DE102016201477A1

DE102016201477A1 - Druckbehälter sowie Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters

Info

Publication number: DE102016201477A1
Application number: DE102016201477.3A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Stahl; Timo Christ; Ömer Ahmet-Tsaous; Olivier Cousigne
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter 100 zur Speicherung von Brennstoff. Der Druckbehälter umfasst: 1) eine erste faserverstärkte Schicht 120, wobei sich die erste faserverstärkte Schicht 120 über einen Mantelbereich M und über mindestens einen Endbereich D1, D2 des Druckbehälters 100 erstreckt; 2) mindestens ein Verbindungsrohr 130, wobei das Verbindungsrohr 130 zumindest bereichsweise an der ersten faserverstärkten Schicht 120 anliegt; und 3) eine zweiten faserverstärkte Schicht 140, wobei sich die zweite faserverstärkte Schicht 140 über den Mantelbereich M des Druckbehälters 100 und über einer Rohrmantelaußenoberfläche 132 des Verbindungsrohres 130 erstreckt.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff mit einem Verbindungsrohr sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters zur Speicherung von Brennstoff.
Druckbehälter als solche zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoffen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Druckbehälter können bspw. durch ein um den Mantelbereich des Druckbehälters gespanntes Spannband (engl.: strap mounting) an der Karosserie befestigt sein. Ferner können die Druckbehälter an beiden Enden des Druckbehälters am Hals (engl.: neck mounting) an die Karosseriestruktur befestigt sein.
Eine solche Konstruktion benötigt relativ viel Bauraum. Somit verringern diese Formen der Karosserieanbindung das potentielle Speichervolumen des Druckbehälters. Sie sind überdies nur stark eingeschränkt in der Lage, Kräfte und Momente von einem Ende eines Druckbehälters auf ein anderes Ende des Druckbehälters zu übertragen. Somit tragen sie nicht bzw. nur zu einem geringen Teil zur Steifigkeit der Karosserie bei.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, leichtere und kompaktere Wege zur Fahrzeugintegration von einem Druckbehälter bereitzustellen, wobei es sich bevorzugt um einen lasttragenden Druckbehälter handeln kann. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehältersysteme sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z. B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem max. Betriebsdruck (auch maximum operating pressure oder MOP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegen, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i. d. R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Die hier offenbarte Technologie kann insbesondere auch auf eine Innenbehälteraufhängung eines kryogenen Druckbehälters angewendet werden.
Der hier offenbarte Druckbehälter kann ebenfalls einen Liner zur Speicherung von Brennstoff umfassen. Der Liner kann aus einem Metall, aus einer Metalllegierung oder aus einem Kunststoff hergestellt sein. Zweckmäßig ist beispielsweise ein Liner aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Im Liner wird der Brennstoff gespeichert und der Liner ist i. d. R. für die Dichtheit des Druckbehälters zuständig. Falls beispielsweise Wasserstoff gespeichert wird, ist der Liner i. d. R. ausgebildet, eine Wasserstoffpermeation zu vermeiden. Der Liner kann zudem als Wickel- und/oder Flechtkern dienen. Eine metallische Ausführung kann sowohl lasttragend, als auch, wie ein Polymer-Liner, nicht lasttragend ausgelegt sein. Üblicherweise wird die Linerkontur so dünn wie möglich gewählt, da die Festigkeit des Faserverbunds wesentlich höher ist und somit eine dünnere Gesamtwandstärke erreicht werden kann. Beispielsweise kann die max. Wandstärke des Liners weniger als 30 mm, bevorzugt weniger als 10 mm oder 5 mm betragen. Wie der Druckbehälter weist auch der Liner i. d. R. eine längliche, bevorzugt zylindrische Form mit i. d. R. zumindest bereichsweise gewölbten Endbereichen auf. Die Endbereiche und der dazwischen angeordnete zylindrische Mantelbereich M sind insbesondere vorteilhaft einstückig geformt. In mindestens einer der Polkappen des Liners ist eine Öffnung vorgesehen. Es ist überdies möglich linerloser Druckbehälter mit der hier offenbarten Technologie auszubilden.
