DE69211069T2

DE69211069T2 - Druckgasbehälter

Info

Publication number: DE69211069T2
Application number: DE69211069T
Authority: DE
Inventors: Colin Ivan Adderley; Simon Andrew Banks; James Edward Boardman; John Owen Fowler
Original assignee: Rolls Royce PLC; Rolls Royce and Associates Ltd
Current assignee: Rolls Royce PLC; Rolls Royce Submarines Ltd
Priority date: 1991-07-29
Filing date: 1992-07-20
Publication date: 1996-10-02
Anticipated expiration: 2012-07-21
Also published as: EP0527564B1; DE69211069D1; US5323953A; EP0527564A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Druckgasbehälter und auf Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckbehälters Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf Brennstoffgas-Vorratsbehälter.
Bei verschiedenen Bauarten von Antriebseinheiten, beispielsweise Brennkraftmaschinen, Gasturbinen und Brennstoffzellen, werden als Brennstoff verbrennbare Gase benutzt. Wenn gespeicherte Gase als Brennstoff auf diese Weise benutzt werden, dann werden sie gewöhnlich unter Druck gespeichert, damit die so gespeicherte Gasmenge ausreicht, um die Antriebseinheit für eine angemessene Zeitdauer zu speisen.
Gewöhnlich wird das Gas in sphärischen oder zylindrischen Behältern gespeichert, weil diese den Innendrücken in günstiger Weise widerstehen können. Das Ausmaß der Druckbeaufschlagung solcher Behälter, die notwendig ist, um eine gegebene Gasmenge, gemessen unter Standarddruck und -Temperatur, zu speichern, kann vermindert werden, indem das Innere der Behälter mit einem Absorptionsmittel, beispielsweise Aktivkohle, angefüllt wird. Dabei ist ein hochporäses Medium erforderlich, das eine sehr große Innenoberfläche aufweist und die Gasmoleküle an seinen Oberflächen auf saugt. Wenn der Raum jedoch beschränkt ist, wie dies bei Fahrzeugen der verschiedensten Art, z.B. bei Landfahrzeugen, bei unter der Erde verkehrenden Fahrzeugen, bei Luftfahrzeugen oder Raumtransportern der Fall ist, können sich sphärische oder zylindrische Druckgasbehälter oft als unzweckmäßig und ungeeignet zur Ausnutzung des verfügbaren Raumes erweisen. Außerdem sind derartige Druckbehälter nicht in idealer Weise gestaltet, um auf einfache Weise mit Blöcken aus Absorptionsmedien bepackt zu werden. Derartige Blöcke werden jedoch gegenüber granulierten oder pulverisierten Medien vorgezogen, weil die Granulate und Pulver die Tendenz haben, als Abrieb mit dem Gas aus dem Behälter abzuströmen, wodurch Filter in den Gastransportleitungen blockiert werden.
Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um Druckgasbehälter zu erzeugen, die eine zweckmäßigere Gestalt haben und eine bessere Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Raumes gewährleisten. Beispielsweise wurden Blöcke aus Metall mit ausgebohrten Reihen zylindrischer Löcher vorgesehen, die an eine gemeinsame Gasleitung angeschlossen sind. Felder von im Durchmesser klein bemessenen Rohren wurden ebenfalls in ähnlicher Weise benutzt. Diese Versuche wurden vorgesehen, um Vorratsbehälter zu konstruieren, die sich besser dem verfügbaren Raum oder der Gestalt des Fahrzeuges anpassen lassen, aber beide Arten der Konstruktion nutzen ihr inneres Volumen nur in unzweckmäßiger Weise aus, und sie sind in der Herstellung teuer. Außerdem sind flache oder in der Form anpaßbar gestaltete Gasspeichertanks hergestellt worden, die eine geschweißte, gesteppte Konstruktionsform aufwiesen, aber die Herstellungskosten sind hoch, und diese Technik ist wiederum nicht in der Lage, das verfügbare Innenvolumendes Behälters maximal auszunutzen.
Auf dem Gebiet des Flugzeugbaus sind Strukturen bekannt, die eine Diffusionsbindung und eine superplastische Verformung ausnutzen, um einen Stapel geeigneter Metallbleche in einen hochfesten, strukturell integralen Schichtenaufbau umzuformen, wobei ein ausgedehnter Zellkern oder ein aus Kammern bestehender Kern mit Queraussteifungen des äußeren Mantels des Schichtenkörpers versehen war, um dem Behälter einen hohen Deformationswiderstand zu verleihen. Es hat sich gezeigt, daß die vorgesehenen Vorkehrungen während des Herstellungsprozesses einen hohen Reinheitsgrad in den Blechoberflächen bewirken und aufrechterhalten, wenn diese Bleche verbunden und geformt werden, wobei das Verfahren einen Aufbau mit einer sehr hohen Festigkeit und Integrität erzeugt.
Typische Diffusionsverbindungstechniken und superplastische Verformungstechniken, die zur Erzeugung ausgedehnter metallischer Sandwichaufbauten beim Flugzeugbau nützlich sind, ergeben sich aus der US-A-3 927 817, und dies ist eines von zahlreichen Patenten, die auf diesem Gebiet erteilt wurden, und außerdem wird Bezug genommen auf Seite 87 bis 89 der September-Ausgabe 1981 von 'Machine Moderne'.
Infolge der Vielseitigkeit dieser speziellen Verbindungsund Formungstechnologie können leicht Aufbauten in verschiedener Form hergestellt werden, beispielsweise flache Aufbauten, Aufbauten, die sich der Gestalt eines Fahrzeugkörpers anpassen oder Aufbauten, die einen Teil des Aufbaus des Fahrzeugs selbst bilden.
Als Beispiel eines solchen Standes der Technik wird auf die US-A- 4 916 027 Bezug genommen. Diese beschreibt ein hochfestes Isoliergehäuse für einen Raketenbrennstofftank und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Tanks. Das Brennstofftankgehäuse besitzt einen ausgedehnten Zellkernaufbau, der eine Starrheit mit leichtem Gewicht kombiniert, und dieser Aufbau wird durch ein Diffusionsverbindungsverfahren und ein superplastisches Herstellungsverfahren erzeugt. Die Innenkammern des Gehäuses können evakuiert werden, um die Isolation des Brennstoffs zu verbessern.
Ein weiteres Feld, wo die Diffusionsverbindung und die Technologie der superplastischen Verformung für einen Sandwichaufbau angewandt wurden, ist das Gebiet der Wärmeaustauscher, bei denen ausgedehnte Kernkammern als Wärmetauscherkanäle mit einem Wärmetauschermedium benutzt werden, das hindurchströmt. Ein Beispiel dieser Anordnungen zeigt die EP-A-0 414 435, auf welche bezüglich von Einzelheiten der verschiedenen Kernausbildungen und Herstellungsarten Bezug genommen wird.
Ein weiterer relevanter Stand der Technik ist die GB-A- 1 378 421 (am nächsten kommender Stand der Technik), die eine superplastische Verformung und eine Diffusionsverbindung von Metallscheiben beschreibt, um ein sphärisches Druckgefäß zu erzeugen. Der Umfang von zwei Metallscheiben wird verschweißt oder durch Diffusionsverbindung zusammengebracht, und dann wird das Innere der Scheiben bei superplastischen Formtemperaturen unter Druck gesetzt, um eine superplastische Ausdehnung der Scheiben in Kugelform zu gewährleisten. Die Form des Druckbehälters kann durch superplastische Expansion in einer Form bewirkt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckgasbehälter zu schaffen, der die oben erwähnten Probleme bei Druckgasbehältern löst, wobei eine Diffusionsverbindung und eine superplastische Formgebung benutzt wird, wie dies vorstehend erwähnt wurde.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, den Innenaufbau eines Druckgasbehälters so zu gestalten, daß eine einfache Anpassung an vorfabrizierte Blöcke aus Absorptionsmaterial möglich ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen leichtgewichtigen Druckgasbehälter zu schaffen, dessen Festigkeit ausreicht, um erforderlichenfalls als Teil eines Fahrzeugaufbaus benutzt werden zu können.
