DE102015222391A1

DE102015222391A1 - Druckbehälter mit einer Domkappe und Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters

Info

Publication number: DE102015222391A1
Application number: DE102015222391.4A
Authority: DE
Inventors: Timo Christ
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-05-18
Also published as: CN108291688A; CN108291688B; US20180259129A1; WO2017080724A1

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Der Druckbehälter umfasst einen Liner 110 zur Speicherung von Brennstoff; eine faserverstärkte Schicht 120, die den Liner 110 zumindest bereichsweise umgibt; und mindestens eine Domkappe 130, 130', die ein Ende P1, P2 des Liners 110 zumindest teilweise abdeckt. Von der Oberfläche 138 der Domkappe 130, 130' stehen Verbindungsstifte 132, 132' ab, wobei die Verbindungsstifte 132, 132' aus der faserverstärkten Schicht 120 vorstehen. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Kraftfahrzeug und ein Herstellungsverfahren für einen solchen Druckbehälter.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter mit einer Domkappe sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters.
Druckbehälter dehnen sich abhängig von Faktoren wie dem Innendruck p oder der Temperatur T des Druckbehälters aus. Aus diesem Grund werden Druckbehälter nach dem Festlager-Loslager-Prinzip an die Karosserie eines Kraftfahrzeuges angebunden. Eine solche Konstruktion benötigt relativ viel Bauraum. Sie ist überdies nicht 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.
Aus der DE 1993551 6A1 ist eine Flasche für druckbeaufschlagte Gase mit einem Halterungsringflansch an den jeweiligen Enden der Flasche bekannt. Ferner offenbart die DE 10 2010 053 874 A1 ein Halterungssystem für einen Druckbehälter mit zwei Sicherungskappen.
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 insbesondere 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. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein.
Hochdruckgasbehälter 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, ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. Hochdruckgasbehälter sind beispielsweise in der Richtlinie EN13445 definiert. Typ-III bzw. Typ-IV Druckbehälter haben beispielsweise einen Innenliner aus Aluminium bzw. aus Kunststoff und eine faserverstärkte Schicht. Auch können linerlose Druckbehälter vorgesehen sein.
Ein kryogener 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. 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.
Um einen Druckbehälter mit möglichst günstiger Spannungsverteilung zu erhalten und hinsichtlich der Fahrzeugintegration günstig ist ein länglicher Druckbehälter mit gewölbten (bevorzugt halbelliptischförmigen) Polkappen an beiden seitlichen Enden, auch Dome genannt. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise mittig im Fahrzeugtunnel integriert sein.
Der hier offenbarte Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug umfasst einen Liner und eine faserverstärkte Schicht, die zumindest bereichsweise den Liner umgibt. Als faserverstärkte Schicht bzw. Ummantelung oder Armierung (nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht” verwendet) kommen faserverstärkte Kunststoffe (FVK) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Die FVK-Struktur eines Druckbehälters wirkt verstärkend durch Fasern, die in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Ein FVK umfasst Fasern und Matrixmaterial, die belastungsorientiert kombiniert sein sollte, damit sich die gewünschten mechanischen und chemischen Eigenschaften ergeben. Die faserverstärkte Schicht ist i. d. R. eine Schicht, die Kreuz- und Umfangslagen aufweist. Sie bewältigen i. d. R. die gesamten aus dem Innendruck resultierenden Spannungen. Um axiale Spannungen zu kompensieren, werden über die gesamte Lineroberfläche Kreuzlagen gewickelt bzw. geflochten. In dem zylindrischen Mantelbereich M befinden sich die sogenannten Umfangslagen, die für eine Verstärkung in tangentialer Richtung sorgen. Die Umfangslagen verlaufen in Umfangsrichtung U des Druckbehälters. Die Umfangslagen sind in einem 90° Winkel zur Druckbehälterlängsachse A-A orientiert.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ebenfalls einen Liner für einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. 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. I. d. R. dient der Liner zudem als Wickel- und/oder Flechtkern. 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 20 mm, bevorzugt weniger als 10 mm oder 5 mm betragen. Wie der Druckbehälter weist auch der Liner i. d. R. eine längliche Form mit gewölbten Polkappen auf. Die Polkappen und der dazwischen angeordnete zylindrische Mantelbereich M sind insbesondere vorteilhaft einstückig geformt. In mindestens einer der Polkappen des Liners ist eine Öffnung vorgesehen.
