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DE102011007361A1 - Method for manufacturing pressure tank i.e. type 3 pressure tank, for motor car for storing hydrogen, involves pre-tensioning metallic liner in longitudinal direction until curing matrix material, and applying composite material on liner - Google Patents

Method for manufacturing pressure tank i.e. type 3 pressure tank, for motor car for storing hydrogen, involves pre-tensioning metallic liner in longitudinal direction until curing matrix material, and applying composite material on liner Download PDF

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DE102011007361A1
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liner
pressure tank
composite material
matrix material
longitudinal direction
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Withdrawn
Application number
DE102011007361A
Other languages
German (de)
Inventor
Julian Burtscher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

The method involves pre-tensioning a metallic liner i.e. aluminum liner, in a longitudinal direction until curing matrix material e.g. duroplastic resin and thermoplastic resin. Composite material e.g. carbon fibers and/or glass fibers, is applied on an outer surface of the metallic liner adopting winding or braiding process or using a resin transfer mold. The composite material is subjected to autofrettage treatment after curing the matrix material, where the composite material is applied by a threaded rod that is stretched between lockable ports (3, 3').

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, insbesondere als Drucktank für Wasserstoff, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The invention relates to a method for producing a pressure vessel, in particular for a motor vehicle, in particular as a pressure tank for hydrogen, according to the preamble of the first claim.

Es ist bereits bekannt, Wasserstoff als Kraftstoff für Kraftfahrzeuge zu verwenden und diesen dazu in einem Drucktank unter Überdruck zu speichern. Derartige Drucktanks können aus Stahl bestehen. Für einen höheren Fülldruck kann zum Beispiel ein solcher, im wesentlichen zylindrischer Stahltank durch einen Faserverbundwerkstoff mit beispielsweise Glas- und/oder Kohlenstofffasern umwickelt werden.It is already known to use hydrogen as a fuel for motor vehicles and to store this in a pressure tank under pressure. Such pressure tanks can be made of steel. For example, for a higher inflation pressure, such a substantially cylindrical steel tank may be wrapped by a fiber composite with, for example, glass and / or carbon fibers.

Ein solcher Druckbehälter ist aus der DE 10 2006 051 376 A1 bekannt. Dieser wird in einem Walzverfahren aus einem metallischen Werkstoff angefertigt. Zur Erhöhung der Festigkeit beziehungsweise für eine dünnere metallische Wandung zur Gewichtsreduzierung kann eine metallische Behälteraußenfläche, ein so genannter Liner, mit faserverstärktem Kunststoff umwickelt werden. Als Autofrettage bezeichnet man ein Verfahren zur Lebensdauerverlängerung von, insbesondere faserverstärkten, Metallhohlkörpern für den Einsatz bei hohen Innendrücken. Dabei wird der Metallhohlkörper einem über dem späteren Betriebsdruck liegenden Innendruck ausgesetzt, so dass der metallische Liner plastifiziert. Nach dem Entspannen entstehen in diesem Bereich Druckeigenspannungen, die einer Rissbildung im späteren Einsatz vorbeugen und somit die Zeitfestigkeit bis hin zur Dauerfestigkeit steigern. Die Metallhohlkörper können mit dieser Behandlung entweder bei einem höheren Betriebsdruck oder/und längere Zeit betrieben werden, als ohne Autofrettage-Behandlung. Der Effekt der Autofrettage beruht auf der wechselseitigen Beziehung der plastifizierten inneren und der elastischen äußeren Zone, insbesondere auch der Faserverstärkung. Diese wird von der inneren plastisch verformten Zone daran gehindert, wieder ihre ursprüngliche Form einzunehmen, sie bleibt gedehnt. Dies erklärt die auftretenden Zugspannungen in der äußeren Schicht. Die innere plastisch verformte Schicht wiederum wird von der zurückfedernden äußeren Schicht zusammengedrückt oder auch -gepresst. Dies erklärt die hier auftretenden Druckspannungen. Einer der Vorteile bei späterem Betrieb mit Innendruck ist nun der, dass die durch den im Betrieb aufgebrachten Innendruck an der Randfaser, der innersten Schicht des Metallhohlkörpers, auftretenden Spannungsspitzen durch die bereits vorhanden Druckspannungen aus der Autofrettage kompensiert werden.Such a pressure vessel is out of the DE 10 2006 051 376 A1 known. This is made in a rolling process of a metallic material. To increase the strength or for a thinner metallic wall for weight reduction, a metallic container outer surface, a so-called liner, be wrapped with fiber-reinforced plastic. Autofrettage is a process for extending the service life of, in particular fiber-reinforced, metal hollow bodies for use at high internal pressures. In this case, the hollow metal body is exposed to a lying above the subsequent operating pressure internal pressure, so that the metallic liner plasticized. After relaxing, compressive residual stresses develop in this area, which prevent crack formation in later use and thus increase the fatigue strength up to fatigue strength. The metal hollow bodies can be operated with this treatment either at a higher operating pressure and / or for a longer time than without autofrettage treatment. The effect of Autofrettage is based on the mutual relationship of the plasticized inner and the elastic outer zone, in particular the fiber reinforcement. This is prevented by the inner plastically deformed zone from returning to its original shape, it remains stretched. This explains the tensile stresses in the outer layer. The inner plastically deformed layer in turn is compressed or pressed by the spring-back outer layer. This explains the compressive stresses occurring here. One of the advantages of later operation with internal pressure is that the stress peaks occurring as a result of the internal pressure applied at the edge fiber, the innermost layer of the hollow metal body, are compensated by the already present compressive stresses from the autofrettage.

