DE69632342T2

DE69632342T2 - Druckbeständiger behälter

Info

Publication number: DE69632342T2
Application number: DE69632342T
Authority: DE
Inventors: Adriaan Beukers; Theo De Jong
Original assignee: Advanced Lightweight Constructions Group BV
Current assignee: Advanced Lightweight Constructions Group BV
Priority date: 1995-11-08
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: DK0879381T3; US6176386B1; JP2000500845A; WO1997017570A1; CA2235012C; ES2223066T3; ATE265651T1; BR9611348A; AU7344096A; CA2235012A1; EP0879381B1; EP0879381A1; DE69632342D1

Description

Druckbeständige Behälter werden für zahlreiche Anwendungen benutzt, etwa als Flüssiggasbehälter für Fahrzeuge. Da Flüssiggas LPG ein interessanter Treibstoff für Antriebe ist, und zwar wegen des geringen Preises und der niedrigen Emission umweltschädlicher Substanzen, hat die Benutzung in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Andererseits ist Flüssiggas ein Stoff, der durch Druck verflüssigt worden ist, mit der Folge, dass die Sicherheitsanforderungen sehr hoch sind. Im Hinblick auf ihre relativ niedrigen Kosten, werden im Allgemeinen Drucktanks aus Stahl für die Speicherung von LPG verwendet, wobei diese Drucktanks im Allgemeinen zylindrisch sind mit torisphärischem Kopf.
Ein deutlicher Nachteil dieser LPG-Behälter ist ihr Gewicht und der Platzbedarf, den sie in einem Fahrzeug beanspruchen. In kleineren (Kompakt) Fahrzeugen machen das Gewicht und speziell der erforderliche Platzbedarf die Verwendung von LPG als Treibstoff ziemlich unattraktiv.
GB-A-1,061,596 beschreibt einen toroidalen Behälter zur Speicherung von Fluiden unter hohen Drücken auf Basis von faserverstärkten Harzen.
GB-A-117,343 beschreibt einen Gasbehälter für motorbetriebene Fahrzeuge, bestehend aus einem ringförmigen Reservoir, das ganz oder teilweise aus verstärktem Naturkautschuk besteht und mit Mitteln versehen ist, um es mit komprimiertem Gas zu füllen und dieses dem Fahrzeugmotor zuzuführen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Druckbehälter zur Verfügung zu stellen, der ein relativ geringes Gewicht hat und der aufgrund seiner Form besser zur Anwendung bei Fahrzeugen geeignet ist. Ein anders Ziel besteht darin, einen Druckkessel zur Verfügung zu stellen, der geeignet ist, von einer Person, beispielsweise auf dem Rücken, getragen zu werden.
Die Erfindung basiert auf der Entwicklung eines radförmigen Behälters, der die Größe eines Ersatzrades hat und der in den für das Ersatzrad vorgesehenen Raum hinein passt.
Die Erfindung ist demgemäß gerichtet auf einen radförmigen druckbeständigen Behälter mit einem im wesentlichen durchgehenden Mantel aus faserverstärktem Elastomer-Harz, mit einer zentralen Öffnung, einer gasdichten, im wesentlichen starren inneren Auskleidung und einem axialen Glied, wobei der im wesentlichen durchgehende Mantel eine im wesentlichen mechanisch ausgeglichene Form aufweist und das axiale Glied in der genannten zentralen Öffnung des Mantels angeordnet und mit den Rändern dieser zentralen Öffnung verbunden ist und dadurch diese zentrale Öffnung verschließt.
Der Mantel besteht aus einem faserverstärkten Harzkörper. Die Fasern sind entlang im wesentlichen geodätischer Linien gewunden und die Form des Behälters ist so ausgelegt, dass die Belastung im wesentlichen überall in den Fasern gleich stark ist (mehr oder weniger isotensorisch). Vorzugsweise wird eine Kombination aus relativ steifer Faserverstärkung mit einem flexiblen Matrixmaterial gewählt mit dem Ergebnis, dass die Auslegung, die Produktion und die Benutzung des Behälters gegenüber Verformungen und Spannungskonzentrationen unempfindlich ist. Abweichungen in geodätischer Hinsicht und/oder der Material-Kontinuität sind in einem gewissen Ausmaß möglich, solange die strukturelle Unversehrtheit gewahrt ist.
Die sogenannte Vernetzung- oder Netzwerk-Theorie („netting"-Theorie) ist für die genannte Auslegung des Behälters verwendet worden. Diese Theorie nimmt an, dass bei Verwendung steifer Fasern in einer nicht-steifen (also elastomeren) Matrix der Einfluss der Matrix vernachlässigt werden kann bei der Berechnung der Kräfte in einem System von Fasern in gewundener Konstrukti on. Diese Theorie gilt, wenn die Steifheit der Matrix vernachlässigbar gering ist verglichen mit der Steifheit der Fasern. Ein theoretischer Bericht über die Entwicklung von Druckkörpern, die auf der „netting"-Theorie beruhen, findet sich in dem Report VTH-166 der Technischen Universität von Delft in den Niederlanden.
Das Herumwinden der im wesentlichen kontinuierlichen Faserverstärkung um einen im wesentlichen rotationssymmetrischen Körper ergibt dann eine Gleichgewichtsform, die nicht-sphärisch ist, vorzugsweise etwa elliptisch ist und die bestimmt wird durch den Form-Parameter q, wie er in dem genannten Report definiert ist. Im Hinblick auf die Anwendbarkeit analytischer Methoden, etwa der „netting"-Theorie bei der vorliegenden Erfindung – gerechtfertigt durch den Steifheitsunterschied zwischen den Fasern und der Matrix – führt die Verwendung kontinuierlicher Fasern für das Umwickeln des Körpers zu der Situation, dass die Spannung in allen Fasern im wesentlichen gleich ist, und zwar über den ganzen Körper gesehen (isotensoid).
Die Form und Größe des Behälters wird durch die folgende Differentialgleichung bestimmt (siehe auch 1)