An der Öffnung des Liners ist ein Stutzen, auch Port genannt, vorgesehen. Der Port ist i. d. R. aus einer Stahl- oder Aluminiumlegierung hergestellt. Der Port wird vorteilhaft zumindest teilweise von der faserverstärkten Schicht abgedeckt. Der Port kann dazu dienen, etwaige Brennstoffleitungen an den Druckbehälter anzuschließen. Der Port kann beispielsweise einen Portkragen oder Neck (nachstehend wird vereinfachend der Begriff „Neck” verwendet) aufweisen, an den eine Brennstoffleitung angeflanscht werden kann. Hierzu können weitere Bauteile, beispielsweise durch ein Innengewinde, in den Port eingesetzt werden. An dem dem Neck gegenüberliegenden Ende kann ein sich verbreiternd ausgestalteter Verbindungsabschnitt vorgesehen sein, der vorteilhaft zumindest bereichsweise dieselbe Kontur aufweist wie die Polkappe des Liners. Bevorzugt liegt dieser Verbindungsabschnitt auf dem Liner auf.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens eine Domkappe, die ein Ende des Liners zumindest teilweise abdeckt. Mit anderen Worten bedeckt eine gewölbte Domkappe zumindest teilweise einen Dom des Liners. Die Domkappe kann aus einem Metall, aus einem (faserverstärkten) Kunststoff oder aus einer Metalllegierung hergestellt sein. Die Domkappe weist zweckmäßig eine Kappenöffnung auf, durch die ein Port oder ein Blindboss des Druckbehälters herausgeführt sein kann. Insbesondere kann sich die Domkappe vom Neck bis zu dem Übergangsbereich Ü vom Dom zum zylindrischen Bereich des Druckbehälters erstrecken. Der Übergangsbereich Ü kann dabei der Bereich sein, in dem der Liner bereits mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90%, des mittleren Durchmessers aufweist, den der Liner im (im Wesentlichen) zylindrischen Mantelbereich M aufweist. Die Domkappe kann beispielsweise als Vollmaterial ausgebildet sein, z. B. ein gewölbtes Blech bzw. eine gewölbte Platte. Beispielsweise kann die Domkappe Aussparungen aufweisen. Vorteilhaft können die in der Domkappe vorgesehenen Aussparungen so gestaltet sein, dass eine Fachwerkstruktur entsteht. Ferner ist vorstellbar, dass eine Drahtstruktur (z. B. Drahtgeflecht) bzw. eine Gitterstruktur die gewölbte (Ober)fläche der Domkappe ausbildet, von der sich die Verbindungsstifte bzw. Bolzen weg erstrecken. Auch könnte das Fachwerk anders realisiert sein als durch Ausstanzungen. Das Fachwerk und/oder die Draht- bzw. Gitterstruktur können beispielsweise auf metallischem Werkstoff und/oder auf Faserverbundwerkstoff basieren. Vorteilhaft sind dabei die Drähte, Gitter und/oder Fasern derart orientiert, dass sie bei der Übertragung von Kräften und/oder Momenten zwischen den Verbindungsstiften und den Bolzen (siehe unten) nach dem Prinzip von Zug- oder Druckstäben wirken. Bevorzugt umfasst die Domkappe selbst mindestens eine Laminatschicht aus einem faserverstärkten Kunststoff. Bevorzugt sind die Fasern von zumindest einer (insbesondere unidirektionalen) Lage der Laminatschicht in Umfangsrichtung angeordnet (Hoop-Lagen). Weitere Lagen der Laminatschicht können anders orientiert sein. Solche in Umfangsrichtung U orientierte Lagen lassen sich beim Umwickeln bzw. Umflechten des Druckbehälters an den Polkappen nur schwer realisieren. Eine so gestaltete Laminatschicht kann separat vom Druckbehälter vorher vergleichsweise preiswert hergestellt werden. Die Laminatschicht kann einerseits die Kräfte und/oder Momente zwischen den Verbindungsstiften und Bolzen übertragen und andererseits auch bezüglich den aus den Behälterinnendruck resultierenden Kräften die faserverstärkte Schicht in den Polbereichen unterstützen.