Der Druckbehälter umfasst mindestens eine erste faserverstärkte Schicht und mindestens eine zweite faserverstärkte Schicht. Nachstehend können die erste und zweite faserverstärkte Schicht zusammenfassend auch allgemein als „faserverstärkte Schicht” bezeichnet werden. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Als faserverstärkte Schicht kommen i. d. R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. Die faserverstärkte Schicht weist i. d. R. Kreuz- und Umfangslagen auf. Um axiale Spannungen zu kompensieren, werden über die gesamte Wickelkernoberfläche Kreuzlagen (engl. helical layers) gewickelt bzw. geflochten. In dem zylindrischen Mantelbereich befinden sich i. d. R., zusätzlich zu den Kreuzlagen, die sogenannten Umfangslagen (engl. „hoop layers”), die für eine Verstärkung in Umfangsrichtung sorgen. Die Umfangslagen verlaufen in Umfangsrichtung U des Druckbehälters und sind in einem Winkel von nahe 90° zur Druckbehälterlängsachse A-A orientiert. Vorteilhaft können mindestens zwei Lagen der faserverstärkten Schicht in einem ausgeglichenen Winkelverbund (AWV, engl. „Balanced Ply Laminate”) angeordnet sein. Ein ausgeglichener Winkelverbund kann als ein Verbund aus zwei unidirektionalen Lagen beschrieben werden, wobei neben dem Gelege auch bspw. Gewebe und gewickelte Kreuzlagen dafür infrage kommen. Die Verstärkungsfasern dieser unidirektionalen Lagen weisen Faserwinkel zur Gewebenormale bzw. Längsachse A-A auf, die einen gleichen Betrag aber unterschiedliche Vorzeichen haben.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter mit einer ersten faserverstärkten Schicht, die sich über einen Mantelbereich M des Druckbehälters und über mindestens einen Endbereich des Druckbehälters erstreckt. Bevorzugt umgibt die erste faserverstärkte Schicht den Mantelbereich und die beiden Endbereiche vollständig, wobei zweckmäßig etwaige Funktionselemente (z. B. Druckbehälteröffnung O, etwaige Bosse) ausgespart sein können. Der Mantelbereich M des Druckbehälters ist der Bereich, in dem der Druckbehälter eine zylindrische Form oder eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Falls ein Liner eingesetzt wird, kann bspw. der zylindrische Teil eines Liners den Mantelbereich M ausbilden. Der Druckbehälter umfasst ferner i. d. R. zumindest bereichsweise gewölbte Endbereiche, die sich an den Mantelbereich M anschließen. Ein solcher Endbereich wird auch als Dom bezeichnet. Im Inneren des Mantelbereichs M sowie der Endbereiche ist das Brennstoffspeichervolumen I des Druckbehälters angeordnet. Wird bspw. ein Liner eingesetzt, so bilden der Mantelbereich M des Liners sowie dessen Endbereiche das Brennstoffspeichervolumen I aus.
Der hier offenbarte Druckbehälter umfasst ferner mindestens ein Verbindungsrohr. Das Verbindungsrohr liegt zumindest bereichsweise an der Außenoberfläche der ersten faserverstärkten Schicht an.
Das Verbindungsrohr ist zweckmäßig ein Verbindungsrohr zur Karosserieanbindung. Der Druckbehälter (insbesondere das mindestens eine Verbindungsrohr, der Liner und die faserverstärkte Schicht) kann/können ausgebildet sein, Kräfte und/oder Momente zu übertragen, die vom Betrag her größer sind, z. B. mindestens um den Faktor 2,5, 4, 8, 10, 20 oder 100, als die Kräfte und/oder Momente, die aus der schweren oder trägen Masse des Druckbehälters und des darin enthaltenen Brennstoffs im Betrieb resultieren (z. B. Gewichtskraft, Querbeschleunigung, etc.). Bevorzugt ist jeweils ein Verbindungsrohr an jedem Ende des Druckbehälters vorgesehen. Somit lassen sich vorteilhaft Kräfte an einem ersten Ende des Druckbehälters von der Karosserie in den Druckbehälter einleiten und am zweiten Ende des Druckbehälters wieder in die Karosserie ausleiten. Der Druckbehälter kann also als lasttragender Druckbehälter bzw. als Versteifungselement der Karosserie ausgebildet sein. Es lässt sich also somit die Fahrzeugkarosserie versteifen.