F Spannkraft in den Fasern
K Axialbelastung an den Polen des Behälters
X,Y dimensionslose Koordinaten-Achsen
x,y Koordinaten-Achsen
a Konstante; beschreibt Beziehung zwischen Innendruck und Faserzahl
k Konstante; beschreibt Beziehung zwischen Innendruck und polarer Belastung
n Anzahl der Fäden bzw. Garne im Querschnitt
p Innendruck
y₀ polarer Öffnungsradius

Ein aufblasbarer Körper etwa vergleichbarer Gestalt ist in der EP-A-626,338 beschrieben. Die wesentlichen Unterschiede zwischen diesem bekannten Körper und der vorliegenden Erfindung bestehen unter anderem darin, dass eine starre Form verlangt wird, vorzugsweise erzeugt durch die Auskleidung und das axiale Glied.
Der erfindungsgemäße Behälter kann auf unterschiedlichen Konstruktionen beruhen, abhängig von den eingesetzten Materialien und den jeweiligen Anforderungen an die Größe, Form und Festigkeit.
Eine wesentliche Forderung besteht darin, dass der Behälter starr ist. Das heißt, dass entweder der Mantel starr ist oder dass die innere Auskleidung starr ist. In diesem Zusammenhang ist der Begriff „starr" so zu verstehen, dass die Form des Behälters im wesentlichen aufrecht erhalten wird, ohne dass es eines Innendruckes bedarf.
Der Mantel, der aus faserverstärktem Harz besteht, kann entweder starr oder flexibel sein. In einer bevorzugte Ausführung wird der Mantel aus einem elastomerischen Harz hergestellt, etwa aus vulkanisiertem oder thermoplastischen Gummi.
Die innere Auskleidung kann ebenfalls starr oder thermoplastisch sein. Falls der Mantel flexibel ist, ist es wesentlich, dass die innere Auskleidung starr ist. Ansonsten kann die Auswahl getroffen werden aufgrund der Konstruktionskriterien und der Gasdurchlässigkeit.
Das axiale Glied kann bei dem erfindungsgemäßen Behälter zwei Funktionen haben. Zum einen kann dieses Glied das notwendige Mittel bilden, um alle Zubehörteile oder Vorrichtungen, die für den Gebrauch des Druckbehälters benötigt werden, zu befestigen. So ist es beispielsweise möglich, all diese Mittel innerhalb des axialen Gliedes unterzubringen oder am oberen Ende desselben. Zum anderen – und dies ist viel wichtiger – liefert das axiale Glied die notwendige axiale Verstärkung des Behälters, indem eine Verbindung zwischen den beiden Oberflächen des Mantels geschaffen wird und so der Behälter verschlossen und die beiden Oberflächen zusammen gezogen werden. Der letztgenannte Effekt ist sehr wichtig für die Form des Behälters. Ohne die genannte Verbindung würde die Form sich zu sehr einem Ballon annähern.
Dieses axiale Glied wird durch ein separates Element gebildet, wie es in den 2a und 4 dargestellt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich das axiale Glied nicht über die Ebenen hinaus, welche die äußerste Oberfläche des Mantels des Druckbehälters definieren. Dadurch wird der Rand der zentralen Öffnung in dem Mantel nach innen gezogen und erzeugt tatsächlich eine radähnliche Form.
Der Behälterkörper hat eine geometrisch kontinuierliche Form und unterliegt im wesentlichen keinen Spannungskonzentrationen mit Ausnahme des Bereiches, wo das axiale Verstärkungsglied die beiden Oberflächen zusammenhält. Die Form des Körpers enthält im wesentlichen keine Diskontinuitäten oder Unstetigkeiten im mathematischen Sinn, abgesehen von der oben diskutierten Ausnahme.