Von der Oberfläche der Domkappe stehen Verbindungsstifte nach außen gerichtet ab. Die Verbindungsstifte stehen bzw. ragen aus der faserverstärkten Schicht zum Druckbehälteräußeren hin hervor. Eine Domkappe kann mindestens 2, bevorzugt mindestens 4 Verbindungsstifte aufweisen. Insbesondere können die Verbindungsstifte derart ausgebildet und angeordnet sein, dass zwischen zwei benachbarten Verbindungsstiften noch Verstärkungsfasern der faserverstärkten Schicht verlaufen können. Somit lässt sich die Domkappe einfach umwickeln bzw. umflechten. Ferner können die von der Fahrzeugkarosserie übertragenen Kräfte und Momente besser in die faserverstärkte Schicht eingeleitet werden. Spannungsspitzen werden dabei reduziert. Die Verbindungsstifte können stoffschlüssig an der Domkappe befestigt sein, beispielsweise durch Schweißen, Kleben Löten und/oder umspritzen. Ferner bevorzugt können die Verbindungsstifte und die Domkappe durch ein urformendes Herstellungsverfahren gleichzeitig produziert werden. Am Fuß von mindestens einem Verbindungsstift (bevorzugt von jedem lasttragenden Verbindungsstift) kann eine Auflageverstärkung vorgesehen sein, die mit der Domkappe stoffschlüssig verbunden sein kann. Bevorzugt handelt es sich um eine Materialverdickung in dem Bereich der Verbindungsstifte, die den Übergang zur Domkappe ausbilden. Bevorzugt sind die Auflageverstärkungen derart geformt, dass auf die Verbindungsstifte einwirkende Kräfte gut in den Liner und/oder in die faserverstärkte Schicht eingeleitet werden können. Vorteilhaft verbreitert sich die Auflageverstärkung zur Oberfläche der Domkappe hin. Mithin weist der Verbindungsstift also an seinem freien Ende eine geringere Dicke auf als an seinem Fuß, der mit der Domkappe verbunden ist. Somit lassen sich Kerbwirkungen im Übergang von den Verbindungsstiften zur Domkappe reduzieren.
Besonders bevorzugt ist zumindest ein Verbindungsstift ausgebildet, externe Lasten von einer Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeuges in den Liner und/oder in die faserverstärkte Schicht des Druckbehälters zu übertragen. Bevorzugt ist dazu in der Einbaulage des Druckbehälters zumindest ein Teilbereich von zumindest einem Verbindungsstift mit der Karosserie direkt oder indirekt gekoppelt, so dass Kräfte übertragen werden können. Beispielsweise kann der Verbindungsstift hierzu ein Innen- und/oder Außengewinde aufweisen. Ferner bevorzugt kann zur Kopplung des mindestens einen Verbindungsstiftes ein Feststellmechanismus vorgesehen sein, wie er in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2015 206 825.0 offenbart ist. Der Feststellmechanismus der DE 10 2015 206 825.0 (dort Bezugszeichen 143, 144; 143', 144') sowie dessen funktionale Anordnung und die Interaktion mit dem Verbindungsstift sowie der Verbindungsstift selbst wird hiermit mittels Verweis mit in diese Patentanmeldung mit aufgenommen. Ebenso wird hiermit die Befestigungsvorrichtung der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung DE 10 2015 206 826.9 (dort Bezugszeichen 140, 140') mittels Verweis mit in diese Patentanmeldung mit aufgenommen. Mit der hier offenbarten Technologie ist es vorteilhaft möglich, Kräfte und Momente von der Karosserie in den Druckbehälter zu übertragen. Die Gesamtsteifigkeit des Kraftfahrzeuges kann somit kostengünstig, annähernd gewichtsneutral und mit wenig Bauraumbedarf signifikant gesteigert werden.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein zweispuriges Kraftfahrzeug, mit einem Druckbehälter wie er hier offenbart ist. Die Verbindungsstifte des Druckbehälters können vorteilhaft mit Karosserieanbindungselemente (z. B. der vorgenannte Feststellmechanismus) des Kraftfahrzeuges derart gekoppelt sein, dass Kräfte und/oder Momente von der Karosserie in den Druckbehälter übertragbar sind. Der Druckbehälter (insbesondere die mindestens eine Domkappe, der Liner und die faserverstärkte Schicht) kann 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 Masse des Druckbehälters und des darin enthaltenen Brennstoffs im Betrieb resultieren (z. B. Gewichtskraft, Querbeschleunigung, etc.). Bevorzugt ist an den beiden den Enden des mindestens einen Druckbehälters jeweils eine Domkappe vorgesehen. Somit lassen sich vorteilhaft Kräfte an einem ersten Ende Pi des Druckbehälters von der Karosserie in den Druckbehälter einleiten und am zweiten Ende P₂ des Druckbehälters wieder in die Karosserie ausleiten. Der Druckbehälter kann also als lasttragender Druckbehälter bzw. als Versteifungselement der Karosserie ausgebildet sein.