Die Längsachse des Verbindungsrohrs ist bevorzugt parallel, besonders bevorzugt koaxial zur Druckbehälterlängsachse A-A des Druckbehälters angeordnet. Bevorzugt verläuft die Rohrmantelaußenoberfläche des Verbindungsrohrs im Wesentlichen parallel zur Außenoberfläche der ersten faserverstärkten Schicht im Mantelbereich Ferner bevorzugt kann das Verbindungsrohr über die Endbereiche des Druckbehälters in axialer Richtung vorstehen. Mit anderen Worten sind die Endbereiche und/oder das Anschlusselement des Druckbehälters zurückversetzt gegenüber dem mindestens einen Verbindungsrohr angeordnet. Das Anschlusselement kann zum Anschluss etwaiger Elemente an die Druckbehälteröffnung O des Druckbehälters dienen. Bevorzugt ist das Verbindungsrohr selbst aus einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt, wie er hier im Zusammenhang mit der ersten und zweiten faserverstärkten Schicht offenbart ist. Bevorzugt ist der an der ersten faserverstärkten Schicht anliegende Bereich des Verbindungsrohrs als eine gewölbte Fläche ausgebildet (nachstehend auch Verbindungsrohrwölbung W genannt), deren Wölbung im Wesentlichen der Wölbung des mindestens einen Endbereichs des Druckbehälters entsprechen kann. Die Wölbung kann beispielsweise durch einen urformenden Bearbeitungsschritt (Direktformverfahren) oder durch ein spanendes Verfahren, z. B. Dreh- oder Fräsverfahren hergestellt werden. Ferner, je nach Werkstoff, auch Direktformverfahren. Insbesondere ist die Verbindungsrohrwölbung W an dem Ende des Verbindungsrohres vorgesehen, welches an der ersten faserverstärkten Schicht anliegt. Vorteilhaft kann die Wanddicke d des Verbindungsrohres zu dem an der ersten faserverstärkten Schicht anliegenden Ende hin abnehmen, insbesondere im Bereich der Verbindungsrohrwölbung W.
In einer bevorzugten Ausgestaltung liegt das Verbindungsrohr zumindest bereichsweise im Übergangsbereich Ü an der ersten faserverstärkten Schicht an. Der Übergangsbereich Ü ist dabei der i. d. R. ringförmige Bereich der ersten faserverstärkten Schicht,

– der sich in dem mindestens einem Endbereich des Druckbehälters befindet, und
– dessen Abstand von der Druckbehälterlängsachse A-A mindestens 40%, bevorzugt mindestens 45% des mittleren Manteldurchmessers Da der ersten faserverstärkten Schicht beträgt.

Der Mantelbereich M selbst zählt jedoch nicht zum Übergangsbereich Ü.
In einer Ausgestaltung kann das Verbindungsrohr teilweise im Übergangsbereich Ü und teilweise im Mantelbereich M anliegen. Insbesondere kann das Verbindungsrohr auch in den Mantelbereich M hineinragend an die erste faserverstärkte Schicht anliegen, bevorzugt aber max. 10% oder max. 5% der gesamten axialen Länge des Mantelbereichs M.
Somit ist es vorteilhaft möglich, die Kräfte und Momente, die von dem Druckbehälter auf die Karoserie übertragen werden sollen, möglichst weit beabstandet von der Druckbehälterlängsachse A-A zu übertragen. Ferner vorteilhaft wird somit ein Aufbau realisiert, der gleichzeitig vergleichsweise geringe Außendurchmesser aufweist. Somit lässt sich der benötigte Bauraum minimieren und das Speichervolumen maximieren.
Der hier offenbarte Druckbehälter umfasst ferner eine zweite faserverstärkte Schicht. Die zweite faserverstärkte Schicht erstreckt sich über den Mantelbereich M des Druckbehälters und über die Rohrmantelaußenoberfläche des Verbindungsrohrs.
Man könnte die erste faserverstärkte Schicht auch als untere faserverstärkte Schicht und die zweite faserverstärkte Schicht als die obere faserverstärkte Schicht bezeichnen. Im Mantelbereich M des Druckbehälters liegt also die zweite faserverstärkte Schicht auf der ersten faserverstärkten Schicht auf. Im Mantelbereich sind die faserverstärkten Schichten, i. d. R. also die erste und zweite faserverstärkte Schicht und gegebenenfalls eine hier offenbarte Zwischenschicht, so ausgelegt, dass alle Schichten zusammen die auf den Druckbehälter wirkenden Lasten standhalten können. Es werden also keine zusätzlichen Faserlagen vorgesehen, die das Verbindungsrohr halten. Somit kann eine bauraumneutrale Karosserieanbindung realisiert werden. Die zweite faserverstärkte Schicht liegt bei vorbekannten Lösungen in den Endbereichen an der ersten faserverstärkten Schicht direkt an. Sie nimmt auch mechanische Kräfte und/oder Momente auf, die zumindest teilweise aus der Innendrucklast resultieren. Gemäß der hier offenbarten Technologie ist das Verbindungsrohr ausgebildet, insbesondere im Übergangsbereich auch zumindest teilweise Kräfte und/oder Momente aufzunehmen, die aus der Innendrucklast des Druckbehälters resultieren.
Im Mantelbereich M und/oder im Bereich der Verbindungsrohre können ferner Zwischenschichten vorgesehen sein. Im Mantelbereich M beispielsweise zwischen der ersten und zweiten faserverstärkten Schicht und im Bereich des Verbindungsrohres zwischen dem Verbindungsrohr und der zweiten faserverstärkten Schicht.