Wird also der Druckbehälter durch seinen Inhalt bedruckt, wird zunächst eine Druckvorspannung im Liner aus der Autofrettage ausgeglichen und erst bei weiter ansteigendem Innendruck die Behälterwandung nach außen hin auf Zug beansprucht.Thus, if the pressure vessel is printed by its contents, first a pressure bias in the liner from the autofrettage is compensated and only when the internal pressure continues to increase does the container wall become stressed towards the outside.

Da es sich beim Innendruck um eine intensive Zustandsgröße handelt, ergibt sich das resultierende Verhältnis von Längs- und Quervorspannung aus dem Lagenaufbau des aufgebrachten Faserverbundes. Da dieser jedoch auf die Betriebslasten Druck und/oder Temperatur und nicht auf den Autofrettageprozess ausgelegt ist, können sich ungünstige Vorspannungsverhältnisse einstellen. Außerdem kann es beim Betrieb unter kryogenen Temperaturen in drucklosen oder -armen Betriebsfällen dazu kommen, dass die Faserverbundarmierung aufgrund mangelnder Vorspannung in Tanklängsrichtung den Kontakt zum metallischen Liner und somit ihre verstärkende Wirkung verliert. Insbesondere können hiervon die Dome des Druckbehälters betroffen sein.Since the internal pressure is an intensive state variable, the resulting ratio of longitudinal and transverse prestress results from the layer structure of the applied fiber composite. However, since this is designed for the operating loads pressure and / or temperature and not on the Autofrettageprozess, unfavorable bias conditions can be adjusted. Moreover, when operating under cryogenic temperatures in non-pressurized or low-operating conditions, it may happen that the Faserverbundarmierung loses contact with the metallic liner and thus their reinforcing effect due to lack of bias in tank longitudinal direction. In particular, this may affect the dome of the pressure vessel.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass dieses obige Nachteile vermeidet und mit dem gezielt die Vorspannungszustände eines Druckbehälters unabhängig vom Aufbau des zur Verstärkung aufgebrachten Faserverbundwerkstoffes beeinflusst werden können.The invention is therefore based on the object to develop a method for producing a pressure vessel of the type mentioned so that this avoids the above disadvantages and can be influenced with the targeted the bias conditions of a pressure vessel regardless of the structure of the applied for reinforcement fiber composite material.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale und Verfahrensschritte des ersten Anspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die abhängigen Ansprüche.The object is achieved by the features and method steps of the first claim. Preferred embodiments of the invention describe the dependent claims.

Bei einem Verfahren nach der Erfindung wird ein Druckbehälter aus einem metallischen Liner hergestellt, indem dieser außen mit Faserverbundwerkstoff verstärkt und nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes einer Autofrettage-Behandlung unterworfen wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Aufbringen des Faserverbundwerkstoffes auf den Liner, dieser in Längsrichtung bis nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes vorgespannt wird.In a method according to the invention, a pressure vessel is made of a metallic liner by reinforcing it externally with fiber composite material and subjecting it to autofrettage treatment after curing of the matrix material. The invention is characterized in that prior to the application of the fiber composite material to the liner, this is biased in the longitudinal direction until after the curing of the matrix material.