Die vorliegende Erfindung schafft einen Druckgasbehälter, der einen mehrschichtigen Metallblechaufbau besitzt und wenigstens eine superplastisch ausgedehnte Metallblechkernschicht aufweist (die anderen Schichten können einer superplastischen Verformung unterworfen sein oder auch nicht), wobei der Aufbau ein vorbestimmtes Muster von Diffusionsverbindungen im festen Zustand zwischen benachbarten Metallblechschichten aufweist und wenigstens eine expandierte Kernschicht mehrere Kammern innerhalb des Behälters definiert, um das komprimierte Gas aufzunehmen, und es ist im Inneren der Aufbau ausgesteift, damit der Behälter dem Innendruck standhalten kann, wobei der Behälter Einlaß/Auslaß-Strömungseinrichtungen in Strömungsverbindung mit den Kammern aufweist, um eine Beschickung und Entnahme des Behälters mit Druckgas zu ermöglichen, und wobei die Kernkammern derartiger Behälter ein Gasabsorptionsmaterial, beispielsweise Aktivkohle, enthalten und der Behälter ein Verschlußorgan aufweist, das dichtend auf ein Ende des Behälters aufgesetzt ist. Das Absorptionsmaterial ist vorzugsweise in Blöcken vorgesehen, die sich der Querschnittsgestalt der Kammern anpassen und eine geeignete Ausbildung der expandierten Kernschichten bewirken.
Auf diese Weise schafft die Erfindung einen hochfesten Gasbehälter, der relativ billig und einfach aus einem integral geformten Metallblech-Sandwich-Aufbau hergestellt werden kann.
Wenn der Aufbau gemäß der Erfindung als Druckgasbehälter benutzt wird, kann der Aufbau das Innenvolumen in günstiger Weise ausnutzen, um das Gas bei mittleren bis hohen Drücken zu speichern. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß die Erfindung die Möglichkeit schafft, Behälter zu erzeugen, die dünne, abgeflachte Abschnitte besitzen oder die zweidimensionale oder dreidimensionale Krümmungen besitzen, wobei das Verhältnis der Diffusionsverbindungsfläche zur Gesamtoberfläche der verbundenen Oberflächen kleiner als 1:7 ist, jedoch sind derartige Behälter immer noch fest genug, um Drücke von 40 bis 200 Bar oder mehr auszuhalten.
Obgleich der Ausdruck 'Gas' in der vorliegenden Beschreibung extensiv als Bezeichnung für Brennstoff oder eine andere unter Druck zu speichernde Substanz benutzt wird, ist es klar, daß hierunter auch Flüssigkeiten oder Mehrphasenstoffe fallen und Gase, die sich bei Abkühlung, oder wenn sie über den normalen sphärischen Druck komprimiert werden, verflüssigen.
Vorzugsweise umfassen die vorbestimmten Muster der Festkörperdiffusionsverbindungen zwischen benachbarten Metallblechschichten einen Umfangsrandbereich, in dem sämtliche Metallblechschichten miteinander durch Diffusionsverschweißung verbunden sind, um einen festen Flansch zu schaffen, der sich um den Behälter herum erstreckt. Der Strömungseingang bzw. der Strömungsausgang kann Kanäle umfassen, die durch den festen Flansch hindurchverlaufen.
Benachbarte Kammern in der wenigstens einen expandierten Kernschicht besitzen gewöhnlich Verbindungsmittel, um einen freien Gasdurchtritt dazwischen zu gewährleisten.
Die superplastisch expandierte Kernschicht kann unterschiedliche Ausbildungen besitzen, wie diese durch das Muster der Diffusionsverbindung zwischen den Metallblechschichten bestimmt wird.
Eine vorteilhafte Ausbildung für den Aufbau des Behälters, insbesondere wenn Blöcke mit absorbierendem Material eingefügt werden, ist eine Ausbildung gemäß dem 'Warren-Girder-Typ'. Hier umfaßt die wenigstens eine expandierte Kernschicht lineare Wellungen, deren Extremitäten durch Diffusionsverschweißung mit benachbarten Metallblechschichten verbunden sind, wobei die Seiten der Wellungen regulär beabstandete Stege bilden, die sich zwischen benachbarten Metallblechschichten unter vorbestimmten Winkeln hierzu erstrecken. Benachbarte Stege definieren lange Kammern dazwischen, um das Gas aufzunehmen. Die Stege sollten natürlich gelocht sein, um einen freien Gasdurchtritt zwischen benachbarten Kammern zu ermöglichen, wenn es nicht erwünscht ist, verschiedene Gase zu speichern oder Gase mit verschiedenen Drücken in unterschiedlichen Kammern aufzunehmen.
Es können wenigstens zwei superplastisch expandierte Kernschichten vorgesehen werden, die wenigstens zwei Kammerreihen über wenigstens einen Teil der Ausdehnung des Behälters definieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung für die wenigstens eine expandierte Kernschicht im Hinblick auf eine gegebene Starrheit des Behälters und der Fähigkeit, inneren Drücken zu widerstehen, umfaßt regelmäßig beabstandete Vorsprünge, die von beiden Seiten verlaufen, jedoch eignet sich diese Ausbildung nicht zum Einsatz von Blöcken aus Absorptionsmaterial. Die vorsprünge haben einen hohlen Querschnitt, normal zu ihrer Erstreckung, und ihre Enden sind durch Diffusionsverschweißung an den benachbarten Metallblechschichten angeheftet, um auf beiden Seiten der Kernschicht Kammern zu definieren.
Jede der vorstehend erwähnten Abwandlungen kann so gestaltet sein, daß zwei superplastisch expandierende Kernschichten durch eine weitere Metallblechschicht dazwischen getrennt sind.
Ein speziell zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel der Erfindung benutzt eine Veränderung des Warren-Girder-Typs des expandierten Kernaufbaus. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfaßt der Behälter zwei superplastisch expandierte Kernschichten und zwei weitere Schichten, welche die Außenwände des Behälters bilden, wobei die zwei mittleren Metallblechschichten durch Diffusionsverschweißung miteinander in einem vorbestimmten linearen Schweißmuster verschweißt sind, und jede der expandierten Kernschichten ist außerdem mit einer benachbarten Außenwand des Behälters mit einem vorbestimmten linearen Schweißmuster verschweißt, wodurch der Behälter einen inneren Kammeraufbau mit einer Querverstärkung erhält, welche doppelte und einfache Reihen in Längsrichtung verlaufender linearer Kammern aufweist, wobei die doppelten und die einfachen Reihen miteinander in Spannrichtung über den expandierten Kernaufbau abwechseln, wobei die Doppelreihen Kammern mit trapezförmigem Querschnitt aufweisen und die Einzelreihen Kammern mit einem hexagonalen Querschnitt besitzen.
