在此公开的技术涉及一种带有拱顶罩的压力容器以及一种用于制造压力容器的方法。
背景技术：
压力容器基于该压力容器的诸如内压力p或温度t等因素发生膨胀。出于这一原因，将压力容器按照固定支座-浮动支座原理(festlager-loslager-prinzip)连接在机动车的车体上。这样的结构设计需要较多的结构空间。此外，它(这种结构设计)不能将力和力矩从压力容器的一个端部传递到该压力容器的另一端部。因此它(这种结构设计)对于车体的刚性没有贡献或者仅仅略有贡献。
由de19935516a1已知一种用于加压气体的钢瓶，该钢瓶在其相应的端部上具有一个支撑环形法兰。此外，de102010053874a1公开了一种用于压力容器的支撑系统，其具有两个锁定罩盖。
技术实现要素：
在此公开的技术所要达成的目的是，减少或者消除已知解决方案的缺点。特别是，在此公开的技术的一个目的是，提供将压力容器整合于车辆的更加容易和更加紧凑的途径，其中特别是可以涉及一种承载的压力容器。由在此公开的技术的有益效果可以得出其他一些目的。这个(这些)目的通过独立权利要求的主题内容得以实现。从属权利要求反映了一些优选设计。
在此公开的技术涉及一种用于储存机动车燃料的压力容器。这样的压力容器例如可以是低温压力容器或者高压气体容器。
高压气体容器构造为，主要用于在环境温度下持久地在高于约350barü(巴(表压))、进一步优选高于约500barü(巴(表压))以及特别优选高于约700barü(巴(表压))的最大工作压力(也称为maximumoperatingpressure或mop)下储存燃料(例如氢)。例如在规程en13445中对高压气体容器作出了规定。iii型或者iv型压力容器例如具有一个由铝或由塑料构成的内胆和一个纤维增强层。也可以设置无内胆的压力容器。
低温压力容器可以储存液态的或者超临界聚集态的燃料。材料的一种热力学状态被称为超临界聚集态，其与临界点相比具有更高的温度和更高的压力。低温压力容器特别适合于储存下述温度下的燃料，所述温度比机动车的运行温度(指的是：车辆应该在其内运行的车辆周围环境的温度范围)低得多，例如在机动车的运行温度(通常为约－40℃至约+85℃)以下至少50k，优选至少100k或者至少150k。所述燃料例如可以是氢，其在约34k至360k的温度下储存于低温压力容器中。
为了获得应力分布尽可能有利的压力容器以及考虑到车辆整合，采用长形的压力容器是有利的，该压力容器在两个侧向端部上具有拱形的(优选半椭圆形的)极冠(polkappe)，也称为拱顶。这样的压力容器例如可以居中地整合在车底槽道(fahrzeugtunnel)内。
在此公开的用于在机动车中储存燃料的压力容器包括内胆和纤维增强层，该纤维增强层至少局部地包围内胆。作为纤维增强层或者说包罩外壳或铠装加强层(下文大多使用术语“纤维增强层”)，采用纤维增强塑料(fvk)，例如碳纤维增强塑料(cfk)和玻璃纤维增强塑料(gfk)。压力容器的fvk结构通过埋入塑料基质中的纤维起到增强作用。fvk包括纤维和基质材料，它们应该针对于负载情况进行组合，以便获得所期望的机械和化学性能。纤维增强层通常是这样一个料层，其具有交叉铺层(kreuzlage)和环周铺层(umfangslage)。它们通常能承受住所有由内压力产生的应力。为了补偿轴向应力，在整个内胆表面上缠绕或者编结交叉铺层。所谓的环周铺层位于圆柱形侧周区域m中，这些环周铺层用来在切向方向上增强加固。环周铺层沿着压力容器的周向方向u延伸。环周铺层与压力容器纵轴线a-a成90°夹角定向。