Der hier offenbarte Druckbehälter kann ferner mindestens einen Befestigungsring umfassen. Der Befestigungsring dient zur Anbindung des Druckbehälters an die Karosserie eines Kraftfahrzeuges. Der Befestigungsring kann zumindest bereichsweise an einer Rohrmantelinnenoberfläche des Verbindungsrohres direkt oder indirekt anliegen. Der Befestigungsring kann bspw. aus einem faserverstärkten Kunststoff und bevorzugt aus Metall hergestellt sein. Der Befestigungsring umfasst vorteilhaft nach innen ragende Befestigungsabschnitte, die über weitere Elemente direkt oder indirekt an mit der Karosserie des Kraftfahrzeuges verbindbar sind. Der Befestigungsring kann auch einstückig mit dem Verbindungsrohr ausgebildet sein. Beispielsweise kann er in der CFK-Struktur des Verbindungsrohrs mit integriert sein oder stoffschlüssig (z. B.: durch Verkleben, Verschweißen, etc.) mit dem Verbindungsrohr verbunden sein.
Beispielsweise kann eine Wärmeabbaustrecke vorgesehen sein, wie sie bspw. in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung mit den Anmeldenummern DE 10 2014 226 557 , DE 10 2015 204 623 und DE 10 2014 226 550 offenbart ist. Der Inhalt dieser Schriften, insbesondere bzgl. des Pressverbands und der Anordnung der ineinander liegenden Rohre wird hiermit durch Verweis hier mit aufgenommen. Bevorzugt bilden der Befestigungsring und das Verbindungsrohr also einen Pressverband aus, insbesondere wie er in der Schrift DE 10 2014 226 550 offenbart ist.
Bevorzugt weist der Befestigungsring auf seiner äußeren Seite eine raue Oberfläche auf. Bevorzugt weist die Außenoberfläche des Befestigungsrings eine Mikroverzahnung auf. Die Verzahnung bzw. Mikroverzahnung (nachstehend: Mikroverzahnung) kann einen Flankenwinkel von 50 bis 70°, besonders bevorzugt von ca. 60° aufweisen. Eine Verzahnung mit einer solchen Zahngeometrie stellt eine ausreichende Festigkeit der Zähne sicher und ermöglicht zudem das Eindringen der Zähne in das vergleichsweise weiche faserverstärkte Kunststoffmaterial. Kann sich die Verzahnung gut in das faserverstärkte Kunststoffmaterial verankern, so lassen sich die maximal übertragbaren Kräfte deutlich steigern. Ferner bevorzugt weist die Mikroverzahnung eine Höhe (Einstichtiefe) von ca. 0,1 bis 0,1, und besonders bevorzugt von ca. 0,5 mm auf. Die Mikroverzahnung kann einen schraubenförmigen Verlauf aufweisen. Ebenso kann eine Verzahnung aus vielen parallelen Kreiserhebungen gebildet sein. Neben verbesserten mechanischen Belastungswerten verringert eine solche Mikroverzahnung die Herstellungskosten. Die Mikroverzahnung kann mit bekannten Werkzeugen und Verfahren hergestellt werden.
Der Pressverband kann zumindest teilweise dadurch verbessert werden, dass die zweite faserverstärkte Schicht das Verbindungsrohr zumindest bereichsweise versteift bzw. verfestigt. Vorteilhaft ist also vorgesehen, dass der Befestigungsring in das i. d. R. vorgefertigte Verbindungsrohr eingesetzt bzw. eingepresst wird und somit die Mikroverzahnung des Befestigungsrings in die faserverstärkte Schicht des Verbindungsrohres eingedrückt wird, wodurch ein fester Pressverband entsteht. Zusätzlich kann ein weiterer Pressring auf der Außenseite des Verbindungsrohrs direkt oder indirekt aufgebracht werden, der das Verbindungsrohr in radialer Richtung auf den Befestigungsring drückt und somit den Pressverband verbessert.
Das Verbindungsrohr und der Befestigungsring können auch ein einziges Bauteil sein.
Vorteilhaft ist im Innenbereich des Verbindungsrohrs das Anschlusselement des Druckbehälters angeordnet. Das Anschlusselement kann bspw. die Befüll- und Entnahmeleitung sein.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, insbesondere eines Druckbehälters zur Speicherung von Brennstoff, wie er hier offenbart ist. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Herstellen einer faserverstärkten Schicht, insbesondere einer faserverstärkten Schicht wie sie hier offenbart ist;
– Bereitstellen von mindestens einem Verbindungsrohr, insbesondere einem Verbindungsrohr wie es hier offenbart ist; und
– Herstellen einer zweiten faserverstärkten Schicht des Druckbehälters, insbesondere einer zweiten faserverstärkten Schicht, wie sie hier offenbart ist.