Ein Behälter gemäß der Erfindung kann wenigstens zwei Gruppen von Kammern umfassen. Die Kammern innerhalb jeder Gruppe sind innerhalb des Behälters verbunden, um einen gegenseitigen Gasaustausch zu ermöglichen, aber es besteht keine derartige Verbindung zwischen den verschiedenen Gruppen und jede Gruppe von Kammern ist an unterschiedliche Einlaß/Auslaß-Vorrichtungen angeschlossen. Eine solche Ausbildung findet insbesondere Anwendung in solchen Fällen, wo zwei oder mehrere unterschiedliche Gase gespeichert werden müssen, oder wo einund dasselbe Gas unter zwei oder mehreren unterschiedlichen Drücken gespeichert werden muß.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Herstellungsverfahren für einen Druckgasbehälter. Dieses Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Es wird durch Diffusionsverschweißung ein Schichtenkörper aus wenigstens drei Metallblechschichten hergestellt, wobei die Verschweißung an den Zwischenflächen an vorbestimmten Stellen in einem vorbestimmten Muster erfolgt; es wird dann durch superplastische Verformung mittels Aufblasen der Innenaufbau des Behälters hergestellt, der durch die vorbestimmten Muster von Diffusionsverschweißungen zwischen den Schichten bestimmt wird, um einen superplastisch expandierten Kernaufbau des Behälters zu schaffen, der das Gas enthält; es wird ein Endabschnitt des Behälters entfernt, wodurch der expandierte Kernaufbau freigelegt wird; es wird ein gasabsorbierendes Material in den expandierten Kernaufbau eingeführt und es wird das offene Ende des Behälters dadurch verschlossen, daß ein Verschlußdeckel aufgesetzt wird. Der Verschlußdeckel kann aus dem vorher entfernten Endabschnitt des Behälters bestehen und er kann verschweißt oder auf andere Weise aufgesetzt werden. Diese Verschweißung kann durch einen aktivierten Diffusionsverschweißungsprozeß (Übergangsflüssigkeitsphase) durchgeführt werden, wenn eine Diffusionsverschweißung im festen Zustand nicht benutzt werden kann.
Der Verschlußdeckel kann mit einem oder mehreren geeignet bemessenen Löchern versehen werden (in die Rohre eingeschweißt werden können), um den Behälter zu beschicken oder zu entleeren.
Vorzugsweise liegt das das Gas absorbierende Material in Form von Blöcken vor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines flachen Gasspeicherbehälters mit einer Innenaussteifung, welche gemäß der Erfindung ausgebildet ist;
Fig. 2A bis 2E veranschaulichen im Querschnitt verschiedene Verfahrensschritte zweier Typen von Gasspeicherbehältern gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 schildert in Querschnittsansichten die Herstellung eines zweidimensional gekrümmten Gasspeicherbehälters mit einer innen ausgesteiften Konstruktion ähnlich jener gemäß Fig. 1;
Fig. 4 ist eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines flachen, rechteckigen Gasbehälters im Ausgangsstadium;
Fig. 5 ist eine der Fig. 4 entsprechende perspektivische Ansicht, die weitere Schritte des Herstellungsverfahrens eines flachen, rechteckigen Gasbehälters erkennen läßt, der mit Blöcken aus Gasabsorptionsmaterial angefüllt wird;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren flachen Gasspeicherbehälters, der gegenüber den vorherigen Abbildungen abgeänderte Aussteifungen aufweist, wobei seine Anpassung veranschaulicht ist, um mit Blöcken aus Gasabsorptionsmaterial gefüllt zu werden;
Fig. 7A bis 7D veranschaulichen Herstellungsschritte eines Behälters, der jenem gemäß Fig. 6 entspricht.
Fig. 1 zeigt einen mehrschichtigen Metallblechaufbau in Form eines Gasspeicherbehälters oder -tanks 101, der aus einer Außenhaut 103, 105 auf beiden Seiten und einem Warren-Girder-Typ einer Queraussteifung 107 besteht, die den Behälter in die Lage versetzt, hohen Innendrücken standzuhalten, ohne daß es erforderlich wäre, übermäßig dicke äußere Wände vorzusehen. Hinsichtlich seiner Wirkung ist der Behälter ein Dreilagenschichtenkörper, bei dem die mittlere Schicht oder die Kernschicht 107 superplastisch ausgedehnt ist, nachdem sie selektiv im festen Zustand durch Diffusionsverschweißung mit den benachbarten äußeren Blechen verbunden ist, während der Behälter sich noch im flachen Zustand befindet, wodurch ein gewelltes Blech mit linearen Wellungen entsteht. Die Bereiche der Diffusionsverschweißung zwischen den Blechen, wenn diese noch flach aufeinanderliegen, werden so gewählt, daß im expandierten Zustand die flachen Extremwerte der Wellungen über eine Diffusionsverschweißung mit den Außenblechen 103, 105 bei 109, 111 usw. verbunden sind, während die Seiten der Wellungen regulär beabstandete geneigte Stege 113, 115 usw. bilden. Diese Stege sind unter definierten Winkeln A und B relativ zu der Normalen N durch die Außenhaut definiert. Benachbarte Stege 113, 115 usw. definieren zwischen sich lange Kammern 117, 119 usw. Diese Stege besitzen Löcher 121, 123 usw., um einen freien Gasdurchtritt zwischen benachbarten Kammern 117, 119 usw. zu ermöglichen. Die Ränder 125, 127 des Behälters besitzen keinen Innenaufbau (außer für Gaseinlaß- und Gasauslaßöffnungen oder Rohre, wie dies später erwähnt wird), und die drei Schichten sind durch Diffusionsverbindung im festen Zustand miteinander verschweißt, um einen massiven Metallflansch um den Umfang des fertigen Behälters herum zu erhalten. Dieser Flansch, oder der größte Teil hiervon, kann erforderlichenfalls abgeschnitten werden, aber es erscheint zweckmäßiger, diesen Flansch als zweckmäßiges Mittel zu erhalten, mit dem der Behälter an einem Tragaufbau, beispielsweise durch Bolzen, festgelegt werden kann, das durch den Flansch hindurch in einen solchen Aufbau eingefügt wird.
In bezug auf die Herstellungsverfahren, die oben erwähnt wurden, stellen die superplastische Verformung und die Diffusionsbonderung im festen Zustand bekannte metallurgische Phänomene dar.
Die Superplastizität ist ein Deformationsphänomen, welches bei gewissen Metallen die Möglichkeit schafft, sie bei geeignet erhöhten Temperaturen um große Beträge zu strecken, ohne eine Zuginstabilität oder Querschnittsverringerungen einzuleiten. Dies schafft die Möglichkeit der Erzeugung großvolumiger Fraktionen von Hohlräumen in einem Gasspeicherbehälter, wobei die Ausbildung guter mechanischer Eigenschaften ermöglicht wird und bei geringem Gewicht das Material in zweckmäßiger Weise ausgenutzt wird.
Die Diffusionsverschweißung im festen Zustand (solid state diffusion bonding) ist ein metallisches Interfacephänomen, bei welchem saubere Metalloberflächen bei geeignet erhöhten Temperaturen gegen eine Oberflächenverschmutzung durch Vorsehen einer geeigneten Verbindungsflächenumgebung geschützt werden und ein genügend hoher Druck auf die Paßflächen ausgeübt wird, wobei eine Diffusion von Metallatomen im festen Zustand über die Grenzschicht in einem solchen Ausmaß stattfindet, daß anschließend keine Zwischenfläche mehr feststellbar ist. Während dieser Diffusionsverschweißung findet keine makroskopische Deformation statt, und deshalb bleibt eine Formstabilität und eine Größenstabilität während des Verschweißungsvorganges erhalten. Außerdem hat die erzeugte Verbindung die Eigenschaften des Grundmetalls ohne eine durch Hitze beeinträchtigte Zone und ohne Verunreinigung durch Materialien, wie Fluß- oder Verbindungsmittel. Die Benutzung eines derartigen Diffusionsverschweißungsverfahrens bei einem Gasspeicherbehälter vermindert daher die Gefahr eines chemischen Zusammenwirkens mit dem gespeicherten Gas. Die Tatsache, daß die Diffusionsverschweißung im festen Zustand die gleiche Festigkeit wie das Grundmetall auf beiden Seiten der Schweißnaht besitzt, führt zu einer sehr hohen Festigkeit und einem hohen Widerstand gegenüber Innendrücken bei Aufbauten, die gemäß der Erfindung hergestellt sind.
