压缩气体罐及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种由碳纤维材料制成的、具有填充和取出支管的压缩气体罐（1）及其制造方法，该方法包含的步骤是：-提供可熔化的内核，该内核构成压缩气体罐（1）的内部形状；-借助至少一个碳纤维带来缠绕该内核，并且借助可硬化的聚合物基质材料来浸渍碳纤维，由此提供压缩气体罐（1）的预成型坯件，-加固预成型坯件的聚合物基质材料，并且获得碳纤维复合物压缩气体罐（1）；以及-通过熔化来使内核材料液化，并且从填充和取出支管中取出液态的内核材料。
【专利说明】压缩气体罐及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及压缩气体罐/高压气体罐的制造以及压缩气体罐、尤其是压缩氢气罐。
【背景技术】
[0002]由现有技术已知压缩氢气罐，其目前通过下述方式制造，即塑料里衬(Kunststoffliner)借助碳纤维缠绕，该碳纤维已被预先浸溃或在缠绕之后浸溃。在此该里衬是必需的，以使该罐具有其基本形状。浸溃的碳纤维带在缠绕之后以已知的方式通过基质聚合物的硬化进行固定。在此，该里衬留在压缩氢气罐的内壁上。当前在罐工作时可能会出现的情况是，氢气通过里衬的壁扩散并且积聚在碳纤维复合材料带上。如果罐压力在随后的行驶过程中下降，则可能出现的情况是，该里衬从碳纤维带上呈片状剥落并且在最坏的情况下塌陷。该问题在现有技术中应该通过多层的里衬来解决，这些里衬具有更高的扩散阻力，以避免所述片状剥落。
[0003]由DE 10 2009 014 057 Al已知这种压缩氢气罐。其具有由纤维复合材料制成的壁、由塑料制成的里衬以及连接凸缘。DE 10 2009 014 057 Al所针对的问题是，通过由纤维复合材料制成的壁来避免氢气或其它气态介质从高压容器的内部扩散出去，这借助作为气体或蒸气屏障的额外的里衬来实现。
[0004]由DE 2124789 A已知一种可充气的、纤维增强的弹性气囊，其作为可收缩的且因此可取下的内核用来构建容器。从DE 19803909 Al中已知一种用来制造纤维增强的聚合物气囊的方法。
【发明内容】
[0005]基于所述现有技术得出的任务是，创造一种尤其用于氢气的压缩气体罐，其具有不可塌陷的内部结构。
[0006]所述任务通过具有权利要求1的特征的方法来解决，并且通过具有权利要求6的特征的装置来解决。所述装置和该方法的改进方案在从属权利要求中实施。
[0007]按本发明的方法用来由碳纤维材料制造具有填充和取出支管的压缩气体罐、如压缩氢气罐，该方法在第一实施例中包含以下步骤:
[0008]-提供可熔化的内核，其构成压缩气体罐的内部形状；
[0009]-借助至少一个碳纤维带来缠绕该内核，并且借助可硬化的聚合物基质材料来浸溃该碳纤维，由此提供压缩气体罐的预成型坯件。可通过应用预先浸溃的碳纤维来实现碳纤维的浸溃，另一方面还可对制好的碳纤维带进行浸溃。也可将这两种方案结合起来。
[0010]本方法的其它步骤是:
[0011]-加固预成型坯件的聚合物基质材料，并且获得碳纤维复合物压缩气体罐；以及
[0012]-通过熔化来使内核材料液化，并且从填充和取出支管中取出该液态的内核材料；[0013]-在提供可熔化的内核时，在内核中设置由杆件或辐条(3)(该杆件或辐条由碳纤维材料制成)构成的支撑结构，其中杆件或辐条(3)的自由端部在内核的待缠绕的表面上突出来；
[0014]-在借助碳纤维带来缠绕内核时，包住杆件或辐条(3)的突出来的自由端部；然后
[0015]-在加固时将自由端部固定在碳纤维复合物带中；
[0016]-在液态内核材料液化和取出之后，支撑结构(3)留在压缩气体罐(I)中。
[0017]这样就能够制造出无里衬的压缩气体罐，由此可以无需考虑脱落问题。
[0018]按本发明，该方法具有以下步骤，以便在减少材料需求的同时不损害压缩气体罐的稳定性:
[0019]如果提供了可熔化的内核，则在该内核中已经设置有由杆件或辐条(其由碳纤维材料制成)构成的支撑结构。该结构能以合适的方式由辐条支撑结构构成，该辐条支撑结构从内核的中央轴线径向延伸开来。所述杆件或辐条的自由端部在此应该如此之长，以使得它们在内核的待缠绕的表面上突出来。那么当借助碳纤维来缠绕内核时，杆件或辐条的突出来的自由端部缠绕到其内。这样就实现了有利的固定的连接。之后在加固聚合物基质材料时，对支撑结构的自由端部进行固定，所述自由端部缠绕在碳纤维带中。如果当前进行液化并且将液态的内核材料从压缩气体罐中取出，则支撑结构稳定地留在其内部中。
[0020]例如考虑将蜡或冰作为内核的可熔化材料。冰在此尤其合适，这是因为如果进行缠绕，则冰在降温步骤中能够进一步冷却，从而在缠绕过程中给碳纤维复合材料带提供预应力，以实现压缩气体罐的高的抗压强度。因此能够节省压缩气体罐的材料和重量。
[0021]该可熔化的内核能够具有圆形的横截面形状，或者尤其当其包含支撑结构时能够具有椭圆形或其它合适的横截面形状，并因此能够相应地制造出非圆柱形的压缩气体罐。
[0022]因此按本发明的压缩气体罐具有壁，该壁由碳纤维复合材料层构成并且没有内壁上的里衬层，该压缩气体罐能够借助上述方法制成并且具有填充和取出支管。该压缩气体罐可以是压缩氢气罐。
