专利名称：用于制造储气罐、特别是机动车用的储气罐的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造储气罐，特别是机动车用的天然气储气 罐的方法，该储气罐具有纤维缠绕的金属的内衬。
背景技术：
储气罐，例如天然气储气罐已公知并且例如根据EN ISO 11439 或ECE-R110被划分成不同的等级。
内衬是气密的容器，增强纤维绕该容器缠绕，以便吸收由于内压 负荷而产生的应力。金属的内衬如此构造，使得其与增强件一起吸收 负荷。储气罐被划分为不同的类型，即CNG-1型、CNG-2型、CNG-3 型或CNG-4型。
公知的是，储气罐、特别是CNG-3型储气罐用相对厚壁的组件来 制造。通常，CNG-3型储气罐在带有天然气驱动装置的机动车中使用。 但由于储气罐的相对厚壁的结构，机动车不利地被额外地加载有相当 大的载荷，其不仅对行驶性能有不利的影响，而且极其不利地提高燃 料消耗，因为内燃机除了本来存在的车辆重量之外还必须运输相对较 重的储气罐。此外，公知的制造方法(例如辊压或低温拉伸成形)是 非常耗费成本且耗时耗能的。在制造金属的内衬之后需借助紧接着的 自紧法来保证在金属的内衬与纤维缠绕层(Faserumwicklung )之间 的始终的接触。在自紧时，金属的内衬通过内压如此地延伸直至超过 弹性极限，使得产生永久的塑性形变，该塑性形变导致在储气罐没有 压力的状态下，金属的内衬具有压应力而纤维缠绕层具有拉应力。
EP 0 410 884 Bl描述了 一种薄壁的金属的高压瓶及其制造方法， 该薄壁的金属的高压瓶通过在碳纤维基上的巻绕而增强。该高压瓶由 带有焊接的盖部件及底部件的圆柱形的管体组成。由DE 195 02 992A1公知一种用于制造空心体的方法。在此，首 先成形一种用于容器的封闭的外罩壁，并接着构造一底部及一封闭的 上部。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种用于制造储气罐、 特别是CNG-3型储气罐的方法，该方法使得能够更有效地制造其重量 减少的储气罐，特别是机动车用的其重量减少的天然气储气罐。
该目的通过具有权利要求1的特征的方法来解决。
由不锈钢合金制成的钢板形成最初产品，所述不锈钢合金含有少 于或等于0.4重量％的碳含量(C)、少于或等于1.0重量％的锰含量 (Mn)和/或硅含量(Si)。按本发明使用的不锈钢合金与常规的一样 含有磷(P)和硫(S)。在这方面上，对本发明重要的是，磷和硫的 总量(P+S)小于或等于0.03重量％。这对于由此种不锈钢合金制造 的储气罐的延伸性能及缺口冲击韧性是重要的。储气罐特别是应具有 至少14%的延伸率。
储气罐的内衬由圆柱形的管体及底部和盖子组装而成。为了制造 该圆柱形的管体及底部和盖子应提供预先批量生产的由所述不锈钢合 金制成的钢板。
此后，由至少一块不锈钢板成形并接合成一圆柱形的管体。此外， 通过金属成形技术由不锈钢板制造底部及盖子。然后，将底部及盖子 与管体借助激光焊进行接合。随后对如此制造的金属的内衬进行热处 理，之后用纤维增强件缠绕内衬。
通过热处理，可以有针对性优化地调节内衬的材料特性。由此特 别可以在最大强度下达到高于14%的延伸率。
利用按本发明的方法，将生成一由薄壁的不锈钢板制成的金属的 内衬，其由于薄壁的构造自然比已知的由厚壁钢材制造的金属的内衬 更轻。此外利用按本发明的方法可以使半连续的过程控制 (Prozessftihrung)成为可能，使得可以制造大量的特别是车辆用的压