Bei gegebenen konsistenten Materialeigenschaften und geeigneten superplastischen Verformungsbedingungen besteht ein Vorteil des oben erwähnten Produktionsverfahrens darin, daß gewährleistet wird, daß der innere Warren-Girder-Aufbau 107 (oder ein anderer derartiger Versteifungsaufbau, der gewählt werden kann, um die beiden äußeren Mäntel 103 und 105 miteinander zu verbinden) exakt und in vorbestimmter Weise in den gewählten Dimensionen geformt werden kann. Infolgedessen können vorgeformte Blöcke aus Gasabsorptionsmaterial, beispielsweise von Aktivkohle, leicht in die Innenkammern des Behälters 101 zwischen benachbarte Stege 113, 115 usw. eingeführt werden, um die Kammern vollständig auszufüllen und dadurch die Gaskapazität zu vergrößern. Weil außerdem eine enge Anpassung zwischen den Blöcken und den Kammern erreicht wird, kann ein Klappern und eine mögliche Beschädigung der Blöcke infolge von Stößen und Vibrationen vermindert werden.
Eine Diffusionsverschweißung im festen Zustand und ein Verfahren der superplastischen Verformung zur Herstellung eines Behälters gemäß Fig. 1 wird nunmehr in vereinfachter Weise unter Bezugnahme auf Fig. 2A bis 2C beschrieben. Im Hinblick auf weitere Einzelheiten des Herstellungsverfahrens wird auf die älteren Patentanmeldungen EP-A-0 414 435 und EF-A- 460 872 verwiesen, die sich auf Wärmeaustauscher beziehen.
In Fig. 2A sind drei superplastisch verformbare Metallbleche 201, 202, 203 dargestellt. Diese drei Bleche bilden die drei Schichten des fertigen Behälters, und sie werden zum Zwecke der Diffusionsverschweißung aufeinander gestapelt. Das mittlere oder das Kernblech 202 des Stapels ist in Kantenansicht dargestellt, aber die beiden äußeren Bleche 201, 203 zeigen Grundrißansichten ihrer jeweiligen Verbindungsflächen 205, 207, die beim Aufeinanderfügen der Bleche zu einem Stapel dem Kernblech 202 zugewandt sind. Die Bleche 201, 202, 203 werden beispielsweise aus einer geeigneten Titanlegierung hergestellt, obgleich auch andere superplastisch verformbare Legierungen, wie rostfreier Stahl oder Aluminiumlegierungen benutzt werden können, wenn billigere Materialien zu bevorzugen sind. Die Bleche besitzen etwa die Grundgestalt und ein bestimmtes Oberflächenfinish, und sie sind mit einem hohen Standard gereinigt. Ein Schweißhemmer oder ein sogenanntes Sperrmaterial wird dann über vorbestimmte Flächen 217, 219, die schattiert dargestellt sind, auf den Verbindungsflächen 205, 207 der zwei Außenbleche 201, 203 aufgebracht. Die Ablagerungen bestimmen die endgültige Innengestalt des fertigen Gasspeicherbehälters, so daß nach der Aufblasformung unter superplastischen Bedingungen die Trennflächen 217, 219 lange gerade Kammern 229 (Fig. 2c) innerhalb des Behälters erzeugen, und diese sind ähnlich den Kammern 117, 119 usw. im Behälteraufbau 101 gemäß Fig. 1.
Die Randbereiche E der Bleche 201, 203 tragen dort, wo es nicht erwünscht ist, einen Innenaufbau zu erzeugen, kein Schweißtrennmittel.
Die Mitte des Kerns 202 ist mit einer Anzahl von nicht dargestellten Löchern über die Dicke versehen, die die Streifen des Trennmaterials 217, 219 verbinden. Diese sind so angeordnet, daß nach Vollendung der Diffusionsverschweißung und superplastischen Verformung Löcher 227 gebildet werden, die die Innenkammern des Behälters verbinden, ähnlich wie die Löcher 121, 123 in Fig. 1. Diese Löcher gewährleisten eine Gasdurchlässigkeit des gesamten nicht-expandierten inneren Aufbaus des Blechstapels. Im fertigen Behälter ermöglichen sie einen freien Gasdurchtritt zwischen benachbarten Kammern.
Obgleich die innere Geometrie des Behälters wirksam durch die Anwendung des Trennmittels fixiert ist, ermöglicht der Ablagerungsprozeß, d.h. ein Seitenschirmdruck, eine beträchtliche Flexibilität der Ausbildung, um sowohl mechanische Erfordernisse als auch Erfordernisse der Innengestalt der Kammern zu erfüllen.
Dann werden die Bleche 201, 202, 203 gestapelt und über ihre Ränder miteinander verschweißt, und es erfolgt eine Diffusionsverschweißung im festen Zustand in der Weise, wie dies in der oben erwähnten älteren Patentanmeldung beschrieben ist, und dies führt zu einem aus drei Metallblechen bestehenden verbundenen Stapel 221, der in einer geschlossenen Form 223 angeordnet wird, die schematisch im Querschnitt in Fig. 2B dargestellt ist. Eine superplastische Verformung des verschweißten Blechstapels 221 in die endgültige Gestalt des Speicherbehälters wird nunmehr vorgenommen, und zwar vollständig mit dem Innenaufbau, wie dies schematisch in Fig. 2C dargestellt ist. Der verschweißte Stapel 221 und die Form 223 werden dann auf eine superplastische Verformungstemperatur erhitzt, und der Innenaufbau des Stapels, der durch das Muster des Schweißtrennmittels 217, 219 definiert wird, wird mit einem inerten Gas unter hohem Druck aufgeblasen, um den Stapel zu entfalten, wie dies im einzelnen in unseren früheren Patentanmeldungen beschrieben ist, so daß die äußeren Schichten 201, 203 sich gegen die Form legen und ihre Gestalt annehmen. Wenn die äußere Schicht 201 sich superplastisch in den Formhohlraum ausdehnt, wird die mittlere Schicht oder die Kernschicht 202, mit der eine Diffusionsverbindung besteht, mitgezogen. Die superplastische Deformation der Kernschicht 202 trägt demgemäß dazu bei, einen inneren Hohlraum zu schaffen, der durch die gestreckten Abschnitte 228 der Kernschicht 202 unterteilt ist. Hierdurch werden Kammern 229 zur Gasspeicherung gebildet. Die Randbereiche E des Stapels 221 bleiben vollständig verbunden, und daher bleiben sie flach und unausgedehnt.
Aus Herstellungsgründen ist es zweckmäßig, sämtliche Bleche 201, 202, 203 aus superplastisch verformbaren Legierungen herzustellen, obgleich bei dem Verfahren gemäß Fig. 2A bis 2C nur die Bleche 201 und 202 während der Herstellung des Elementes tatsächlich superplastisch verformt werden.
Nachdem der superplastische Formvorgang vollendet ist, kann der so erzeugte Gegenstand, falls erforderlich, entlang seiner Ränder, z.B. längs der strichlierten Linie gemäß Fig. 2A, abgetrennt werden. Der superplastische Verformungsvorgang und die Diffusionsverschweißung, wie oben erläutert, führen zur Erzeugung einer sehr genau gestalteten äußeren Oberfläche für die Bleche 201, 203, so daß der Behälter gut benachbarten Oberflächen angepaßt werden kann, gegen die er passen muß.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, Behälter zu erzeugen, die aus mehr als drei Metallblechschichten bestehen. Insbesondere können Behälter mit zwei oder mehreren Gruppen von Kernkammern hergestellt werden, die aus zwei oder mehreren expandierten Kernschichten gebildet sind und ähnliche oder unterschiedliche Konfigurationen aufweisen können.