Das Verhältnis aus der Vorspannung in Längs- und Umfangsrichtung des Druckbehälters lässt sich hierdurch gezielt beeinflussen und so unabhängig vom Aufbau der Faserverbundummantelung einstellen. Damit ermöglicht das erfinderische Verfahren, die Spannungsverhältnisse am Druckbehälter gezielt zu beeinflussen, indem der Liner bereits vor dem Aufbringen des Faserverbundes in seiner Längsachse gestaucht wird. Dadurch kann die Vorspannung in Tanklängsrichtung zum einen sehr genau eingestellt werden und zum anderen im Betrag höher liegen als durch eine plastische Verformung des Liners. Es lässt sich auch der Effekt des Ablösens der Faserverbundarmierung vermeiden, zu dem es beim Betrieb unter kryogenen Temperaturen in drucklosen oder -armen Betriebsfällen kommen kann. Hier verliert die Faserverbundarmierung aufgrund mangelnder Vorspannung in Tanklängsrichtung den Kontakt zum metallischen Liner und somit ihre verstärkende Wirkung. Der Effekt der Autofrettage wird verstärkt in seiner Wirkung in Längsrichtung durch die Erhöhung der Vorspannung in dieser Richtung.The ratio of the bias in the longitudinal and circumferential direction of the pressure vessel can be selectively influenced and thus set independently of the structure of the fiber composite casing. Thus, the inventive method allows to influence the voltage conditions on the pressure vessel targeted by the liner is already compressed before applying the fiber composite in its longitudinal axis. As a result, the preload in the tank longitudinal direction can be set very precisely for one thing and, on the other hand, are higher in amount than by a plastic deformation of the liner. It can also be the effect of removing the Faserverbundarmierung avoid, which when operating under cryogenic temperatures can come in unpressurized or poor operating conditions. Here the Faserverbundarmierung loses contact with the metallic liner and thus its reinforcing effect due to lack of bias in tank longitudinal direction. The effect of Autofrettage is reinforced in its longitudinal action by increasing the bias in this direction.

Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sehen vor, dass der Faserverbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern besteht, dabei kann der Matrixwerkstoff ein duroplastischer oder ein thermoplastischer Kunststoff sein. Und vorteilhafterweise ist der Druckbehälter ein Typ 3 Druckbehälter, das heißt, ein komplett umwickelter metallischer Zylinder mit einem Dom auf jeder Seite. Die Verstärkungsfasern werden bevorzugt mittels aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren, dem Wickel- oder dem Flechtverfahren oder auch mittels Resin Transfer Moulding aufgebracht. Beispielsweise kann die benötigte Stauchung des Liners mittels einer zwischen beide Anschlussöffnungen gespannten Gewindestange aufgebracht werden. Wichtig dabei ist, dass die künstlich aufgebrachte Vorspannung auch während des Aushärteprozesses des Faserverbundes aufrecht erhalten bleibt um ein Verrutschen der Fasern und damit den Verlust der Vorspannung zu vermeiden.Preferred embodiments of the invention provide that the fiber composite material consists of carbon fibers and / or glass fibers, while the matrix material may be a thermosetting or a thermoplastic plastic. And advantageously, the pressure vessel is a Type 3 pressure vessel, that is, a completely wrapped metallic cylinder with a dome on each side. The reinforcing fibers are preferably applied by means known from the prior art, the winding or the braiding method or by means of resin transfer molding. For example, the required compression of the liner can be applied by means of a tensioned threaded rod between both connection openings. It is important that the artificially applied bias is maintained even during the curing process of the fiber composite to avoid slippage of the fibers and thus the loss of bias.

Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es mit einem Drucktank, insbesondere für Wasserstoff, ausgestattet ist, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.A further preferred embodiment of the invention relates to a motor vehicle, which is characterized in that it is equipped with a pressure tank, in particular for hydrogen, which is produced by a method according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung näher dargestellt. Dazu zeigen die schematisch gezeichneten 1 bis 6 von oben nach unten eine zeitliche Abfolge einzelner Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters als Typ 3 Druckbehälter. Gleiche Elemente in den Figuren werden mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.The inventive method is shown in more detail in the following description and the accompanying drawings. For this purpose, the schematically drawn 1 to 6 from top to bottom, a time sequence of individual process steps for producing a pressure vessel according to the invention as a type 3 pressure vessel. Like elements in the figures are designated by the same reference numerals.