Damit der Behälter Gase oder Flüssigkeiten halten kann, wird eine gasdichte innere Auskleidung verwendet. Diese Auskleidung ist vorzugsweise im wesentlichen starr, so dass sie dem Druckbehälter die gewünschte Form gibt. Das Material der inneren Auskleidung wird ausgewählt in Abhängigkeit zu den gewünschten Anwendungen. Natürlich muss das Material bei der gewählten Dicke gasdicht sein, das heißt, dass die Menge des hindurchgehenden Gases die einschlägigen Bestimmungen und Gesetze nicht verletzen darf. Geeignete Durchlässigkeitswerte liegen bei weniger als 10 ml/h, unabhängig von der Oberflächengröße.
Außerdem muss das Material widerstandsfähig gegenüber chemischen Einflüssen des Gases oder der Flüssigkeit sein. Schließlich muss es den äußeren Kräften widerstehen, die auf den Behälter ausgeübt werden können, etwa Aufprallbelastungen, Durchdringungen, Eindrückungen und dergleichen. Geeignete Werkstoffe für die innere Auskleidung sind insbesondere verschiedene nichtelastomerische Äthylen- und Propylen-Polymere, PVC und Kopolymere, ebenso Metalle wie Stahl oder Aluminium.
Um den Behälter gegenüber fremden Objekten, Beschädigung, Abnutzung, Umwelteinflüssen, Chemikalien, wie Öl, Säure, Laugen, Fetten und dergleichen zu schützen, kann eine äußere Schutzschicht verwendet werden. Vorzugsweise widersteht diese äußere Schutzschicht den mechanischen und thermischen Angriffen mit langer Lebensdauer.
Der erfindungsgemäße Druckbehälter kann verwendet werden als LPG-Behälter für Kraftfahrzeuge wie oben erwähnt, aber ebenso für andere Anwendungen, bei denen Druckbehälter zweckmäßig sind. Beispiele hierfür sind leichtgewichtige, aufprallresistente Druckbehälter, etwa zur Aufnahme gefährlicher Gase oder Flüssigkeiten unter hohem Druck, sowie gasförmiger, geschmolzener oder flüssiger Treibstoffe für die Raumfahrtindustrie. Andere Anwendungen können die Lagerung von Sauerstoff oder Luft für Rettungspersonal sein, Brennstoff für Koch- und andere Geräte, kryogene Lagerung (vorausgesetzt eine geeignete Isolation ist vorhanden, etwa in Form von Schaum zwischen zwei Wänden eines zweiwandigen Behälters), Feuerlösch-Flüssigkeiten oder Gase und so weiter.
Der Behälter kann feuerfest sein, indem die Materialien entsprechend ausgewählt werden oder indem geeignete feuerfeste Additive oder Sperren eingesetzt werden.
Der Druck, dem der Behälter standhalten kann, hängt von dessen Konstruktion ab, insbesondere von der Dichte der Fasern im Mantel. Im Allgemeinen kann der Behälter Drücke aushalten, die nur wenig oberhalb Atmosphärendruck beginnen und bis 100 bar, beispielsweise auch bis 400 bar gehen.
Die Herstellung des faserverstärkten Harzkörpers kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Ein geeignetes Verfahren besteht darin, eine vorimprägnierte Faser um den rotationssymmetrischen Kern (beispielsweise die starre innere Auskleidung) herumzuwickeln, wahlweise gefolgt von einer Imprägnierung der letzten Faserverstärkung mit dem Harz und einer Verfestigung und/oder Vulkanisierung. Es ist aber auch möglich, eine Harzmatrix an dem im wesentlichen rotationssymmetrischen Kern anzubringen, vor dem Umwickeln der Fasern und/oder nach dem Wickeln der Fasern. Nachdem die Faserverstärkung um den Kern herumgewickelt worden ist, wird der Kern entfernt. Dies kann dadurch geschehen, dass ein Kern verwendet wird, der kollabiert – gegebenenfalls in Teilen – oder indem ein temporärer Kern verwendet wird, der aus lose verbundenen Feststoffen besteht, oder indem ein Kern aus gehärtetem Glas verwendet wird, das gebrochen und anschließend entfernt wird oder indem ein aufblasbarer Kern verwendet wird.