Um die Ausdehnung der obigen Prinzipien auf die Erzeugung eines Behälters zu veranschaulichen, der einen Kernaufbau mit mehr als einer Reihe von Kernkammern besitzt, zeigen die Fig. 2D und 2E die gleichen Herstellungsstufen wie die Fig. 2B und 2C, aber für einen Behälter, der zwei Reihen von Kammern besitzt und nicht nur eine einzige Reihe. Fig. 2D zeigt einen durch Diffusionsverschweißung hergestellten Stapel von fünf Metallblechschichten, die zwischen superplastischen Formgesenken 237, 239 angeordnet sind. Vier Trennstreifenmuster 241 bis 244 bilden den nicht ausgedehnten inneren Aufbau des Behälters und definieren das Muster der Diffusionsverschweissungen über die Innenflächen zwischen den Metallblechschichten. Nach superplastischer Verformung weist der Behälter zwei superplastisch expandierte äußere Metallblechschichten 231, 235 auf und zwei superplastisch ausgedehnte Kernschichten 232, 234, die durch eine weitere ebene Schicht 233 dazwischen voneinander getrennt sind. Diese Mittelschicht 233 wurde keiner superplastischen Deformation unterworfen.
Es ist klar, daß die Behälter so hergestellt werden könnten, daß sie mehr als zwei superplastisch ausgedehnte Kernschichten besitzen und mehr als zwei Reihen von Kernkammern, falls dies erforderlich sein sollte.
Die Kammern in jeder Reihe können durch Löcher in den Stegen 234 miteinander verbunden sein, damit ein freier Gasaustausch möglich ist, aber die beiden Reihen brauchen nicht notwendigerweise durch die Mittelschicht 233 in Verbindung zu stehen, und in diesem Falle bilden die beiden Reihen zwei getrennte Gruppen von Kammern. In einem solchen Fall wird jede Gruppe von Kammern mit einem eigenen Gaseinlaß und Gasauslaß für das Arbeitsverfahren und die folgende Benutzung versehen. Eine solche Ausbildung ist insbesondere in Fällen zweckmäßig, wo zwei verschiedene Gase gespeichert werden müssen, oder wo das gleiche Gas unter zwei verschiedenen Drücken gespeichert werden muß. Die oben erwähnten Patentanmeldungen veranschaulichen wiederum verschiedene mehrschichtig ausgedehnte Kernstrukturen und Verfahren zur Herstellung, und zwar in Verbindung mit einer Wärmeaustauschertechnologie.
Eines der Merkmale eines superplastischen Aufblasformverfahrens besteht darin, daß dieses Verfahren zwischen Formkörpern durchgeführt werden kann, die die Außenform des Behälters oder eines anderen herzustellenden Gefäßes bilden, so daß hohle Strukturen mit komplexer Außenform hergestellt werden können. Beispielsweise sind zweidimensionale oder dreidimensionale Krümmungen in Strukturen möglich, die sowohl die hochfeste Charakteristik zur Druckgasspeicherung aufweisen als auch einen regelmäßig und vorhersehbar durch das Aufblasen geformten Innenkern besitzen, um Gasabsorptionsblöcke einführen zu können.
Ein Beispiel eines gekrümmten (teilzylindrischen) Tanks 301, der wie oben erwähnt hergestellt wurde, ist in Fig. 3A bis 3C dargestellt. Der Aufbau wird nicht im einzelnen beschrieben, da, abgesehen von der Krümmung, durch die eine bessere Anpassung an den verfügbaren Raum in einem Fahrzeug möglich wird, die Struktur des Behälters 301 die gleiche ist, wie oben in Verbindung mit dem Behälter 101 gemäß Fig. 1 beschrieben.
Ein exemplarisches Verfahren zur Herstellung des Behälters 301 ist ähnlich jenem, welches in Verbindung mit den Fig. 2A bis 2C beschrieben wurde. Abweichungen ergeben sich infolge der Unterschiede der fertigen Behältergestalt, die hierdurch erzeugt werden soll. Die Bleche 303, 305 und 307, aus denen der anfangs durch Diffusionsverschweißung der Bleche gebildete Stapel hergestellt wird, sind nicht flach, sondern teilzylindrisch mit ebenen Flanschen 308 bis 313 an ihren Längsseiten, wie in Fig. 3A dargestellt. Das Trennüberzugsmuster 315, 317 (Fig. 3B) wird auf die konvexen Oberflächen der Bleche 305, 307 aufgetragen, bevor sie gestapelt und durch Nahtverschweissung längs ihrer Ränder verbunden werden. Wie in den oben erwähnten älteren Patentanmeldungen beschrieben, werden nach der Reinigung des Innenaufbaus des Stapels von allen verdarnpfbaren und korrosiven Substanzen und nach Evakuierung der Stapel in einen Autodaven 319 eingebracht und geeigneten Temperaturen und Drücken in einem isostatischen Heißdruckverfahren unterworfen, um eine innen durch Diffusionsverbindung verschweißte Vorform 323 des Behälters mit einem Innenaufbau herzustellen, der durch das Trennmuster 315, 317 und die notwendigen gasdurchlässigen Verbindungen zwischen diskreten Bereichen des Trennmaterials definiert wird. Wie in Fig. 3C strichpunktiert dargestellt, wird der durch Diffusionsverschweißung verbundene Stapel 323 dann zwischen zwei erhitzten Formteilen 325, 327 eingeklemmt, deren Formoberflächen 329, 331 die Endgestalt des fertigen Behälters 301 definieren. Der Vorformaufbau wird in die endgültige Gestalt superplastisch durch Einblasen eines inerten Hochdruckgases in ähnlicher Weise ausgedehnt, wie dies bereits in Verbindung mit Fig. 2C beschrieben wurde.
Wie bereits oben erwähnt, werden diffusionsverschweißte und superplastisch verformte Behälteraufbauten gemäß der Erfindung durch Diffusionsverschweißung im festen Zustand an ihren Rändern mit einer Abdichtung hergestellt, beispielsweise an den Rändern 125, 127 in Fig. 1 und den Rändern E in Fig. 2. Bei dem bevorzugten Herstellungsverfahren werden diese Randbereiche seitlich durch einen oder mehrere kleine Kanäle zur Gaseinführung und Gasausführung aus dem Inneren des Stapels im Trennbereich durchdrungen, um die Diffusionsverschweißung und die superplastische Formphase durch Einblasen zu ermöglichen. Nach der verschweißung des Randes des Stapels und vor der Diffusionsverbindung wird ein Rohr mit einem kleinen Durchmesser hermetisch in das äußere Ende des oder jedes Kanals des dicht verschweißten Stapels eingeführt, um dadurch eine Absaugung durch eine Vakuumpumpe und eine Reinigung des Inneren des Stapels von Verunreinigungen vorzunehmen, indem ein inertes Gas eingeblasen wird. Nach der Diffusionsverschweißung wird das Rohr oder es werden die Rohre entnommen und durch ähnliche Rohre ersetzt, um eine weitere Reinigung zu ermöglichen, und dem folgt das Einblasen von Gas unter Hochdruck und ein entsprechendes Aufblasen des Innenaufbaus des Stapels, um so den Behälter zwischen den Formhälften durch Einblasen zu gestalten, wie dies in Fig. 2B oder 3C dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt in perspektivischer Darstellung einen einfachen, flachen, rechteckigen Tank 401 nach der superplastischen Blasformgebung und mit zwei Gaseinblasrohren 403, 405, wobei zwei Gaseinblasrohre 403, 405 bei jenem Arbeitsvorgang noch an den durch Diffusion im festen Zustand verbundenen Rändern 407 belassen werden. Die inneren Begrenzüngen der massiven Ränder sind durch die strichlierte Linie 409 dargestellt und die durch Ausblasen geformten Kammern innerhalb jener Grenzen verlaufen mit ihren Längsachsen parallel zu der strichpunktierten Linie 412. Natürlich sind auch andere Anordnungen mit anderen äußeren Formen des Behälters 401 denkbar, und es kann eine andere Zahl von Rohren benutzt werden, je nach den Erfordernissen.
Wenn ein solcher Tank, beispielsweise der Tank 401, zur Speicherung von komprimiertem Gas benutzt wird, ohne Zusatz eines Absorptionsmittels, dann können die miteinander verbundenen Kammern innerhalb des Tanks mit Gas unter Hochdruck gefüllt werden, beispielsweise mit einem Druck bis zu 200 Bar. Das Füllen und Entleeren des Behälters kann demgemäß einfach durch die Rohre 403, 405 vorgenommen werden, die bereits