5力储气罐。另外的优点在于，按本发明所使用的原料具有相对于使用 的气体(氢气、天然气)特别好的兼容性，以及最佳的抗气体渗透的 阻挡。按本发明的方法由于放弃了现有技术中耗能的制造方法的情况 下而特别节能并因此特别节约成本。权利要求2至12阐述按本发明的方法的有利的构造。 尤其有利的是，圆柱形的管体本身沿其纵向缝借助散焦的激光射线焊接，且管体与底部及盖子借助散焦的激光射线焊接。这一方面可 以尤其有效地且材料适合地连接内衬的构件。另一方面，通过这种过 程避免在制成的容器中的边缘缺陷。此外，还可以利用散焦激光射线 进行缝的平滑处理和/或实现缝区域的热处理。内衬的构件可以对接地 相互放置地焊接或经由所设置的凸缘相互安装地且部分重叠地焊接在 一起。优选地，底部及盖子以深冲法制造。盖子(也被称为瓶头)配有 瓶颈。瓶颈焊接在盖子上。根据本发明，有利的是，不锈钢合金除了已提及的具有少于或等 于0.4重量％的碳含量(C)、少于或等于1.0重量％的锰含量(Mn)、 少于或等于1.0重量％的硅含量(Si)的合金组成成分之外还具有少 于或等于1.3重量％的钼含量(Mo)及少于或等于0.2重量％的钒含 量(V)。在实际中，也有利的是，不锈钢合金具有少于或等于0.4重量％ 的碳含量(C)、少于或等于1.0重量％的锰含量(Mn)及少于或等于 1.0重量％的硅含量(Si)，此外具有少于或等于18.0重量％的铬含量 (Cr)及少于或等于5.0重量％的镍含量(Ni)。此外，按本发明所使用的钢合金可以具有铌(Nb)、钛(Ti)或 钒(V)的添加物。此外合适的是，不锈钢合金具有细颗粒结构。磷和硫的总量总是 小于或等于0.03重量％。在本发明的范畴内，优选使用高强度硬化的内衬。该内衬在施加 纤维增强件之前经过合适的热处理回火。由此在高韧性的同时获得具6有高强度的内衬。尤其优选的是，两级地实施热处理。在第一级热处理中硬化内衬。 硬化通过从奥氏体区域快速冷却来进行。用于硬化的温度高于完全的铁氧分解温度，特别是在900 。C和1000 。C之间，特别是1100 。C。 在第二级热处理中，内衬再次有目标地加热，以影响其特性，特 别是消除应力并调节延伸率。在此，内衬通过加热到低于不锈钢合金 的相变点(Umwandhingspunkte)A,的温度进行退火。在相应调准退火 时间在1分钟至25分钟的情况下，退火温度在400 。C和600 。C之间 变化。有利的是，所述纤维增强件在限定的或者说规定的预应力下缠绕 金属的内村，其中，在金属的内衬内产生压应力，而在缠绕层中产生 拉应力。在优选的实施方式中，碳纤维增强件作为纤维增强件优选整个圆 周地缠绕金属的内衬。在纤维增强件缠绕金属的内衬之前，有利的是，金属的内村首先 设有一层粘接层，其中，所述粘接层由弹性的粘接剂构成。在优选的应用中，按本发明方法制造的储气罐例如可以被用作为 那些CNG-3型储气罐，其特别适合于作为用于带有天然气驱动装置的 机动车的天然气罐(压缩天然气，CNG)。当然，按本发明制造的储 气罐的应用不应被限制在用作为天然气罐。也可考虑的是，例如，用 作为用于带有氢气驱动装置的车辆的氢气罐。特别是在应用于机动车 时，按本发明方法由于金属的内衬的相对薄的壁厚实现重量的减少而 是有利的，因为任何额外的重量都不利地影响行驶性能，特别是机动 车的燃料消耗，使得这种缺点利用按本发明的重量减少的储气罐，特 别是例如用于机动车的按本发明的重量减少的天然气罐至少部分地减 少。按本发明方法制造的储气罐可以具有10和165升之间的容积，其 中，给出的容积并不是限定性的。
下面借助在示意图中示出的实施例来更进一步地说明本发明。其中图l示出一种储气罐，或者说其金属的内衬及其在接合之前的各 个组件，及图2示出按本发明的储气罐的在用纤维增强件缠绕之前的内衬。