Damit im Bereich des inneren Randes des Mantels die gewünschte Form erzeugt wird, weicht die Form der Auskleidung vorzugsweise etwas von der theoretischen Gleichgewichtsform ab. Wie in 3 gezeigt, erstreckt sich die Oberfläche etwas nach außen, derart, dass die Befestigung des axialen Gliedes ermöglicht wird, nachdem der nach außen ragende Teil nach innen umgeklappt worden ist.
Nachdem der Faserverstärkungskörper gewickelt worden ist, kann Gewebe, Geflecht oder dergleichen in einer Harzmatrix eingearbeitet werden. Es ist auch möglich, harzimprägnierte Fasern zu wickeln und daraus die Harzmatrix herzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Mantel so produziert, dass zuerst eine Schicht aus Harzmaterial auf dem Körper aufgebracht wird, vorzugsweise ein Elastomer, dass anschließend eine oder mehrere Lagen aus Fasern (Litzen) um den Körper gewickelt werden, vorzugsweise zwei La gen, und dass schließlich wieder eine Endschicht, eine Widerstandsschicht über die letzte Faserschicht gelegt wird.
Die Matrix kann dann verfestigt werden, beispielsweise durch Vulkanisieren.
Die Faserverstärkung kann aus unterschiedlichen Stoffen hergestellt werden, im Allgemeinen aus natürlichen oder synthetischen organischen oder anorganischen Fasern, wobei die bekannten Aramid-Fasern wie Kevlar (Warenzeichen) und Twaron (Warenzeichen) geeignet sind. Solche Fasern ergeben ausreichende Steifheit gegenüber Zugbeanspruchung und hohe Festigkeit. Andere geeignete Fasern sind all solche mit hoher Zugfestigkeit und/oder Steifigkeit wie Sisal, Kohlefasern, E-, R- und S-Glasfasern und solche Polymerfasern, die geeignet sind für die Umgebung, in der die Behälter benutzt werden, insbesondere hoch molekulare Polyethylenfasern, Polyesterfasern und andere Fasern mit hoher Qualität (technische Kunststoffe).
Das Matrixharzmaterial des Mantels kann elastomerisch oder starr sein. Vorzugsweise wird der Mantel hergestellt mit faserverstärktem Harz aus der Gruppe von Elastomeren, thermoplastischen Elastomeren, in Wärme aushärtenden Kunstharzen und thermoplastischen Kunststoffen und nicht-elastomeren Harzen. Als Elastomer-Matrix kann jedes geeignete Elastomer verwendet werden, wobei vorzugsweise ein hochwertiges Elastomer mit gutem Widerstand gegenüber Umwelt-Zersetzung, also hohem Ozonwiderstand, eingesetzt wird. Geeignete Elastomere sind beispielsweise Isopren, Polyurethan, Styren-Butadien, Butadien-Nitril, EP (D) M, Polybutadien und Silikon-Elastomer, die gegebenenfalls nach dem Formen des Körpers vulkanisiert werden können. Ein besonders geeignetes Elastomer, insbesondere zur Anwendung bei einem LPG-Behälter ist Chloropren-Gummi.
Die Erfindung wird auf der Basis der folgenden Figuren weiter erläutert, ohne hierauf beschränkt zu sein.
In 1 werden die prinzipiellen Faktoren zur Auslegung des Behälters zusammen mit einer schematischen Zeichnung mit einigen der gegebenen Variablen angegeben. In 2a bis c wird die grundsätzliche Herstellung des Mantels des Behälters gezeigt. 3 gibt die X-Y-Beziehung in der gewickelten (im Gleichgewicht stehenden) Form und die endgültige Form nach Einsetzen des axialen Gliedes wieder.
4 zeigt die Konstruktion eines Teiles des zusammengebauten Behälters mit separatem axialen Glied. Die Endplatte 1, die mit einem Ventil 2 versehen ist, wird durch nicht näher dargestellte Maßnahmen mit dem axialen Verstärkungsglied 3 verbunden und mit dem Endring 4. Dabei wird eine zylindrische Umhüllung innerhalb des zentralen Teiles des Mantels gebildet, dessen Ränder zwischen der Endplatte 1 und dem Endring 4 an Ort und Stelle gehalten werden.