Die Domkappe kann ferner Bolzen umfassen, die ebenfalls von der Oberfläche der Domkappe nach außen abstehen. Bevorzugt ragen die Bolzen nicht aus der faserverstärkten Schicht hervor. Die Bolzen können insbesondere dazu dienen, die Kräfte in die faserverstärkte Schicht einzuleiten, die über die Verbindungsstifte in die Domkappe eingeleitet wurden. Die Bolzen sind bevorzugt kürzer und/oder dünner als die Verbindungsstifte. Somit lassen sich vorteilhaft Gewicht und Materialkosten der Domkappe verringern.
Bevorzugt sind die Verbindungsstifte und/oder die Bolzen derart angeordnet, dass mehr Verstärkungsfasern der faserverstärkten Schicht an dem/den Ende(n) in Umfangsrichtung U abgelegt werden können als bei einer Ausgestaltung ohne Verbindungsstiften und/oder Bolzen. Mit anderen Worten können die Verbindungsstifte und/oder Bolzen derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie als Wickel- und/oder Flechthilfen fungieren, indem Rovings lateral gestützt und somit auch bei beispielsweise nicht geodätischer Ablage vor dem Abrutschen bewahrt werden. Bevorzugt sind die Verbindungsstifte und/oder die Bolzen konzentrisch oder im Wesentlichen konzentrisch um die Öffnung des Liners angeordnet.
Besonders bevorzugt sind die Bolzen und/oder die Verbindungsstifte beabstandet von der Öffnung des Druckbehälters angeordnet. Beispielsweise können die Bolzen und/oder die Verbindungsstifte mindestens 100 mm, bevorzugt mindestens 150 mm oder mindestens 200 mm von der Mittellängsachse A-A in radialer Richtung beabstandet angeordnet sein. Ferner bevorzugt können die Bolzen und/oder die Verbindungsstifte mindestens 30 mm, bevorzugt mindestens 50 mm oder mindestens 100 mm in radialer Richtung vom Außenumfang des Neck des Druckbehälters beabstandet angeordnet sein. Beispielsweise können Bolzen über die ganze Fläche des Doms verteilt sein. Bevorzugt können die Verbindungsstifte mindestens um den halben Außenradius, bevorzugt mindestens um zwei Drittel des Außenradius von der Mittellängsachse A-A in radialer Richtung beabstandet angeordnet sein. Der Außenradius ist dabei der mittlere Radius, den der Liner im (im Wesentlichen) zylindrischen Mantelbereich M aufweist. Sind die Bolzen und/oder Verbindungsstifte derart beabstandet angeordnet, so lassen sich besonders gut Kräfte und/oder Momente in den Druckbehälter einleiten.
Die Verbindungsstifte und/oder Bolzen können neben einer kreisrunden Querschnittsgeometrie auch andere Querschnittsgeometrien (z. B. ovale oder längliche Querschnittsgeometrien) aufweisen. Sie sind insbesondere derart ausgebildet und angeordnet, dass zwischen benachbarten Bolzen und Verbindungsstiften Fasern der faserverstärkten Schicht verlaufen können.