具体实施方式
图l示出一种储气罐l，特别是一种机动车用的CNG-3型的储气储气罐1具有圆柱形的管体2，其在头部侧用盖子3封闭而在底 部侧用底部4封闭。圆柱形的管体2由不锈钢制成的板材成形而成，其中不锈钢板的 对接用纵向缝5相互接合。纵向缝5通过激光连接，例如激光焊接材 料结合地制成。为此优选使用散焦的激光射线。图2示出一种完成成形的内村6。在盖子3中，焊接有由套筒8 及栓塞9组成的瓶颈7。在底部4中焊入一套筒10。圆柱形的管体2的基本材料优选为不锈钢合金，其具有少于或等 于0.4重量。/。的碳含量C、少于或等于1.0重量。/。的锰含量Mn、少于 或等于1.0重量％的硅含量Si，以及少于或等于18.0重量％的铬含量 Cr及少于或等于5.0重量％的镍含量Ni。按本发明的不锈钢合金此外 还具有磷P和硫S，其中，磷P和硫S的总量或总和(P+S)小于0.03 重量％。盖子3和底部4优选以深冲法制造，且优选由与圆柱形的管体2 相同的基本材料组成。在优选的方法过程中，底部4和盖子3借助利用散焦激光射线的 激光连接(激光焊接)分别与圆柱形的管体2的各端部连接在一起。 这些焊缝可以分别实施为圆周焊缝。为了焊接，管体2与盖子3及底 部4可以对接地相互安设，或经由安设的凸缘ll焊接在一起。8在优选的实施方式中，盖子3可以具有圆周法兰。在管体2、盖子3和底部4接合成一金属的内衬6之后，其圆周 表面整个圆周地由纤维增强件缠绕，优选由具有碳纤维的纤维增强件 优选整个圆周地缠绕。在施加纤维缠绕之前，在金属的内衬6的外圆 周表面上配设有一层由弹性的粘接剂构成的粘接层。纤维增强件可以优选以限定的或者规定的预应力来施设。由各容器部件即管体2、盖子3及底部4接合而制成的内衬6，在 施加纤维增强件之前通过合适的热处理进行硬化或热回火。为此，内 衬6在第一级热处理中在小于等于7分钟的时间内加热到奥氏体区的 900 。C和1100 。C之间的温度，特别是加热到大约1080 。C，并紧接着 被冷却。加热时间在1分钟和25分钟之间。冷却至室温以慢于20K/s 进行。冷却可优选在保护气氛下进行或将内衬支承在耐火成形件中进 行，其在内衬中造成热阻滞并降低冷却速度。在随后的笫二级热处理中，将内衬6退火，也就是说将内衬6加 热到400 。C至600。C，并由此减少内部应力且调整延伸率。为此，将 内衬6加热到低于不锈钢合金相变点A,的温度并接着有针对性地冷 却。加热时间在2分钟和20分钟之间。在此存在将余热利用于退火的 可能性，也就是说，由硬化温度淬火后还存在的所需的内村剩余芯部 温度将被利用于退火。当然也可以重新加热至退火温度。通过热处理可以最佳地调节材料特性。内衬6可以在最大强度 (21100 MPa)下达到高于14%的延伸率(As值)。有利的是，金属的内村6具有非常薄的壁厚，其如此构成，使得 可以经受得住对棵的(即还没有缠绕的)金属的内衬6的前面所述的 标准的检验要求，总体而言，储气罐l如此构造，使得由增强纤维缠 绕的金属的内衬经受得住前面所述的标准的检验要求。附图标记列表1- 储气罐2- 圆柱形的管体3- 盖子4- 底部5- 纵向焊缝 6 - 内衬7- 瓶颈8- 套筒9- 栓塞10- 套筒11- 凸缘
权利要求