Claims

Radförmiger, druckbeständiger Behälter von im Wesentlichen starrer Form für gasförmiges, flüssiges oder verflüssigtes Material, der Behälter einen im Wesentlichen durchgehenden Mantel aus faserverstärktem Harz mit einer zentralen Öffnung, einer inneren Auskleidung und einem axialen Glied (3) umfassend, wobei der im Wesentlichen durchgehende Mantel im Wesentlichen eine mechanische Gleichgewichtsform besitzt und das axiale Glied (3) sich in der zentralen Öffnung des Mantels befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Glied (3) ein axiales Verstärkungsglied (3) ist, das an den Rädern der zentralen Öffnung befestigt ist und dadurch diese zentrale Öffnung verschliesst.
Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er einen im Wesentlichen durchgehenden Mantel aus einem biegsamen, faserverstärktem Elastomerharz sowie eine gasdichte, im Wesentlichen starre innere Auskleidung umfasst.
Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Glied (3) so am Mantel befestigt ist, dass die Oberflächen des Mantels zueinander gezogen werden.
Behälter nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Glied (3) ein inneres Glied sowie zwei Endplatten (1) umfasst, wobei diese Endplatten den Mantel am inneren Glied (1) befestigen.
Behälter nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Glied (3) mit Mitteln zur Füllung des Behälters mit dem unter Druck stehenden Material, Mitteln zur Entnahme dieses Materials aus dem Behälter und/oder Mitteln zur Bestimmung des Druckes und/oder des Füllgrades des Behälters versehen ist.
Behälter nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel aus einem faserverstärkten Harz gefertigt ist, das aus der Gruppe von elastomeren, thermoplastischen elastomeren, hitzehärtbaren und thermoplastischen, nicht elastomeren Harzen und bevorzugt Chloroprenharz ausgewählt ist.
Behälter nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverstärkung des Mantels aus der Gruppe organischer und anorganischer Fasern ausgewählt ist, insbesondere unter Polyamidfasern, Kohlenstofffasern, Polyolefinfasern und bevorzugt Aramid.
Behälter nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchmessers der zentralen Öffnung zum Außendurchmesser des Behälters im Bereich von 0,1 bis 1 liegt.
Verwendung des Behälters nach Ansprüchen 1 bis 8 als LPG-Behälter für Kraftfahrzeugzwecke.