壓縮氣體罐及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種由碳纖維材料制成的、具有填充和取出支管的壓縮氣體罐（1）及其制造方法，該方法包含的步驟是：-提供可熔化的內(nèi)核，該內(nèi)核構(gòu)成壓縮氣體罐（1）的內(nèi)部形狀；-借助至少一個(gè)碳纖維帶來(lái)纏繞該內(nèi)核，并且借助可硬化的聚合物基質(zhì)材料來(lái)浸漬碳纖維，由此提供壓縮氣體罐（1）的預(yù)成型坯件，-加固預(yù)成型坯件的聚合物基質(zhì)材料，并且獲得碳纖維復(fù)合物壓縮氣體罐（1）；以及-通過(guò)熔化來(lái)使內(nèi)核材料液化，并且從填充和取出支管中取出液態(tài)的內(nèi)核材料。
【專利說(shuō)明】壓縮氣體罐及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓縮氣體罐/高壓氣體罐的制造以及壓縮氣體罐、尤其是壓縮氫氣罐。
【背景技術(shù)】
[0002]由現(xiàn)有技術(shù)已知壓縮氫氣罐，其目前通過(guò)下述方式制造，即塑料里襯(Kunststoffliner)借助碳纖維纏繞，該碳纖維已被預(yù)先浸潰或在纏繞之后浸潰。在此該里襯是必需的，以使該罐具有其基本形狀。浸潰的碳纖維帶在纏繞之后以已知的方式通過(guò)基質(zhì)聚合物的硬化進(jìn)行固定。在此，該里襯留在壓縮氫氣罐的內(nèi)壁上。當(dāng)前在罐工作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)的情況是，氫氣通過(guò)里襯的壁擴(kuò)散并且積聚在碳纖維復(fù)合材料帶上。如果罐壓力在隨后的行駛過(guò)程中下降，則可能出現(xiàn)的情況是，該里襯從碳纖維帶上呈片狀剝落并且在最壞的情況下塌陷。該問(wèn)題在現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)該通過(guò)多層的里襯來(lái)解決，這些里襯具有更高的擴(kuò)散阻力，以避免所述片狀剝落。
[0003]由DE 10 2009 014 057 Al已知這種壓縮氫氣罐。其具有由纖維復(fù)合材料制成的壁、由塑料制成的里襯以及連接凸緣。DE 10 2009 014 057 Al所針對(duì)的問(wèn)題是，通過(guò)由纖維復(fù)合材料制成的壁來(lái)避免氫氣或其它氣態(tài)介質(zhì)從高壓容器的內(nèi)部擴(kuò)散出去，這借助作為氣體或蒸氣屏障的額外的里襯來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0004]由DE 2124789 A已知一種可充氣的、纖維增強(qiáng)的彈性氣囊，其作為可收縮的且因此可取下的內(nèi)核用來(lái)構(gòu)建容器。從DE 19803909 Al中已知一種用來(lái)制造纖維增強(qiáng)的聚合物氣囊的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于所述現(xiàn)有技術(shù)得出的任務(wù)是，創(chuàng)造一種尤其用于氫氣的壓縮氣體罐，其具有不可塌陷的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
[0006]所述任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的方法來(lái)解決，并且通過(guò)具有權(quán)利要求6的特征的裝置來(lái)解決。所述裝置和該方法的改進(jìn)方案在從屬權(quán)利要求中實(shí)施。
[0007]按本發(fā)明的方法用來(lái)由碳纖維材料制造具有填充和取出支管的壓縮氣體罐、如壓縮氫氣罐，該方法在第一實(shí)施例中包含以下步驟:
[0008]-提供可熔化的內(nèi)核，其構(gòu)成壓縮氣體罐的內(nèi)部形狀；
[0009]-借助至少一個(gè)碳纖維帶來(lái)纏繞該內(nèi)核，并且借助可硬化的聚合物基質(zhì)材料來(lái)浸潰該碳纖維，由此提供壓縮氣體罐的預(yù)成型坯件?？赏ㄟ^(guò)應(yīng)用預(yù)先浸潰的碳纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)碳纖維的浸潰，另一方面還可對(duì)制好的碳纖維帶進(jìn)行浸潰。也可將這兩種方案結(jié)合起來(lái)。
[0010]本方法的其它步驟是:
[0011]-加固預(yù)成型坯件的聚合物基質(zhì)材料，并且獲得碳纖維復(fù)合物壓縮氣體罐；以及
[0012]-通過(guò)熔化來(lái)使內(nèi)核材料液化，并且從填充和取出支管中取出該液態(tài)的內(nèi)核材料；[0013]-在提供可熔化的內(nèi)核時(shí)，在內(nèi)核中設(shè)置由桿件或輻條(3)(該桿件或輻條由碳纖維材料制成)構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)，其中桿件或輻條(3)的自由端部在內(nèi)核的待纏繞的表面上突出來(lái)；