Die Domkappe kann insbesondere einstückig mit einem Port des Druckbehälters ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Domkappe selbst dazu dienen, etwaige Brennstoffleitungen an den Druckbehälter anzuschließen. Die Domkappe kann also beispielsweise einen Neck aufweisen, an den eine Brennstoffleitung angeflanscht werden kann. Einstückig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Domkappe aus einem Material hergestellt ist
Die Domkappe kann zumindest bereichsweise an dem Liner und/oder ggf. an dem Boss direkt oder indirekt an- bzw. aufliegen. Indirekt meint in diesem Zusammenhang, dass mindestens eine Zwischenschicht zwischen der Domkappe und dem Liner und/oder Port angeordnet sein kann. Diese kann beispielsweise dazu dienen, Kontaktkorrosion zwischen zwei Metallmaterialien zu verhindern. Auch kann eine Zwischenschicht dazu dienen, die Domkappe während des Flecht- und/oder Wickelprozesses zu fixieren. Als Zwischenschicht könnte ebenfalls eine faserverstärkte Schicht eingesetzte werden.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Bereitstellen eines Liners zur Speicherung von Brennstoff;
– Bereitstellen mindestens einer Domkappe,

– Aufbringen einer faserverstärkten Schicht wobei die faserverstärkte Schicht die Domkappe zumindest teilweise bedeckt, und wobei die Verbindungsstifte der Domkappe aus der faserverstärkten Schicht vorstehen.

Die faserverstärkte Schicht bzw. Ummantelung wird in der Regel in einem Wickelprozess und/oder in einem Flechtprozess hergestellt. Zumindest bereichsweise ist die Dicke der faserverstärkten Schicht bevorzugt geringer ist als die Länge von mindestens zwei Verbindungsstifte, so dass die Verbindungsstifte in der Einbaulage des Drucktanks an die Karosserie direkt oder indirekt koppelbar sind.
Die hier offenbarte Technologie zeigt ein Bauteil zur Einleitung mechanischer Lasten in die Faserverbundwerkstoff-Armierung eines Druckbehälters innerhalb der Dombereiche. Sie handelt von einer steifen domförmigen Schale bzw. Domkappe mit einer Vielzahl normal auf der konvexen Oberfläche angeordneten Bolzen, die das Laminat (= faserverstärkte Schicht) über seine gesamte Dicke von innen nach außen durchdringen. Einige dieser Bolzen sind als stärkere, konzentrisch zur Polöffnung angeordnete Verbindungsstifte ausgeführt, anhand derer von außen mechanische Last in den Druckbehälter einleitbar sind. Zweckmäßig sind die Verbindungsstifte aus Vollmaterial, die in ihrer Länge über die Oberfläche des Laminats mit einem Innen- und/oder Außengewinde hinausragen können. Somit kann beispielsweise über einen formschlüssigen und verschraubten Aufsatz die Einleitung von Zug-, Druck- und Torsionslasten erfolgen. Die weiteren Bolzen können die Last gleichmäßig über die gesamte Fläche der Domkappe verteilt in die CFK-Armierung einleiten und können somit die Spannungsspitzen an den Lasteinleitungspunkten reduzieren. Zu hohe Spannungsspitzen und damit die Gefahr einer Werkstoffschädigung kann verringert bzw. vermieden werden.
In der Ausführung als reine Domkappe zur Lasteinleitung kann die Schale konstruktiv beispielsweise als Fachwerk aus metallischem oder Faserverbundwerkstoff entworfen werden. Insbesondere kann die Domkappe selbst aus einer faserverstärkten Schicht gebildet sein. Bevorzugt ist mindestens eine Schicht der Verstärkungsfasern in der Domkappe in Umfangsrichtung U orientiert. Für den vorliegen Fall sind auch weitere Varianten vorstellbar, die die Lasteinleitung über die Verbindungstifte in das Laminat begünstigen. Zur Übertragung der bei Einleitung von Torsionslast auftretenden Schubspannungen, ist ein drapiertes ±45°-Gelege als Werkstoff für zumindest einer Lage der Domkappe vorteilhaft. Je nach Anforderung, kann die Domkappe mit einer Faserorientierung zwischen den beiden Extremfällen „Umfangsrichtung” und „±45°” ausgelegt werden, bzw. auch mit einem mehrlagigen multiaxialen Aufbau.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines Druckbehälters;
2 eine weitere Querschnittsansicht eines Druckbehälters;
3 eine Querschnittsansicht einer Domkappe 130; und
4 eine perspektivische Ansicht einer Domkappe 130.