1.用于制造储气罐的方法，所述储气罐具有纤维缠绕的金属的内衬，所述方法包括下列步骤-提供由不锈钢合金制成的钢板，所述不锈钢合金具有少于或等于0.4重量％的碳含量(C)、少于或等于1.0重量％的锰含量(Mn)和/或硅含量(Si)，并且所述不锈钢合金含有磷(P)和硫(S)，其中，磷(P)和硫(S)的总和(P+S)小于或等于0.03重量％；-将至少一块钢板变形并且接合成一圆柱形的管体(2)，-分别用钢板制造盖子(3)和底部(4)，-借助激光连接将所述圆柱形的管体(2)与所述盖子(3)及所述底部(4)接合成一内衬，-对所述内衬进行热处理，-用纤维增强件缠绕所述内衬。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，借助散焦的激光射 线将圆柱形的管体(2)、盖子(3)及底部(4)接合。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述盖子(3) 及所述底部(4)以深冲法制造。
4. 根据权利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，所述不 锈钢合金具有少于或等于0.4重量％的碳含量(C)、少于或等于1.0 重量％的锰含量(Mn)、少于或等于1.0重量％的硅含量(Si)、少于 或等于1.3重量％的钼含量(Mo)及少于或等于0.2重量％的钒含量 (V)。
5. 根据权利要求1至3中之一所述的方法，其特征在于，所述不 锈钢合金具有少于或等于0.4重量％的碳含量(C)、少于或等于1.0 重量。/。的锰含量(Mn)、少于或等于1.0重量％的硅含量(Si)、少于 或等于18.0重量％的铬含量(Cr)及少于或等于5.0重量。/。的镍含量 (Ni)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述不锈钢合金含有铌(Nb)、钛(Ti)或钒(V)的添加物。
7. 根据权利要求1至6中之一所述的方法，其特征在于，所述不 锈钢合金具有细颗粒结构。
8. 根据权利要求1至7中之一所述的方法，其特征在于，对所述 内衬的热处理多级地，特别是两级地进行。
9. 根据权利要求1至7中之一所述的方法，其特征在于，所述内 衬在第一级热处理中被热回火和硬化，而在第二级热处理中被退火。
10. 根据权利要求1至9中之一所述的方法，其特征在于，在限 定的或者规定的预应力下用所述纤维增强件缠绕所述金属的内衬。
11. 根据权利要求1至10中之一所述的方法，其特征在于，碳纤 维增强件作为纤维增强件优选整个圆周地缠绕所述金属的内衬。
12. 根据权利要求1至11中之一所述的方法，其特征在于，在所 述纤维增强件缠绕所述金属的内衬之前，所述金属的内衬首先配设有 一层粘接层，其中所述粘接层由弹性的粘接剂构成。
13. 特别是用上述权利要求中之一所述的方法制造的储气罐作为 机动车天然气罐的储气罐的应用。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造储气罐的方法，其具有纤维缠绕的金属的内衬，该方法包括提供由不锈钢合金制成的钢板，所述不锈钢合金具有少于或等于0.4重量％的碳含量(C)、少于或等于1.0重量％的锰含量(Mn)和/或硅含量(Si)；将钢板变形并且接合成一圆柱形的管体(2)；优选以深冲法分别用钢板制造盖子(3)和底部(4)；借助激光连接，优选利用散焦的激光射线将圆柱形的管体(2)与盖子(3)及底部(4)接合成内衬；用纤维增强件缠绕内衬。
文档编号F17C1/06GK101676595SQ200910173538
公开日2010年3月24日 申请日期2009年9月15日 优先权日2008年9月15日
发明者B·扎厄布卡, B·沃勒茨, C·汉丁, C·霍韦, S·格拉塞尔, T·施密特, T·普茨 申请人:本特勒Sgl有限责任两合公司