1 zeigt einen metallischen Liner aus Aluminium als Behälter mit einem zylindrischen Mantel 1 und mit einem mit einer verschließbaren Öffnung 3, 3' versehenen Dom 2, 2' an jedem Behälterende. Wie der Abstand der gestrichelt gezeichneten Maßlinien 4, 4' für die nicht gestauchte Länge des Liners zeigt, im ursprünglichen, langen und entspannten Zustand. Dieser Liner wird nun mittels einer nicht gezeichneten, zwischen beide Anschlussöffnungen 3, 3' gespannten Gewindestange, wie in 2 symbolisch durch Pfeile 5, 5' dargestellt, vorgespannt, was seine Länge in axialer Richtung auf den Abstand zwischen den gestrichelt gezeichneten Maßlinien 4, 4'' für die gestauchte Länge des Liners verkürzt. Nun wird der Liner in gestauchtem Zustand mittels der Faserwickelmaschine mit Faserverbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern in mehreren Lagen verschiedener Ausrichtung, abhängig von den für den Druckbehälter vorgesehenen Betriebszuständen, umwickelt und gleichzeitig werden diese Wickellagen mit Matrixwerkstoff, einem flüssigen duroplastischen Kunststoff, durchtränkt. In 3 ist der fertig umwickelte und getränkte, gestauchte Liner mit einer Länge entsprechend dem Abstand zwischen den Maßlinien 4, 4'' dargestellt. 1 shows an aluminum metallic liner as a container with a cylindrical shell 1 and one with a closable opening 3 . 3 ' provided cathedral 2 . 2 ' at each end of the container. Like the distance of the dotted lines 4 . 4 ' for the non-compressed length of the liner, in the original, long and relaxed state. This liner is now by means of a not shown, between both connection openings 3 . 3 ' tensioned threaded rod, as in 2 symbolically by arrows 5 . 5 ' shown, biased what its length in the axial direction on the distance between the dashed lines of dimension 4 . 4 '' shortened for the compressed length of the liner. Now, the liner in the compressed state by means of the fiber winding machine with fiber composite material of carbon fibers in several layers of different orientation, depending on the operating conditions provided for the pressure vessel wrapped, and at the same time these winding layers are impregnated with matrix material, a liquid thermosetting plastic. In 3 is the finished wrapped and impregnated upset liner with a length equal to the distance between the dimension lines 4 . 4 '' shown.

4 zeigt symbolisch durch Pfeile Q den nun folgenden Verfahrensschritt, das Aushärten des Matrixwerkstoffes im Faserverbund durch Zuführen von Wärme zum gestauchten, umwickelten Liner mit einer Länge des Abstands zwischen den Maßlinien 4, 4''. Hierzu erfolgt eine Temperaturführung, um optimale Festigkeitswerte in Abhängigkeit des gewählten Kunststoffmaterials beziehungsweise der Art und Menge der verwendeten Fasern, zum Beispiel Glas-, Kohle- und/oder metallische Fasern, zu erhalten. Nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes wird der nun, bei Umwicklung mit Kohlefasern, mit CFK 6 umgebene Liner im Verfahrensschritt der 5 aus der Faserwickelmaschine entnommen und aus seiner Vorspannung gelöst, was eine Längenzunahme auf eine neue, größere Länge, der des Abstands zwischen den Maßlinien 4, 4''' mit sich bringt, mit der eine Erhöhung der Vorspannung in Längsrichtung einhergeht. 4 shows symbolically by arrows Q the now following process step, the curing of the matrix material in the fiber composite by supplying heat to the compressed, wound liner with a length of the distance between the dimension lines 4 . 4 '' , For this purpose, a temperature control in order to obtain optimum strength values depending on the selected plastic material or the type and amount of fibers used, for example glass, carbon and / or metallic fibers. After curing of the matrix material is now, when wrapping with carbon fibers, with CFRP 6 surrounded liner in the step of the 5 taken from the fiber winding machine and released from its bias, resulting in a length increase to a new, longer length, that of the distance between the dimension lines 4 . 4 ''' brings with it an increase in the bias in the longitudinal direction is accompanied.