Das Bereitstellen des mindestens einen Verbindungsrohrs kann dadurch geschehen, dass das Verbindungsrohr an die erste faserverstärkte Schicht angeklebt und/oder angeschweißt wird. Auch sind weitere Verfahren zum Anlegen des Verbindungsrohrs denkbar. Ebenso ist vorstellbar, dass das Verbindungsrohr mit einer Spannvorrichtung auf einer Wickel- bzw. Flechtanlage positioniert wird. Ebenso wäre es denkbar, nach dem Herstellen der ersten faserverstärkten Schicht in einem separaten Herstellungsschritt das Verbindungsrohr durch dieselbe Wickel- bzw. Flechtvorrichtung herzustellen, wobei das Verbindungsrohr dabei direkt an der ersten faserverstärkten Schicht anliegend ausgebildet werden kann.
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach das Verbindungsrohr zumindest bereichsweise in einem Übergangsbereich Ü an der ersten faserverstärkten Schicht anliegt. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen: Anbringen eines Befestigungsrings auf einem Rohrmantelinnenoberfläche des Verbindungsrohres. Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen: Ausbilden eines Pressverbandes bzw. einer teilweise formschlüssigen Pressverbindung, zwischen dem Befestigungsring und dem Verbindungsrohr.
Mit anderen Worten schlägt die hier offenbarte Technologie u. a. vor, alle High-Angle-Helical-Lagen (auch: Knuckle-Lagen) nicht wie üblich über eine gewisse Länge hinein in den End- bzw. Dombereich abzulegen, sondern als einen rohrförmigen Fortsatz mit unverändertem Durchmesser als eine Art Kragen, im Folgenden auch „Skirt” genannt, über den Zylinder des Druckbehälters hinaus zu wickeln bzw. zu flechten. Als Dorn für den Kragen, kann ein vorgefertigtes, rohrförmiges Bauteil (= Verbindungsrohr, im Folgenden auch ”Lasteinleitungskomponente” genannt) dienen, dass nach dem Wickel- und Aushärteprozess weiterhin in der Struktur verbleiben kann und die tragende Funktion der zuvor an dieser Position wirkenden High-Angle-Helical-Lagen übernehmen kann. Mittels dieses vorgefertigten, rohrförmigen Bauteils kann der Druckbehälter über dessen Innenradius mit der umgebenden Struktur mit einer bestimmten Anzahl an Freiheitsgraden verbunden werden. Als Werkstoff der Verbindungsrohre können sowohl vorgefertigte Faserverbundrohre, Metallrohre oder auch Hybridbauweisen gleichermaßen eingesetzt werden. Die Umfangslagen (auch: Hoop-Lagen) mit einem Wickelwinkel von rund 90° und die am Anschlusselement bzw. Port endenden Low-Angle-Helical-Lagen können unverändert übernommen werden. Um zusätzliche Stabilität des Skirts (z. B. gegen beulen) zu schaffen, ist es denkbar, einige wenige Umfangslagen des ursprünglichen Lagenaufbaus des Druckspeichers nach außen zu verlegen. Die Ausstattung eines Druckbehälters mit einem Skirt kann demnach in gewissen Grenzen auch für bereits abgeschlossen ausgelegte Druckbehälter erfolgen. Das Konzept des Skirts kann durch eine Umsortierung der bereits vorhandenen Lagenfolge realisiert werden und erfordert bevorzugt keine Erweiterung der Anzahl, keine Verschiebung der Dickenverhältnisse von Hoop- zu Low-Angle- zu High-Angle-Helical-Lagen und keine Erhöhung der Gesamtdicke des Laminats. Als Aufhängungskonzept bietet die Erfindung den Vorteil, dass sie lediglich die Bauraumtoträume um die Dome des Druckbehälters nutzt und somit eine bauraumneutrale Anbindung an die umgebende Struktur ermöglicht. Wird das Skirt zudem zur Einleitung äußerer mechanischer Lasten in die Druckbehälterarmierung vorgesehen und ausgelegt, kann der Druckbehälter als versteifende und lasttragende Komponente der Karosserie dienen. Die Erfindung kann sowohl eine Gewichtseinsparung bewirken, als auch einen positiven Beitrag zur Karosseriesteifigkeit leisten.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht der hier offenbarten Druckbehälters 100, und
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Verbindungsrohrs 130.
Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten Druckbehälters 100. Der Druckbehälter 100 umfasst einen Liner 110, der hier als Kunststoff-Liner ausgeführt ist. Der hier einstückig ausgebildete Liner 110 umrandet das Brennstoffspeichervolumen I. An dem linken Ende ist die Druckbehälteröffnung O vorgesehen, in der das Anschlusselement 170 hinein ragt. Ferner schraffiert dargestellt ist der Boss 172. Der Druckbehälter 100 kann unterteilt werden in einen zylindrischen Mantelbereich M sowie zwei hier gewölbte Enden D₁, D₂. Die erste faserverstärkte Schicht 120 des Druckbehälters 100 erstreckt sich kontinuierlich vom ersten Endbereich D₁ über den zylindrischen Mantelbereich M in den zweiten Endbereich D₂. Die erste faserverstärkte Schicht 120 weist einen Außendurchmesser D_A auf. Dieser Manteldurchmesser D_A ist über der Manteloberfläche im Mantelbereich M konstant. Die erste faserverstärkte Schicht 120 kann auch als Basiswicklung bezeichnet werden, die bspw. ein Wickellaminat aus Kreuz- und Umfangslagen aufweist. Diese erste faserverstärkte Schicht 120 dient zur Aufnahme der Innendrucklast abzüglich des Anteils, den die zweite faserverstärkte Schicht 140, die Zwischenschicht 122 und das Verbindungsrohr 130 trägt. Die zweite faserverstärkte Schicht 140 ist über der ersten faserverstärkten Schicht 120 angeordnet. Die erste faserverstärkte Schicht 120 stellt somit den Grundkörper bzw. Unterbau bzw. die Basisgeometrie für alle weiteren an ihr an- bzw. aufliegenden Elemente aus.
An der ersten faserverstärkten Schicht 120 liegt jeweils in den beiden Endbereichen D₁, D₂ ein Verbindungsrohr 130, 130 in den jeweiligen Übergangsbereichen Ü, Ü an der ersten faserverstärkten Schicht 120 des Druckbehälters 100 an. Die Verbindungsrohre 130, 130 sind hier koaxial zur Druckbehälterlängsachse A-A angeordnet. Ebenso verlaufen die Außenmantelflächen 132, 132 der Verbindungsrohre 130, 130 und der ersten faserverstärkten Schicht 120 im Mantelbereich M parallel zueinander. Wie in der 2 gezeigt, umfasst das Verbindungsrohr 130 an dem an der ersten faserverstärkten Schicht 120 anliegendem Ende eine Verbindungsrohrwölbung W, deren Kontur im Wesentlichen der Kontur der ersten faserverstärkten Schicht 120 im Auflagebereich des Verbindungsrohrs 130 entspricht. In der hier dargestellten Ausführungsform liegt das Verbindungsrohr 130 zumindest bereichsweise an der faserverstärkten Schicht 120 an.
Insbesondere liegt das Ende 136 des Verbindungsrohrs 130 nicht über seine gesamte Wanddicke d an der ersten faserverstärkten Schicht 120 an. Vielmehr liegt ein äußerer Abschnitt des Verbindungsrohrs 130 hier an einer Zwischenschicht 122 an. Diese Zwischenschicht 122 ist hier im Mantelbereich M zwischen der ersten faserverstärkten Schicht 120 und der zweiten faserverstärkten Schicht 140 angeordnet. Die Zwischenschicht 122 ist bevorzugt ebenfalls aus faserverstärktem Kunststoff ausgebildet. Es handelt sich dabei hier um mindestens eine Hoop-Lage, die ebenfalls zur Aufnahme der Innendrucklast dient. Die Zwischenschicht 122 kann aber auch weggelassen werden.
Die Verbindungsrohre 130, 130 sind hier als Rohr mit ausgeglichenem Winkelverbund ausgebildet. Das Rohr weist hier einen Lagenaufbau mit einem Faserwinkel von +/–45° auf. Zur einfacheren Herstellung des Druckbehälters kann das Verbindungsrohr 130 bereits vorgefertigt sein und über eine entsprechende Spannvorrichtung auf der Wickelachse montiert sein. Das Verbindungsrohr 130 dient hier zusammen mit der zweiten faserverstärkten Schicht 140 zur Aufnahme und Einleitung von Torsionslasten und von Zug-/Drucklasten in den Druckbehälter bzw. aus diesem heraus. Ferner dient das Verbindungsrohr 130 hier als Wickel- bzw. Flechtdorn für die zweite faserverstärkte Schicht 140. Überdies verstärkt die zweite faserverstärkte Schicht 140 das Verbindungsrohr 130 im freien Bereich, also den Bereich, der nicht zum Mantelbereich M gehört und nicht am Druckbehälter anliegt. Das Verbindungsrohr 130 kann auch aus einem anderen Material, bspw. aus einem Metallmaterial (z. B. Aluminium), hergestellt sein.