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während der superplastischen Blasformgebung Verwendung fanden. Es müssen die Rohre nur mit entsprechenden Endarmaturen, Druckentlastungsventilen, Isolierventilen, Gassteuerventilen und Filtern ausgestattet werden, um den Behälter an eine Druckgasleitung anzuschließen, und um den Behälter entweder mit Druckgas zu füllen oder das Gas aus dem Behälter abzuführen. Alle Rohre, die nicht zum Durchtritt des einströmenden oder ausströmenden Gases erforderlich sind, können am Rand des Behälters abgeschnitten und durch eine Stopfenverschweißung des sich ergebenden Lochs verschlossen werden.
Stattdessen wäre es auch möglich, sämtliche Rohre abzuschneiden, die beim Herstellungsverfahren benutzt wurden, und entweder die sich ergebenden Löcher in den Rändern des Behälters auf einen größeren Durchmesser aufzubohren, oder die Löcher zu verstopfen und neue Löcher kleineren Durchmessers für die neuen Rohre einzubohren. Diese Schritte können z.B. notwendig sein, wenn die zum Auffüllen oder Entleeren des Behälters erforderlichen Rohre einen größeren oder kleineren Durchmesser besitzen als jene Rohre, die erforderlich sind, um das Gas bei dem superplastischen Herstellungsverfahren einzublasen.
Wenn ein Tank, wie der Tank 401, in einem Absorptionsgasspeichersystem benutzt wird, dann wird das Gas innerhalb des Behälters unter mäßigen Drücken von bis zu etwa 40 Bar gespeichert. Relativ zu der Kapazität unter dem gleichen Druck, aber ohne Absorptionsmittel im Behälter, wird die Kapazität des Behälters durch Vorhandensein des Absorptionsmittels beträchtlich erhöht. Das Absorptionsmittel kann zweckmäßigerweise die Gestalt von Briketts haben, und der Innenaufbau des Tanks ist so ausgebildet, daß er entsprechend angepaßt ist, wie dies oben erwähnt wurde. Um das Absorptionsmittel einzuführen und danach den Tank wieder abzudichten, sind weitere Herstellungsschritte erforderlich. Ein Beispiel einer solchen Arbeitsweise ist in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 erkennbar.
Zuerst wird der Behälter an einem Ende der inneren Kammern, wie durch die Linie C-C in Fig. 4 angegeben, abgeschnitten. Der Schnitt wird an einer Längsstelle innerhalb des diffusionsverschweißten Randes 407 des Behälters geführt
Zweitens wird ein Teil des Innenaufbaus zusammen mit den angrenzenden Seitenwandabschnitten 411, 413 spanabhebend zwischen dem oberen und unteren Blech 415 und 417 bearbeitet, wie durch die strichlierten Linien angedeutet. Durch diesen Verfahrensschritt verbleiben die oberen und unteren Bleche 415, 417, wie aus Fig. 5 ersichtlich, intakt.
In diesem Zustand werden alle Rohre, die vom Herstellungsverfahren her noch am Behälter festgelegt sind (unter der Annahme, daß sie nicht zum Füllen oder Entleeren des Tanks erforderlich sind), entfernt, und die Löcher werden mit Stopfen verschlossen, die an Ort und Stelle eingeschweißt werden. Die Innenkammern 419, die über ihre volle Breite und Höhe freigelegt sind, können nun mit dem Absorptionsmittel in Gestalt von Briketts gefüllt werden, die in die Kammern so eingeführt werden, daß die Kammern vollständig ausgefüllt werden.
Der abschließende Arbeitsvorgang besteht, wie in Fig. 5 angedeutet, darin, das offene Ende des Brennstoffbehälters durch Einführen eines Verschlußstückes 421 abzudichten, welches so bemessen ist, daß es dicht in den Spalt einpaßt, der zwischen dem oberen und dem unteren Blech 415, 417 des Behälters ausgearbeitet wurde. Das Verschlußstück 421 hat natürlich im übrigen die gleiche Größe, Gestalt und Materialzusammensetzung wie das vorher entfernte Stück, und es wird durch Diffusionsverschweißung oder Diffusionsverbindung an Ort und Stelle festgelegt. Die Verbindung kann aus Festigkeitsgründen durch ein aktiviertes Diffusionsverbindungsverfahren erfolgen.
Das Verschlußstück 421 kann mit geeignet bemessenen Löchern 423, 425 versehen sein, in die Rohre zum Füllen oder Entleeren des Behälters eingeschweißt werden können.
Natürlich kann ein durch Diffusionsverschweißung und superplastische Verformung hergestellter Behälter, der gemäß Fig. 4 und 5 abgewandelt wurde, nicht so hohen Innendrücken widerstehen, wie dies bei der ursprünglichen Form möglich ist. Im Hinblick auf die erhöhte Gasspeicherkapazität wiegt das Vorhandensein des Absorptionsmittels im Behälter diese verminderte mechanische Festigkeit auf.
Die obige Beschreibung konzentrierte sich auf Behälter, die expandierte Kernaufbauten zeigen, welche innere Aussteifungs- Stege der Art eines Warren-Gitters ergeben. Insbesondere dort jedoch, wo es nicht erwünscht ist, Blöcke mit Absorptionsmaterial in den Kernaufbau einzuführen, können auch zahlreiche andere Ausbildungen für den Kernaufbau benutzt werden. Beispielsweise ist in den Patentanmeldungen auf dem Gebiet der Wärrneaustauscher, die oben erwähnt wurden, eine Art von superplastisch expandierten Kernschichten in Form eines Bleches erwähnt worden, das im regelmäßigen Abstand zueinander vorstehende Vorsprünge besitzt, die von beiden Seiten vorstehen. Diese Vorsprünge haben einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt normal zu ihrer Erstreckung, und ihre Spitzen sind durch Diffusionsverschweißung im festen Zustand mit der benachbarten Blechschicht verbunden, und die Basis der Vorsprünge auf einer Seite des Blechs liegt in der Mitte zwischen der Basis benachbarter Vorsprünge der gegenüberliegenden Seite des Blechs. Auch sind solche Diffusionsverschweißungs- und superplastische Formgebungsverfahren zur Herstellung in diesen Anmeldungen beschrieben. Eine solche Ausbildung für die Kernschicht kann vorteilhaft im Hinblick auf die Starrheit des Behälters und im Hinblick auf seinen Widerstand gegenüber Innendrücken sein.
Als Beispiel eines Behälters, der aus vier Metallblechschichten besteht, wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Hier ist ein fertig geformter, flacher Gasspeicherbehälter 601 dargestellt, dessen Ende 502 abgenommen ist, um den Querversteifungsaufbau im Inneren zu zeigen. Dieser besteht aus oberen und unteren, in Längsrichtung verlaufenden Kammern 603, 603' trapezförmigen Querschnitts. Zwischen diesen befinden sich hexagonale Kammern 605. Die Kammern sind aus Kernblechen hergestellt, die aus zwei selektiv durch Diffusionsverschweißung verbundenen und superplastisch verformten Membranen 607, 609 bestehen. Dieser Aufbau ist als beste Art und Weise der Verwirklichung der Erfindung zu bevorzugen. Die Relativdimensionen der Seiten der Kammern 603, 603', 605 können natürlich auf einfache Weise verändert werden, wenn dies erforderlich ist, indem das Trennmittelmuster in der Anfangsstufe der Herstellung entsprechend angepaßt wird.
Das Ende 602 des Behälters 601 wurde entfernt, um den Einsatz von Aktivkohle-Briketts zu ermöglichen, von denen eines voll ausgezogen bei 611 dargestellt ist. Die Briketts werden nacheinander in die Kammern 603, 603' eingeführt, wie dies durch den Pfeil dargestellt ist, bis jede Kammer voll angefüllt ist. Der hexagonale Querschnitt der Kammern 605 ist derart, daß zwei trapezförmige Briketts 611 und 612 gestapelt eingeführt werden können, wie dies strichpunktiert bei dem Brikett 612 dargestellt ist, und die so gestapelten Briketts können in die Kammern 605 eingeschoben werden, bis diese voll sind.
Nach dem Einsatz der Briketts in den Behälter 601 werden die Schnittflächen 613, 615 des Hauptkörpers des Behälters 601 und der abgetrennte Endabschnitt 602 zur Wiederverbindung vorgesehen. Der Wiederverbindungsvorgang kann durch ein hochintegrierendes Verfahren, beispielsweise ein Wolfram/Inertgasbogen-Verschweißen (TIG) oder ein Diffusionsverschweißen mit flüssiger übergangsphase (aktiviert) durchgeführt werden.
Um den Behälter 601 mit Hochdruckgas füllen zu können, oder um den Tank entleeren zu können, wird ein Endabschnitt 602 des Tanks mit einem Rohr 617 hoher Integrität aus rostfreiem Stahl oder einer Titanlegierung versehen. Dieses Rohr wird mit dem Ende eines kleinen Loches 618 verschweißt oder auf andere Weise dichtend verbunden, welches Loch eine Verbindung mit dem Innenaufbau des Behälters herstellt. Das Rohr 617 oder wenigstens der Kanal 618, die in das Innere des Behälters durch den durch Diffusionsverschweißung hergestellten Randflansch führen, können bereits vorher zum Einblasen des inerten Gases unter Hochdruck benutzt worden sein, wodurch die superplastische Formgebung des Behälters beim Herstellungsverfahren durchgeführt wurde. Der Behälter ist nunmehr zum Einbau in ein Fahrzeug oder für andere Zwecke bereit, bei denen eine Gashochdruckquelle erforderlich ist.