In 6 letztendlich, wird der Druckbehälter durch Erhöhen seines Innendrucks einer Autofrettage-Behandlung unterworfen und mit dem Autofrettage-Druck pAT befüllt, symbolisch angedeutet gezeichnet durch mit der Spitze auf den Liner gerichtete Dreiecke, was unter anderem eine weitere Längenzunahme bewirkt. Durch die Autofrettage-Behandlung wird der Druckbehälter beziehungsweise dessen Wandung unter Überdruck mit einer weiteren Eigenspannung versehen, die dann auch im Leerzustand verbleibt und durch den negativen Druck –p1 beschreibbar ist, so dass im leeren Zustand der Druckbehälter sozusagen das Bestreben hat, sich selbst zusammen zu ziehen. Erst wenn der Druckbehälter mit dem Druck p1 befüllt ist, ist die Eigenspannung in der Wandung ausgeglichen und absolut gesehen steht die Wandung dann unter dem gesamten Innendruck null. Nachfolgend wird der Druckbehälter dann bis zum Fülldruck befüllt. Dabei ist der absolut herrschende Druck von innen auf die Wandung aber geringer, da die Vorspannung p1 vom Fülldruck abgezogen werden kann.In 6 Finally, by increasing its internal pressure, the pressure vessel is subjected to an autofrettage treatment and filled with the autofrettage pressure p AT , symbolically indicated by triangles directed towards the liner with the tip, which, inter alia, causes a further increase in length. The autofrettage treatment of the pressure vessel or its wall is provided under pressure with a further residual stress, which then remains in the empty state and can be described by the negative pressure -p 1 , so that in the empty state of the pressure vessel, so to speak, the endeavor itself to pull together. Only when the pressure vessel is filled with the pressure p 1 , the residual stress in the wall is balanced and in absolute terms, the wall is then zero under the total internal pressure. Subsequently, the pressure vessel is then filled to the filling pressure. However, the absolute pressure prevailing from the inside to the wall is lower because the bias voltage p 1 can be subtracted from the filling pressure.

Wird ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Druckbehälter für Wasserstoff ausgestattet, besitzt dieser aufgrund der Autofrettage-Behandlung ein vorteilhaft geringes Gewicht und wird durch die Erhöhung der Vorspannung in Längsrichtung mittels gezielter Umwicklung mit Faserverbundwerkstoff im gestauchten Zustand auch bei kryogen-kalten Temperaturen davor bewahrt, dass an den Domen 2, 2' der Liner den Kontakt zum CFK 6 verliert.If a motor vehicle equipped with such a pressure vessel for hydrogen, this has due to the autofrettage treatment advantageously low weight and is by increasing the bias in the longitudinal direction means targeted wrapping with fiber composite material in the compressed state even at cryogenic-cold temperatures prevents that at the Domen 2 . 2 ' the liner makes contact with the CFRP 6 loses.

Vorzugsweise wird ein derartiger Druckbehälter in Kraftfahrzeugen zum Mitführen von Wasserstoff als Kraftstoff eingesetzt. Grundsätzlich können derartig ausgebildete Druckbehälter aber auch auf allen anderen Gebieten der Technik eingesetzt werden, beispielsweise als stationärer Vorratsbehälter zur Energiegewinnung in einer Brennstoffzelle. Auch können bei geeigneter Materialwahl andere Gase eingefüllt werden.Preferably, such a pressure vessel is used in motor vehicles for carrying hydrogen as fuel. In principle, however, pressure vessels formed in this way can also be used in all other fields of technology, for example as a stationary reservoir for the generation of energy in a fuel cell. Also, other gases can be filled with a suitable choice of material.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102006051376 A1 [0003] DE 102006051376 A1 [0003]

Claims (7)

Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters aus einem metallischen Liner, der außen mit Faserverbundwerkstoff verstärkt, nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes einer Autofrettage-Behandlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen des Faserverbundwerkstoffes auf den Liner, dieser in Längsrichtung bis nach dem Aushärten des Matrixwerkstoffes vorgespannt wird.A method for producing a pressure liner made of a metallic liner reinforced externally with fiber composite, after curing of the matrix material is subjected to an autofrettage treatment, characterized in that prior to applying the fiber composite material to the liner, this in the longitudinal direction until after curing of the matrix material is biased. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundwerkstoff aus Kohlenstofffasern und/oder Glasfasern besteht.A method according to claim 1, characterized in that the fiber composite material consists of carbon fibers and / or glass fibers. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Matrixwerkstoff ein duroplastischer oder ein thermoplastischer Kunststoff ist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the matrix material is a thermoset or a thermoplastic material. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter ein Typ 3 Druckbehälter ist.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure vessel is a type 3 pressure vessel. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsfasern in einem Wickel- oder Flechtverfahren oder durch Resin-Transfer-Moulding aufgebracht werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the reinforcing fibers are applied in a winding or braiding process or by resin transfer molding. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung auf den Liner mittels einer zwischen beide Anschlussöffnungen (3, 3') gespannten Gewindestange aufgebracht wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the bias on the liner by means of a between both connection openings ( 3 . 3 ' ) tensioned threaded rod is applied. Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Drucktank, insbesondere für Wasserstoff, ausgestattet ist, der nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist.Motor vehicle, characterized in that it is equipped with a pressure tank, in particular for hydrogen, which is produced by a method according to one of claims 1 to 6.
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