Das Verbindungsrohr 130 verfügt an seinem Ende 136 über eine umlaufende und an der Rohrmantelaußenoberfläche 132 angrenzende Fase P. Diese Fase P ist so gestaltet, dass sie einen Steifigkeitssprung beim Übergang von der Zwischenschicht 122 auf das Verbindungsrohr 130 vermeidet. Mithin umfasst also das Verbindungsrohr 130 ein im Querschnitt abgeflachtes bzw. abgeschrägtes Ende, das an einem ebenfalls korrespondierend abgeflachten bzw. abgeschrägten Ende der Zwischenschicht 122 anliegt.
Die zweite faserverstärkte Schicht 140 kann bspw. zwei Unterschichten 142, 144 umfassen, die wiederum mehrere Lagen aufweisen können. Die zweite faserverstärkte Schicht 140 sowie deren Unterschichten 142, 144 verlaufen hier im Querschnitt im Wesentlichen gerade und kontinuierlich über die beiden Verbindungsrohre 130, 130 und über der Zwischenlage 122. Insbesondere sind die Außenoberflächen der Verbindungsrohre 130, 130 und der Zwischenschicht 122 derart ausgebildet und angeordnet, dass eine einzige ebene Mantelfläche entsteht, auf der von einem Ende des Druckbehälters 100 bis zum anderen Ende des Druckbehälters 100 durchgängig Lagen abgelegt werden können. Der Außendurchmesser der Zwischenschicht 122 entspricht also dem Außendurchmesser der Verbindungsrohre 130, 130. Die erste Unterschicht 142 der zweiten faserverstärkten Schicht 140 liegt auf der Außenoberfläche der Verbindungsrohre 130, 130 sowie auf der Zwischenschicht 122 auf. Die erste Unterschicht 142 besteht hier aus einem ausgeglichenen Winkelverbund mit einem +/–70° Lagenaufbau. Sie dient hier im Wesentlichen zur Aufnahme und Einleitung von Zug- und Drucklasten, von Torsionslasten und von Innendrucklasten des Druckbehälters 100. Die Unterschicht 142 kann im Bereich des Verbindungsrohres 130 auch einen anderen Faserwinkel als im Mantelbereich M aufweisen, sofern das der Lasteinleitung dienlich ist. Die zweite Unterschicht 144 umgibt die erste Unterschicht 142 und verläuft ebenfalls kontinuierlich über beide Verbindungsrohre 130, 130 sowie dem Mantelbereich M. Die zweite Unterschicht 144 weist im Vergleich zur ersten Unterschicht 142 eine geringere Schichtdicke auf. Sie kann insbesondere aus Hoop-Lagen aufgebaut sein. Neben der Aufnahme von Innendrucklasten des Druckzylinders vermeidet diese Unterschicht 144 zusätzlich das Knicken und Beulen und versteift in Umfangsrichtung zum Vorteil des Pressverbands zwischen den Befestigungsringen 150, 150 und dem jeweiligen Verbindungsrohr 130, 130.
Die Verbindungsringe 150, 150 sind hier als Pressringe aus Stahl ausgestaltet, die form- und reibschlüssig mit den Verbindungsrohren 130, 130 verbunden sind. Die Befestigungsringe 150, 150 bilden die Schnittstelle zur karosserieseitigen Anbindung des Druckbehälters 100. Sie sind dazu geeignet, Torsions-, Zug- und Drucklasten auf die zweite faserverstärkte Schicht 140 zu übertragen. Die Befestigungsringe 150, 150 weisen hier nach innen ragende umlaufende Stege auf, in denen bspw. Bohrungen zur Befestigung des Druckbehälters 100 an die Karosserie des Kraftfahrzeuges vorgesehen sein können. Es sind aber auch andere vorbekannte Befestigungskonzepte realisierbar, die an diesen Stegen oder anders gestalteten Innenelemente des Befestigungsrings 150, 150 vorgesehen sein können.
Der hier gezeigte Lagenaufbau umfassend die erste faserverstärkte Schicht 120, die Zwischenschicht 122 und die zweite faserverstärkte Schicht 140 sind zumindest im Mantelbereich M so gestaltet, dass sie alle aus dem Innendruck des Druckbehälters 100 resultierenden Lasten sowie alle von außen in den Druckbehälter 100 eingeleiteten Lasten tragen können. Aufgrund des hier dargestellten Lagenaufbaus sowie der hier gezeigten Anordnung und Ausgestaltung der Verbindungsringe 130, 130 können sehr platzsparend die Kräfte und Momente aufgenommen werden, ohne dass einzelne Bereiche hier stark überdimensioniert sind. Es entsteht insgesamt ein kompakter lasttragender Druckbehälteraufbau, der im Vergleich zu vorbekannten Lösungen leichter und kompakter ist bzw. mehr Brennstoff speichern kann.