Um die Beschickung und Entleerung des Behälters zu steuern, muß das freie Ende des Bohrers 617 mit dem Auslaß eines Ventilmoduls 619 verbunden werden, das ein Steuerventil, ein Absperrventil und ein Rückschlagventil enthält. Das Ventilmodul 619 empfängt Gas von einem abnehmbaren Speiserohr 621. Nach Füllung des Behälters 601 mit einem Hochdruckgas wird das Absperrventil in dem Modul 619 geschlossen, und das Rohr 621 wird abgenommen, und der Behälter ist nunmehr bereit zur Verbindung des Ventilmoduls 619 mit einem weiteren Rohr zwecks gesteuerter Zufuhr des Inhalts des Behälters 601 nach einer Brennkraftrnaschine oder nach einem anderen Verfahren, das dieses Gas benötigt.
Das Verfahren zur Herstellung eines Behälters, wie dieser in Fig. 6 dargestellt ist, erfolgt in ähnlicher Weise wie jenes, das in Verbindung mit den Fig. 2A bis 2C beschrieben wurde, und das Verfahren wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7A bis 7D zusammengefaßt.
Zunächst wird auf die Fig. 7A und 7B Bezug genommen. Fig. 7A ist eine Querschnittsseitenansicht eines Stapels 701 aus vier flachen Metallblechen 703 bis 706. In vertikaler Richtung ist die Dicke übertrieben und vergrößert gegenüber der Horizontalrichtung dargestellt. Fig. 7B ist ein Schnitt längs der Linie 7B-7B gemäß Fig. 7A, und dies ist die Verbindungslinie zwischen den Blechen 703 und 704.
Der Stapel 701 weist zwei relativ dicke äußere Bleche 703 und 706 und zwei dünnere Kernbleche 704 und 705 auf, die später die Kernkammern des Behälters bilden. Die oberen Oberflächen des Kernblechs 704 und das äußere Blech 706 sind beide mit gleichen Mustern 707, 708 von im gleichen Abstand zueinander angeordneten Streifen aus Trennmaterial versehen, während die obere Oberfläche des Kernbleches 705 mit einem weiteren Muster 709 von im gleichen Abstand zueinander verlaufenden Streifen aus Trennmaterial versehen ist. Bei diesem Beispiel besitzen die Streifen der Muster 707, 708 und 709 sämtlich die gleiche Breite, weil es wegen der relativen Abmessungen der Innenkammern erwünscht ist, die innerhalb des Behälters erzeugt werden, aber die Streifen der Muster 707 und 708 spreizen die Spalte 711 zwischen benachbarten Streifen im Muster 709. Wie aus Fig. 7B ersichtlich, bleiben ein Randabschnitt 713 des Bleches 704 und der Bleche 705 und 706 ohne überzug des Trennmaterials, so daß ein massiver Metallrahmen den Innenaufbau des durch Diffusionsverschweissung verbundenen Stapels als Folge der Diffusionsverschweissung umgibt.
Eine Evakuierung von Luft und flüchtigen Bestandteilen aus dem Innenaufbau des dicht verschweißten Stapels vor der Diffusionsverschweißung und nach dem Einblasen von Gas zum Zwecke der superplastischen Verformung auf die Endform des Behälters wird durch zwei kleine zusammenwirkende Nuten 715, 717 erreicht, die sich aufeinander ausgerichtet über die Randabschnitte 713 der Unterseite des oberen äußeren Bleches 703 und der Oberseite des oberen Kernbleches 704 erstrecken, um mit den Enden der Streifen des Trennmaterialmusters 707 verbunden zu werden. Nach der Dichtungsverschweißung der Ränder des Stapels 701 wird das äußere Ende des kleinen Loches, das durch diese beiden Nuten 715, 717 gebildet wird, ausgebohrt und ein Gasrohr kleinen Durchmessers wird vor Beginn der Diffusionsverschweißung an Ort und Stelle eingeschweißt. Diese Anordnung zum Gaseintritt oder -austritt ist auch bei den anderen Ausführungsbeispielen möglich, die oben beschrieben wurden. Dies kann an einem oder mehreren anderen Punkten über den Umfang des Stapels nach Wunsch des Konstrukteurs verdoppelt werden.
Es ist natürlich bei der Durchführung der Diffusionsverschweißung und der superplastischen Verformung wichtig, daß gasdurchlässige Verbindungen zwischen den Streifen in den Trennmustern 707, 709 verbleiben. Um dies zu gewährleisten, sind Löcher 714 mit kleinem Durchmesser (nur eines ist in Fig. 7A strichliert angedeutet) in den beiden Kernblechen 704, 705 vorgesehen, bevor sie aufeinander gestapelt werden. Diese können an den Enden der Streifen und/oder an irgendeiner Zwischenstelle angeordnet werden, um die Randabschnitte der Streifen im Trennmuster 707, 708, 709 zu verbinden, die vertikal aufeinander ausgerichtet sind. Dabei ist festzuhalten, daß das Muster der Löcher 714 auch wirksam ist, um sämtliche Längskammern im fertigen Behälter miteinander zu verbinden, weil die Löcher in jenen Abschnitten der Kernbleche 704, 705 nach der superplastischen Formgebung die Unterteilungen zwischen benachbarten Kammern bilden.
Nach Fixierung des Rohres oder der Rohre im Rand des Stapels zur Verbindung mit dem Trennmuster 707-709 und nach einem geeigneten Ausbacken und nach der Reinigung und Evakuierung der flüchtigen und gasförmigen Bestandteile aus dem Innenaufbau des abgedichteten Stapels 701 wird er durch Diffusionsverschweißung in dem üblichen heißen isostatischen Druckprozeß verbunden, wie dies oben beschrieben wurde. Nach Vollendung dieses Prozesses ist es notwendig, ein neues Gasrohr in das Ende des Gaseinlaß/Auslaßloches einzupassen, welches durch die Nuten 715, 717 (Fig. 7A und 7B) im Rand des durch Diffusionsverschweißung verbundenen Stapels gebildet wird.
Die nächste Herstellungsstufe ist in den Fig. 7C und 7D dargestellt, wo der durch Diffusionsbindung hergestellte Stapel 701 an seinen Rändern zwischen Formteilen 719, 721 eingeklemmt wird, deren Formoberflächen 723 und 725 die fertige Außengestalt des Behälters reproduzieren, damit der Behälter durch Ausblasen in die Formen erzeugt werden kann. Der nicht ausgedehnte Innenaufbau des diffusionsverschweißten Stapels wird zunächst mit einem inerten Gas gereinigt, um eine mögliche Korrosion des Innenaufbaus des Stapels durch Sauerstoff oder Wasserdampf bei erhöhten Temperaturen zu vermeiden, die für die superplastische Formgebung erforderlich sind. Dann wird die Temperatur angehoben, bis der Stapel 701 auf der richtigen Temperatur zur superplastischen Verformung erwärmt ist. Diese Temperatur wird so gewählt, wie dies für das spezielle Material, welches für den Behälteraufbau benutzt wurde, bekannt ist. Als nächstes wird ein inertes Gas mit hohem Druck in das Innere des Stapels in gesteuerter Weise eingeblasen, um zunächst den gesamten Innenaufbau leicht aufzublasen, der durch das Trennmuster bestimmt ist, und danach wird der Behälter in seine fertige Form ausgeblasen, wie dies aus Fig. 7D ersichtlich ist. Während des Ausblasformverfahrens ergibt sich eine superplastische Deformation der Abschnitte 727 der Kernschichten 704, 705, die nicht durch Diffusionsverschweißung miteinander oder mit den äußeren Schichten 703, 706 verbunden sind. Die superplastisch deformierten Abschnitte 727 bilden Stege, die das Innere des fertigen Behälters in regelmäßig gestaltete Kammern unterteilen, in die aktivierte Kohlenstoff-Briketts eingeschoben werden können, wie dies oben in Verbindung mit Fig. 6 beschrieben wurde.
Die folgenden Daten sind beispielhaft für die Charakteristiken eines relativ leichtgewichtigen, aber robusten Behälters entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 nach Herstellung durch superplastische Verformung einer Legierung Ti-6A1-4V (Endzugfestigkeit 927MPa).
Minimale Breite eines voll durch Diffusionsverschweißung verbundenen Randflansches nach der Abtrennung ...... 5,0 mm.
Kernsteg 0,5 Streckfließgrenze nach 100 % superplastischer Beanspruchung ...... 417 MPa
Verhältnis des durch Diffusionsverschweißung verbundenen Bereichs zwischen Kernsteg und Behälterschale zur inneren Gesamtoberfläche des Behältermantels ..... weniger als 1/7
Annäherndes Speichervolumen pro Quadratmeter des Hohlraumes ..... 85 Liter
Annäherndes Gewicht pro Quadratmeter Behälterfläche ... 50 kg
Nominelle Innendruck-Aufnahmefähigkeit bei 25º C und einem Sicherheitsfaktor von 1,333 (unter der Annahme, daß aktivierte Kohlenstoffblöcke in die Kernkammern eingefügt wurden und eine Wiederverschweißung erfolgte) ..... 40 Bar.
Trotz der relativ kleinen Verschweißungsfläche zwischen dem Verstärkungskernsteg und der Schale des Behälters zeigt der Behälter eine sehr gute Druckaufnahmefähigkeit, obgleich der Aufbau zum Einsetzen der Kohlenstoffblöcke vorher aufgeschnitten und wieder verschweißt wurde. Dies ist eine Folge der Qualität der Grundmetallfestigkeit der Verbindungen, die durch das Diffusionsverschweißungsverfahren im festen Zustand erzeugt wurden, als der Behälter hergestellt wurde.