[0014]-在借助碳纖維帶來(lái)纏繞內(nèi)核時(shí)，包住桿件或輻條(3)的突出來(lái)的自由端部；然后
[0015]-在加固時(shí)將自由端部固定在碳纖維復(fù)合物帶中；
[0016]-在液態(tài)內(nèi)核材料液化和取出之后，支撐結(jié)構(gòu)(3)留在壓縮氣體罐(I)中。
[0017]這樣就能夠制造出無(wú)里襯的壓縮氣體罐，由此可以無(wú)需考慮脫落問(wèn)題。
[0018]按本發(fā)明，該方法具有以下步驟，以便在減少材料需求的同時(shí)不損害壓縮氣體罐的穩(wěn)定性:
[0019]如果提供了可熔化的內(nèi)核，則在該內(nèi)核中已經(jīng)設(shè)置有由桿件或輻條(其由碳纖維材料制成)構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能以合適的方式由輻條支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該輻條支撐結(jié)構(gòu)從內(nèi)核的中央軸線徑向延伸開(kāi)來(lái)。所述桿件或輻條的自由端部在此應(yīng)該如此之長(zhǎng)，以使得它們?cè)趦?nèi)核的待纏繞的表面上突出來(lái)。那么當(dāng)借助碳纖維來(lái)纏繞內(nèi)核時(shí)，桿件或輻條的突出來(lái)的自由端部纏繞到其內(nèi)。這樣就實(shí)現(xiàn)了有利的固定的連接。之后在加固聚合物基質(zhì)材料時(shí)，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的自由端部進(jìn)行固定，所述自由端部纏繞在碳纖維帶中。如果當(dāng)前進(jìn)行液化并且將液態(tài)的內(nèi)核材料從壓縮氣體罐中取出，則支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地留在其內(nèi)部中。
[0020]例如考慮將蠟或冰作為內(nèi)核的可熔化材料。冰在此尤其合適，這是因?yàn)槿绻M(jìn)行纏繞，則冰在降溫步驟中能夠進(jìn)一步冷卻，從而在纏繞過(guò)程中給碳纖維復(fù)合材料帶提供預(yù)應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)壓縮氣體罐的高的抗壓強(qiáng)度。因此能夠節(jié)省壓縮氣體罐的材料和重量。
[0021]該可熔化的內(nèi)核能夠具有圓形的橫截面形狀，或者尤其當(dāng)其包含支撐結(jié)構(gòu)時(shí)能夠具有橢圓形或其它合適的橫截面形狀，并因此能夠相應(yīng)地制造出非圓柱形的壓縮氣體罐。
[0022]因此按本發(fā)明的壓縮氣體罐具有壁，該壁由碳纖維復(fù)合材料層構(gòu)成并且沒(méi)有內(nèi)壁上的里襯層，該壓縮氣體罐能夠借助上述方法制成并且具有填充和取出支管。該壓縮氣體罐可以是壓縮氫氣罐。
[0023]按本發(fā)明，在壓縮氣體罐的內(nèi)部存在著由桿件或輻條(其由碳纖維材料制成)構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的并且在材料使用方面是有利的。所述支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)選構(gòu)成為輻條支撐結(jié)構(gòu)，該輻條支撐結(jié)構(gòu)從壓縮氣體罐的中央軸線徑向延伸開(kāi)來(lái)，并且其遠(yuǎn)側(cè)的桿件端部或輻條端部穿透壓縮氣體罐的內(nèi)壁并且容納在碳纖維復(fù)合材料層的聚合物基質(zhì)中，該聚合物基質(zhì)構(gòu)成壓縮氣體罐的壁。
[0024]因此尤其在應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)的情況下，該壓縮氣體罐除了圓柱形形狀以外還能具有橢圓形或其它合適的橫截面形狀。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]所述和另外的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)隨后的描述并參照所附附圖進(jìn)行說(shuō)明。在說(shuō)明書(shū)中對(duì)附圖的參考用于支持說(shuō)明并且簡(jiǎn)化發(fā)明對(duì)象的理解，它們只是本發(fā)明的實(shí)施例的示例性描述。
[0026]其中:
[0027]圖1在橫截面視圖中示出了具有徑向的支撐桿件的圓柱形罐；
[0028]圖2在橫截面視圖中示出了具有橢圓形橫截面和支撐桿件的罐。【具體實(shí)施方式】