Die 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt von einem Druckbehälter mit einem Liner 110 und einer faserverstärkten Schicht 120. Der Liner 110 bildet ein Speichervolumen I für den Brennstoff aus. Am vorderen Ende Pi ist ein Auslass bzw. eine Öffnung O für den gespeicherten Brennstoff vorgesehen. Diese Öffnung O sowie der Port 140 sind nicht als Verbindungsstift 132 anzusehen. Von der Oberfläche 138 (vgl. 4) der Domkappe 130 stehen die Verbindungsstifte 132 ab. Die Verbindungsstifte 132 können am Fuß der Verbindungsstifte 132 eine Auflageverstärkung aufweisen (nicht dargestellt). Die Verbindungsstifte 132 sind hier einstückig mit der Domkappe 130 ausgebildet, die hier teilweise an dem Verbindungsabschnitt 144 vom Port 140 anliegt und teilweise an dem Liner 110 anliegt. Die Domkappe 130 ragt hier in den Mantelbereich M des Druckbehälters bzw. des Liners 110 hinein. Die Domkappe 130 ist hier gänzlich von der faserverstärkten Schicht 120 bedeckt. Lediglich die Verbindungsstifte 132 ragen aus der faserverstärkten Schicht 120 hervor. Der herausragende Teil der Verbindungsstifte 132 dient vorteilhaft zur Kopplung des Druckbehälters an die Fahrzeugkarosserie. Der Port 140 weist einen Neck 142 auf, in dem hier ein weiteres Anschlusselement 170 eingesetzt ist. Benachbart zu den Verbindungsstiften 132 können Bolzen 134 ebenfalls radial beabstandet zum Port angeordnet sein. Werden nun von der Karosserie (nicht gezeigt) Kräfte und Momente auf die Verbindungsstifte 132 übertragen, so werden diese teilweise direkt in die faserverstärkte Schicht eingeleitet. Zumindest teilweise kann der Domkappenabschnitt zwischen den jeweiligen Verbindungsstiften 132 und Bolzen 134 diese Kräfte und Momente auch auf die Bolzen 134 übertragen. Die Bolzen 134 leiten die Kräfte und/oder Momente dann in die faserverstärkte Schicht 120 kraftschlüssig ein. Ferner leitet der Domkappenabschnitt stoffschlüssig einen Teil der Kräfte und Momente in die faserverstärkte Schicht 120 ein. Die von der Karosserie übertragenen Kräfte und Momente werden also teilweise durch die Verbindungsstifte 132 und Bolzen 134 jeweils formschlüssig und durch die Oberfläche des Domkappenabschnittes stoffschlüssig in die faserverstärkte Schicht 120 eingebracht. Die Kräfte und Momente werden somit vergleichsweise flächig in die faserverstärkte Schicht 120 eingebracht. Punktförmige Lasten werden reduziert. Somit lassen sich insgesamt vergleichsweise hohe Kräfte und Momente bei gleichzeitig geringem Druckbehältergewicht übertragen. Ferner ist der hier offenbarte Aufbau vergleichsweise einfach und somit kostengünstig herstellbar. Die Domkappe 130 selbst verstärkt die Polkappe zudem bzgl. Kräfte, die aus dem Behälterinnendruck resultieren. Wird beispielsweise eine Domkappe 130 aus einem faserverstärkten Kunststoff eingesetzt, so können die Fasern im Laminat vorteilhaft in Umfangsrichtung angeordnet sein (vgl. 4). Am zweiten Ende P₂ ist ein Blindboss vorgesehen. Die Domkappe 130' liegt hier überwiegend am Liner 110 an. Ansonsten entspricht die Domkappe 130' im Wesentlichen der Domkappe 130.
Die 2. zeigt eine weitere Ausgestaltung des Druckbehälters. Nachstehend werden nur die Unterschiede im Vergleich zur Ausführungsform gemäß der 1 erläutert. Alle anderen Merkmale sind im Wesentlichen gleich. Der hier gezeigte Druckbehälter weist eine Domkappe 130 auf, in die der Boss bzw. Port 140 mit integriert ist. Die Domkappe 130 umfasst also auch den Kragenabschnitt bzw. Neck-Abschnitt 142, in den das Anschlusselement 170 eingeführt sein kann. Zum zylindrischen Mantelbereich hin endet hier die Domkappe 130 bereits im Übergangsbereich Ü. An der dort vorgesehenen Kante ist eine Abschrägung vorgesehen, so dass der Übergang zur faserverstärkten Schicht möglichst harmonisch ist (wie auch in 1).
