebildet werden.
10. Verfahren zum Herstellen eines Druckbehälters (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- wobei die Wandungsfäden (20) mit jeweiligen benachbarten oder umgreifenden Abschnitten der Innenfäden (30, 32, 34) in ein Bad des Matrixmaterials getaucht werden, - wobei das Matrixmaterial durch Hochsteigen entlang der Innenfäden (30, 32, 34) konkave Begrenzungsflächen der Wandung (10) zwischen den Innenfäden (30, 32, 34) ausbildet.
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