Claims

1. Druckgasspeicherbehälter (101), bestehend aus einem mehrschichtigen Blechmetallaufbau (103, 105, 107) und Störmungseinlässen und Strömungsauslässen, um eine Beschickung und eine Entleerung des Behälters (10) vornehmen zu können, dadurch gekennzeichnet, daß der mehrschichtige Metallblechaufbau (103, 105, 107) wenigstens eine superplastisch gedehnte Metallblechkernschicht (107) aufweist, deren Struktur ein vorbestimmtes Muster von Diffusionsverschweißungen (109, iii) im festen Zustand zwischen benachbarten Metallblechschichten (103, 105, 107) aufweist, wobei die wenigstens eine expandierte Kernschicht (107) mehrere Kammern (117, 119) innerhalb des Behälters definiert, um das komprimierte Gas aufzunehmen und den Aufbau innen auszusteifen, damit er inneren Druckkräften widerstehen kann, und wobei der Behälter (101) Strömungseinlässe (403) und Strömungsauslässe (405) besitzt, die in Strömungsverbindung mit den Kammern (117, 119) stehen, um eine Beschickung und Entleerung des Behälters (101) mit komprimiertem Gas zu ermöglichen, und wobei die wenigstens eine expandierte Kernschicht (107) Gasabsorptionsmaterial (612, 611) enthält und der Behälter (101) einen Abschlußdeckel besitzt, der dichtend an einem Ende des Behälters angesetzt ist.

2. Druckgasspeicherbehälter nach Anspruch 1, bei welchem das vorbestimmte Muster von Diffusionsverschweißungen (109, 111) im festen Zustand zwischen benachbarten Metallblechschichten (103, 105, 107) einen Umfangsrandbereich (125, 127) aufweist, in dem sämtliche Metallblechschichten (103, 105, 107) durch Diffusionsverschweißung miteinander verbunden sind, um einen massiven Flansch zu schaffen, der rund um den Behälter (101) herumläuft.

3. Druckgasspeicherbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungseinlaß (403) und Strömungsauslaß (405) aus Kanälen bestehen, die durch die massiven Flansche (125, 127) hindurchgeführt sind.

4. Druckgasspeicherbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem benachbarte Kammern (117, 119) in der wenigstens einen expandierten Kernschicht (107) Verbindungsmittel (121, 123) aufweisen, die einen freien Gasdurchtritt dazwischen ermöglichen.

5. Druckgasspeicherbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wenigstens eine expandierte Kernschicht (107) lineare Wellungen aufweist, deren Extremitäten durch Diffusionsverschweißung im festen Zustand an den benachbarten Metallblechschichten (103, 105) angeschweißt sind, wobei die Seiten der Wellungen regelmäßig beabstandete Stege (113, 115) bilden, die zwischen den benachbarten Metallblechschichten (103, 105) unter vorbestimmten Winkeln relativ hierzu verlaufen, wobei benachbarte Stege (113, 115) lange Kammern dazwischen bilden, die das Gas aufnehmen.

6. Druckgasspeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher wenigstens zwei superplastisch expandierte Kernschichten (607, 609) aufweist, die wenigstens zwei Reihen von Kammern (603, 603', 605) über wenigstens einen Teil der Erstreckung des Behälters (601) definieren.

7. Druckgasspeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die wenigstens eine expandierte Kernschicht regelmäßig beabstandete aufrechtstehende Vorsprünge aufweist, die von beiden Seiten vorstehen, wobei die Vorsprünge einen hohlen Querschnitt normal zu ihrer Erstreckung aufweisen und ihre Enden durch Diffusionsverschweißung im festen Zustand mit den benachbarten Metallblechschichten verschweißt sind, um Kammern auf beiden Seiten der Kernschicht zu bilden.

8. Druckgasspeicherbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher zwei superplastisch expandierte Kernschichten aufweist, die durch eine weitere Metallblechschicht dazwischen getrennt sind.

9. Druckgasspeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher zwei superplastisch expandierte Kernschichten (704, 705) und zwei weitere Schichten (703, 706) aufweist, die die Außenwände des Behälters bilden, wobei zwei Mittelmetallblechschichten (704, 705) durch Diffusionsverschweißung miteinander in einem vorbestimmten linearen Muster verbunden sind und jede der expandierten Kernschichten (704, 705) auch mit einem jeweiligen benachbarten äußeren Wandblech (703, 704) des Behälters in einem vorbestimmten linearen Verbindungsmuster verbunden sind, wodurch der Behälter (701) einen inneren Kernaufbau mit Kammern und Querversteifung erhält und der Aufbau aus doppelten und einfachen Reihen in Längsrichtung verlaufender linearer Kammern (603, 605) besteht, die miteinander in Spannrichtung über den expandierten Kernaufbau abwechseln, wobei die Doppelreihen Kammern aufweisen, die einen trapezförmigen Querschnitt (603) besitzen und die Einzelreihen Kammern (605) aufweisen, die einen hexagonalen Querschnitt besitzen.

10. Druckgasspeicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 bis 9, welcher wenigstens zwei Gruppen von Kammern enthält und die Kammern innerhalb jeder Gruppe zwecks gegenseitigem Gasaustausch miteinander verbunden sind, wobei jedoch keine Verbindung zwischen unterschiedlichen Gruppen besteht und jede Gruppe von Kammern mit verschiedenen Einlässen und Auslässen versehen ist.

11. Druckgasspeicherbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Verhältnis von Diffusionsverschweißungsflächen zum Gesamtoberflächenbereich der verschweißten Oberflächen weniger als 1:7 beträgt.

12. Druckgasspeicherbehälter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die wenigstens eine expandierte Kernschicht (107) in Längsrichtung verlaufende lineare Kammern (117, 119) aufweist, die Blöcke (611, 612) aus Gasabsorptionsmaterial aufnehmen und die in ihrer Querschnittsgestalt den Kammern (117, 119) entsprechen.

13. Herstellungsverfahren für einen Gasspeicherbehälter (601), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Durch Diffusionsverschweißung wird ein Sandwichkörper aus wenigstens drei Metallblechschichten (703, 704, 705, 706) hergestellt, wobei die Verschweißung an gewählten Stellen in einem vorbestimmten Muster erfolgt; dann wird durch superplastische Blasverformung der Innenaufbau (704, 705) des Behälters (601) hergestellt, welcher Innenaufbau durch das vorbestimmte Muster der Diffusionsverschweißung zwischen den Schichten definiert ist, wodurch ein superplastisch expandierter Kernaufbau des Behälters (601) geschaffen wird, um das Gas aufzunehmen; es wird ein Endabschnitt (602) des Behälters (601) abgetrennt, um den expandierten Kernaufbau (704, 705) freizulegen; es wird ein Gasabsorptionsmaterial (611, 612) in den expandierten Kernaufbau (704, 705) eingeschoben, und es wird das offene Ende des Behälters (601) dadurch abgedichtet, daß ein Verschlußstück (602) angesetzt wird.

14. Herstellungsverfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Verschlußstück (602) das vorher abgetrennte Endstück des Behälters (601) ist.