In der 3 ist eine Querschnittsansicht einer Domkappe 130 gezeigt, wie sie beispielsweise in dem Druckbehälter der 1 eingesetzt sein kann. Die Verbindungsstifte 132 stehen senkrecht nach außen von der Oberfläche 138 der Domkappe 130 ab. Die Domkappe 130 ist hier aus einem Aluminiumblech geformt. Es können aber ebenso andere Materialien eingesetzt werden. Die Domkappe weist hier eine kreisrunde Grundfläche auf. In der Mitte ist die Öffnung 138 vorgesehen.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Domkappe 130, in der zusätzlich die Umfangsrichtung eingetragen ist.
In den 1 bis 4 ist ein länglicher Druckbehälter gezeigt, der einen zylindrischen Bereich M und entsprechend gewölbten Enden P₁, P₂ aufweist. Es sind aber auch andere Druckbehälterformen denkbar und von der hier offenbarten Technologie mit umfasst. Beispielsweise kann der Druckbehälter eine elliptische Grundform aufweisen. Auch kann der zylindrische Bereich M bauchiger ausgestaltet sein. Dann könnte der Durchmesser im zylindrischen Bereich M variieren. Auch könnte der Druckbehälter nicht rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
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

110: Liner
120: faserverstärkte Schicht
130: Domkappe
132: Verbindungsstifte
134: Bolzen
136: Kappenöffnung
138: Oberfläche
140: Boss/Port
142: Neck
144: Verbindungsabschnitt
170: Anschlusselement
O: Öffnung
A-A: Druckbehälterlängsachse
U: Umfangsrichtung
M: Mantelbereich
P₁, P₂: Ende, Polkappenbereich
Ü: Übergangsbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19935516 A1 [0003]
DE 102010053874 A1 [0003]
DE 102015206825 [0014, 0014]
DE 102015206826 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Richtlinie EN13445 definiert. Typ-III bzw. Typ-IV [0006]

Claims

Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff, umfassend: – einen Liner (110) zur Speicherung von Brennstoff; – eine faserverstärkte Schicht (120), die den Liner (110) zumindest bereichsweise umgibt; und – mindestens eine Domkappe (130, 130'), die ein Ende (P₁, P₂) des Liners (110) zumindest teilweise abdeckt; wobei von der Oberfläche (138) der Domkappe (130, 130') Verbindungsstifte (132, 132') abstehen, wobei die Verbindungsstifte (132, 132') aus der faserverstärkten Schicht (120) vorstehen.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei die Domkappe (130, 130') ferner Bolzen (134, 134') umfasst, die ebenfalls von der Oberfläche (138) der Domkappe (130, 130') abstehen.
Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Domkappe (130, 130') einstückig mit einem Port (140) des Druckbehälters ausgebildet ist.
Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Domkappe (130, 130') mindestens eine Laminatschicht aufweist, wobei Fasern von zumindest einer Lage der Laminatschicht in Umfangsrichtung (U) ausgerichtet sind.
Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Domkappe (130, 130') zumindest bereichsweise an dem Liner (110) und/oder an einem Port (140) direkt oder indirekt anliegt.
Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verbindungsstifte (132, 132') und/oder die Bolzen (134, 134') konzentrisch zur Mittellängsachse (A-A) des Druckbehälters angeordnet sind.
Kraftfahrzeug, umfassend mindestens einen Druckbehälter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verbindungsstifte (132, 132') des Druckbehälters mit Karosserieanbindungselementen des Kraftfahrzeuges derart gekoppelt sind, dass Kräfte und/oder Momente von der Karosserie in den Druckbehälter übertragbar sind.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, wobei an den Enden (P₁, P₂) des mindestens einen Druckbehälters jeweils eine Domkappe (130, 130') vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Liners (110) zur Speicherung von Brennstoff und mindestens einer Domkappe (130, 130'), wobei die Domkappe (130, 130') ein Ende (P₁, P₂) des Liners (110) zumindest teilweise abdeckt; und – Aufbringen einer faserverstärkten Schicht (120) wobei die faserverstärkte Schicht (120) die Domkappe (130, 130') zumindest teilweise bedeckt, und wobei Verbindungsstifte (132, 132') der Domkappe (130, 130') aus der faserverstärkten Schicht (120) vorstehen.