[0023]按本发明，在压缩气体罐的内部存在着由杆件或辐条(其由碳纤维材料制成)构成的支撑结构，所述支撑结构是稳定的并且在材料使用方面是有利的。所述支撑结构优选构成为辐条支撑结构，该辐条支撑结构从压缩气体罐的中央轴线径向延伸开来，并且其远侧的杆件端部或辐条端部穿透压缩气体罐的内壁并且容纳在碳纤维复合材料层的聚合物基质中，该聚合物基质构成压缩气体罐的壁。
[0024]因此尤其在应用支撑结构的情况下，该压缩气体罐除了圆柱形形状以外还能具有椭圆形或其它合适的横截面形状。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]所述和另外的优点通过随后的描述并参照所附附图进行说明。在说明书中对附图的参考用于支持说明并且简化发明对象的理解，它们只是本发明的实施例的示例性描述。
[0026]其中:
[0027]图1在横截面视图中示出了具有径向的支撑杆件的圆柱形罐；
[0028]图2在横截面视图中示出了具有椭圆形横截面和支撑杆件的罐。【具体实施方式】
[0029]图1在剖面图中示出了由碳纤维材料制成的具有碳纤维辐条3的圆柱形压缩氢气罐1，所述碳纤维辐条在内部径向地从中央轴线朝罐壁2延伸并且容纳在该壁2中。为了制造压缩氢气罐1，使用已将可熔化的内核(未示出，例如由蜡或冰构成)，以形成圆柱形压缩气体罐的内部形状。然后，借助碳纤维缠绕该内核，因此产生的碳纤维带形成了压缩气体罐I的预成型坯件。将该可硬化的聚合物基质材料(碳纤维已在缠绕之前或之后借助它浸溃)暴露在相应的硬化条件中，从而产生了加固的碳纤维复合材料，其提供了压缩气体罐I的壁2。从内核突出来并且容纳在碳纤维带中的辐条端部由此固定在聚合物基质中。如果应用粉末状的可硬化的聚合物基质材料，则可对它首先进行液化，以便润湿碳纤维。
[0030]在制造过程的最后，通过熔化使内核(其已经包含由辐条3构成的支撑结构)液化，并且从填充和取出支管中取出该液态的内核材料。
[0031]如果应用这种从中央轴线径向突出的辐条3，或必要时还应用其它的支撑结构，则甚至有可能偏离压缩氢气罐的圆柱形基本形状，并且例如创造出压缩氢气罐的椭圆形横截面，如同图2所示的一样。
【权利要求】
1.一种用来制造由碳纤维材料制成的压缩气体罐(1)的方法，所述压缩气体罐具有填充和取出支管，所述方法包含以下步骤: -提供可熔化的内核，该内核构成压缩气体罐(1)的内部形状； -借助至少一个碳纤维带来缠绕该内核，并且借助可硬化的聚合物基质材料来浸溃碳纤维，由此提供压缩气体罐(1)的预成型坯件； -加固预成型坯件的聚合物基质材料，并且获得碳纤维复合物压缩气体罐(1);以及 -通过熔化来使内核材料液化，并且从填充和取出支管中取出液态的内核材料； 其特征在于以下步骤: -在提供可熔化的内核时，在内核中设置由杆件或辐条(3)构成的支撑结构，该杆件或辐条由碳纤维材料制成，其中杆件或辐条(3)的自由端部在内核的待缠绕的表面上突出来； -在借助碳纤维带来缠绕内核时，包住杆件或辐条(3)的突出来的自由端部；然后 -在加固时将自由端部固定在碳纤维复合物带中； -在液态内核材料液化和取出之后，支撑结构(3)留在压缩气体罐(1)中。
2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述由杆件或辐条(3)构成的支撑结构设计为从内核的中央轴线径向延伸开来。
3.根据权利要求1或2所述的方法， 其特征在于， 所述可熔化的内核是冰核或蜡核。
4.根据权利要求3所述的方法， 其包含以下步骤: 在借助碳纤维带来缠绕所述内核之后，首先进一步降低内核温度。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法， 其特征在于， 所述可熔化的内核具有圆形或椭圆形或其它合适的横截面形状。
6.一种具有填充和取出支管的压缩气体罐(1)，该压缩气体罐能够按具有权利要求1至5中至少一项所述的方法制成， 其中所述压缩气体罐(1)的壁(2)由碳纤维复合材料层构成，并且没有内壁上的里衬层， 其特征在于， 在所述压缩气体罐(1)的内部设置有由杆件或辐条(3)构成的支撑结构，该杆件或辐条由碳纤维材料制成，其中远侧的杆件端部或辐条端部容纳在碳纤维复合材料层的聚合物基质中，该聚合物基质构成压缩气体罐(1)的壁(2)。
7.根据权利要求6所述的压缩气体罐(1)， 其特征在于， 所述压缩气体罐(1)是压缩氢气罐(1)。
8.根据权利要求6或7所述的压缩气体罐(1)， 其特征在于，辐条支撑结构(3)从压缩气体罐(1)的中央轴线径向延伸开来。
9.根据权利要求8所述的压缩气体罐(1)，其特征在于，所述压缩气体罐(1)具有圆形或椭圆形或其它合适的横截面形状。
【文档编号】F17C1/16GK103906620SQ201280051747
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2012年9月20日 优先权日:2011年10月21日
【发明者】A·努普 申请人:戴姆勒股份公司