[0029]圖1在剖面圖中示出了由碳纖維材料制成的具有碳纖維輻條3的圓柱形壓縮氫氣罐1，所述碳纖維輻條在內(nèi)部徑向地從中央軸線朝罐壁2延伸并且容納在該壁2中。為了制造壓縮氫氣罐1，使用已將可熔化的內(nèi)核(未示出，例如由蠟或冰構(gòu)成)，以形成圓柱形壓縮氣體罐的內(nèi)部形狀。然后，借助碳纖維纏繞該內(nèi)核，因此產(chǎn)生的碳纖維帶形成了壓縮氣體罐I的預(yù)成型坯件。將該可硬化的聚合物基質(zhì)材料(碳纖維已在纏繞之前或之后借助它浸潰)暴露在相應(yīng)的硬化條件中，從而產(chǎn)生了加固的碳纖維復(fù)合材料，其提供了壓縮氣體罐I的壁2。從內(nèi)核突出來(lái)并且容納在碳纖維帶中的輻條端部由此固定在聚合物基質(zhì)中。如果應(yīng)用粉末狀的可硬化的聚合物基質(zhì)材料，則可對(duì)它首先進(jìn)行液化，以便潤(rùn)濕碳纖維。
[0030]在制造過(guò)程的最后，通過(guò)熔化使內(nèi)核(其已經(jīng)包含由輻條3構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu))液化，并且從填充和取出支管中取出該液態(tài)的內(nèi)核材料。
[0031]如果應(yīng)用這種從中央軸線徑向突出的輻條3，或必要時(shí)還應(yīng)用其它的支撐結(jié)構(gòu)，則甚至有可能偏離壓縮氫氣罐的圓柱形基本形狀，并且例如創(chuàng)造出壓縮氫氣罐的橢圓形橫截面，如同圖2所示的一樣。
【權(quán)利要求】
1.一種用來(lái)制造由碳纖維材料制成的壓縮氣體罐(1)的方法，所述壓縮氣體罐具有填充和取出支管，所述方法包含以下步驟: -提供可熔化的內(nèi)核，該內(nèi)核構(gòu)成壓縮氣體罐(1)的內(nèi)部形狀； -借助至少一個(gè)碳纖維帶來(lái)纏繞該內(nèi)核，并且借助可硬化的聚合物基質(zhì)材料來(lái)浸潰碳纖維，由此提供壓縮氣體罐(1)的預(yù)成型坯件； -加固預(yù)成型坯件的聚合物基質(zhì)材料，并且獲得碳纖維復(fù)合物壓縮氣體罐(1);以及 -通過(guò)熔化來(lái)使內(nèi)核材料液化，并且從填充和取出支管中取出液態(tài)的內(nèi)核材料； 其特征在于以下步驟: -在提供可熔化的內(nèi)核時(shí)，在內(nèi)核中設(shè)置由桿件或輻條(3)構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)，該桿件或輻條由碳纖維材料制成，其中桿件或輻條(3)的自由端部在內(nèi)核的待纏繞的表面上突出來(lái)； -在借助碳纖維帶來(lái)纏繞內(nèi)核時(shí)，包住桿件或輻條(3)的突出來(lái)的自由端部；然后 -在加固時(shí)將自由端部固定在碳纖維復(fù)合物帶中； -在液態(tài)內(nèi)核材料液化和取出之后，支撐結(jié)構(gòu)(3)留在壓縮氣體罐(1)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述由桿件或輻條(3)構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為從內(nèi)核的中央軸線徑向延伸開(kāi)來(lái)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法， 其特征在于， 所述可熔化的內(nèi)核是冰核或蠟核。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法， 其包含以下步驟: 在借助碳纖維帶來(lái)纏繞所述內(nèi)核之后，首先進(jìn)一步降低內(nèi)核溫度。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法， 其特征在于， 所述可熔化的內(nèi)核具有圓形或橢圓形或其它合適的橫截面形狀。
6.一種具有填充和取出支管的壓縮氣體罐(1)，該壓縮氣體罐能夠按具有權(quán)利要求1至5中至少一項(xiàng)所述的方法制成， 其中所述壓縮氣體罐(1)的壁(2)由碳纖維復(fù)合材料層構(gòu)成，并且沒(méi)有內(nèi)壁上的里襯層， 其特征在于， 在所述壓縮氣體罐(1)的內(nèi)部設(shè)置有由桿件或輻條(3)構(gòu)成的支撐結(jié)構(gòu)，該桿件或輻條由碳纖維材料制成，其中遠(yuǎn)側(cè)的桿件端部或輻條端部容納在碳纖維復(fù)合材料層的聚合物基質(zhì)中，該聚合物基質(zhì)構(gòu)成壓縮氣體罐(1)的壁(2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮氣體罐(1)， 其特征在于， 所述壓縮氣體罐(1)是壓縮氫氣罐(1)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的壓縮氣體罐(1)， 其特征在于，輻條支撐結(jié)構(gòu)(3)從壓縮氣體罐(1)的中央軸線徑向延伸開(kāi)來(lái)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓縮氣體罐(1)，其特征在于，所述壓縮氣體罐(1)具有圓形或橢圓形或其它合適的橫截面形狀。
【文檔編號(hào)】F17C1/16GK103906620SQ201280051747
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月21日
【發(fā)明者】A·努普 申請(qǐng)人:戴姆勒股份公司