In der 1 ist ein länglicher Druckbehälter gezeigt, der einen zylindrischen Mantelbereich M mit gewölbten Enden D₁, D₂ aufweist. Es sind aber auch andere Druckbehälterformen denkbar und von der hier offenbarten Technologie mit umfasst. Der zylindrische Bereich M könnte auch leicht bauchig ausgestaltet sein. Dann könnte der Durchmesser im zylindrischen Bereich M unwesentlich variieren. Auch könnte der Druckbehälter nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Auch wenn in den Figuren die beiden Enden des Druckbehälters 100 gleich ausgebildet sind, ist die hier offenbarte Technologie gleichsam auch nur auf ein Ende anwendbar.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

I: Brennstoffspeichervolumen
O: Druckbehälteröffnung
Ü: Übergangsbereich
d: Wanddicke
D₁, D₂: Endbereich
M: Mantelbereich
P: Fase
W: Verbindungsrohrwölbung
D_A: Manteldurchmesser
100: Druckbehälter
110: Liner
120: erste faserverstärkten Schicht
122: Zwischenschicht
130: Verbindungsrohr
132: Rohrmantelaußenoberfläche
134: Rohrmantelinnenoberfläche
140: zweite faserverstärkte Schicht
142: erste Unterschicht
144: zweite Unterschicht
150: Befestigungsring
170: Anschlusselement
172: Boss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014226557 [0020]
DE 102015204623 [0020]
DE 102014226550 [0020, 0020]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters (100) zur Speicherung von Brennstoff, umfassend die Schritte: – Herstellen einer ersten faserverstärkten Schicht (120) des Druckbehälters (100), wobei sich die erste faserverstärkte Schicht (120) über einen Mantelbereich (M) und über mindestens einen Endbereich (D₁, D₂) des Druckbehälters (100) erstreckt; – Bereitstellen von mindestens einem Verbindungsrohr (130), wobei das Verbindungsrohr (130) zumindest bereichsweise an der ersten faserverstärkten Schicht (120) anliegt; und – Herstellen einer zweiten faserverstärkten Schicht (140) des Druckbehälters (100), wobei sich die zweite faserverstärkte Schicht (140) über den Mantelbereich (M) des Druckbehälters (100) und über eine Rohrmantelaußenoberfläche (132) des Verbindungsrohres (130) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verbindungsrohr (130) zumindest bereichsweise in einem Übergangsbereich (Ü) zum Mantelbereich (M) an der ersten faserverstärkten Schicht (120) anliegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend den Schritt: – Anbringen eines Befestigungsrings (150) auf einer Rohrmantelinnenoberfläche (134) des Verbindungsrohres (130).
Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend den Schritt: – Ausbilden eines Pressverbandes zwischen dem Befestigungsring (150) und dem Verbindungsrohr (130).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite faserverstärkte Schicht (140) das Verbindungsrohr (130) im Bereich des Pressverbandes zumindest bereichsweise versteift.
Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff, umfassend: – eine erste faserverstärkte Schicht (120), wobei sich die erste faserverstärkte Schicht (120) über einen Mantelbereich (M) und über mindestens einen Endbereich (D1, D2) des Druckbehälters (100) erstreckt; – mindestens ein Verbindungsrohr (130), wobei das Verbindungsrohr (130) zumindest bereichsweise an der ersten faserverstärkten Schicht (120) anliegt; und – eine zweite faserverstärkte Schicht (140), wobei sich die zweite faserverstärkte Schicht (140) über den Mantelbereich (M) des Druckbehälters (100) und über einer Rohrmantelaußenoberfläche (132) des Verbindungsrohres (130) erstreckt.
Druckbehälter (100) nach Anspruch 6, wobei das Verbindungsrohr (130) zumindest bereichsweise in einem Übergangsbereich (Ü) zum Mantelbereich (M) an der ersten faserverstärkten Schicht (120) anliegt.
Druckbehälter nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend mindestens einen Befestigungsring (150) zur Anbindung des Druckbehälters (100) an die Karosserie eines Kraftfahrzeuges, wobei der Befestigungsring (150) zumindest bereichsweise an einer Rohrmantelinnenoberfläche (134) des Verbindungsrohres (130) anliegt oder einstückig mit dem Verbindungsrohr (130) ausgebildet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 8, wobei der Befestigungsring (150) und das Verbindungsrohr (130) einen Pressverband ausbilden.
Druckbehälter nach Anspruch 9, wobei die zweite faserverstärkte Schicht (140) das Verbindungsrohr (130) im Bereich des Pressverbandes zumindest bereichsweise versteift.
Druckbehälter nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei im Innenbereich des Verbindungsrohrs (130) ein Anschlusselement (170) des Druckbehälters (100) angeordnet ist.