在此公开的技术同样涉及一种用于储存燃料的压力容器的内胆。该内胆可以由金属、由金属合金或者由塑料制成。例如由铝材或者由铝合金构成的内胆是适宜的。燃料储存在内胆中并且该内胆通常要负责压力容器的紧密性/密封性。例如在储存氢的情况下，内胆通常构造成用于避免氢渗透。内胆此外通常用作绕线芯和/或编结芯。金属的实施结构既可以设计成承载式的也可以设计成如同聚合物内胆那样非承载式的。内胆轮廓通常选择得尽可能薄，因为纤维复合材料的强度高得多并因而可以实现较薄的总壁厚。例如，内胆的最大壁厚可以小于20mm，优选小于10mm或者5mm。如同压力容器那样，内胆通常也具有一种带有拱形极冠的长形形状。极冠和设置在其之间的圆柱形侧周区域m特别有益地成形为一体。在内胆极冠的至少一个极冠中设置有孔。
在内胆的孔处设置有管接头，也称为端口。该端口通常由钢合金或者铝合金制成。端口有益地被纤维增强层至少部分遮盖。端口可以用于将可能存在的燃料管道连接到压力容器上。端口例如可以具有端口边圈或者颈部(下文简化地使用术语“颈部”)，燃料管道可以通过法兰连接在该颈部上。此外，也可以将其他的构件(例如通过内螺纹)插置于端口中。在与颈部相对置的端部上可以设置一个加宽构造的连接段，该连接段有益地至少局部具有与内胆的极冠相同的轮廓。优选这个连接段靠置在内胆上。
在此公开的技术此外还包括至少一个拱顶罩，该拱顶罩至少部分地遮盖内胆的端部。换言之，拱形的拱顶罩将内胆的拱顶至少部分地覆盖。拱顶罩可以由金属、由(纤维增强)塑料或者由金属合金制成。拱顶罩适宜地具有罩盖孔，压力容器的端口或者盲堵接缘(blindboss)可以穿过该罩盖孔引出。特别是，拱顶罩可以从颈部一直延伸到从拱顶至压力容器圆柱形区域的过渡区域
连接销从拱顶罩的表面指向外部地凸起。连接销由纤维增强层朝向压力容器外部凸出或伸出。一个拱顶罩可以具有至少两个、优选至少四个连接销。特别是，所述连接销可以按如下方式构造和设置，即纤维增强层的增强纤维依然可以在两个相邻的连接销之间延伸。因此能够对拱顶罩简单地进行包覆缠绕或者包覆编结。另外，由车体传递的力和力矩能够更好地导入纤维增强层中。在此情况下，应力集中得以降低。连接销可以材料锁合地紧固在拱顶罩上，例如通过熔焊、粘合、钎焊和/或包封注射成型(umspritzen)。此外，优选可以通过一种原型制造方法同时生产出连接销和拱顶罩。可以在至少一个连接销的(优选每个承载的连接销的)底脚上设置一个支承加强部，该支承加强部可以与拱顶罩材料锁合地连接。优选其涉及的是在连接销区域内的材料增厚部，该材料增厚部构成了到拱顶罩的过渡。优选所述支承加强部按如下方式成形，即：使得作用到连接销上的力能被良好地导入内胆中和/或纤维增强层中。支承加强部有益地向着拱顶罩的表面方向扩展/扩宽。于是，连接销在其自由端部上也就具有比在其与拱顶罩相连接的底脚上更小的粗度。由此能够降低从连接销到拱顶罩的过渡中的切口效应。
特别优选的是，至少一个连接销构造成用于将外部负荷从机动车的车体传递到压力容器的内胆中和/或纤维增强层中。优选地，为此在压力容器的安装位置状态中至少一个连接销的至少一个部分区域与车体直接或间接地耦联，使得能够对力进行传递。例如，连接销为此可以具有内螺纹和/或外螺纹。此外优选的是，为了耦联所述至少一个连接销，可以设置一种固定机构，如其在本申请人的德国专利申请(申请号为de102015206825.0)中公开的那样。就此借助参引将de102015206825.0的固定机构(其中的附图标记为143、144；143′，144′)及其功能设置和与连接销的相互作用以及连接销本身一同纳入本专利申请当中。同样，就此借助参引将本申请人的德国专利申请de102015206826.9的紧固装置(其中的附图标记为140、140′)一同纳入本专利申请当中。利用在此公开的技术可以有益地将力和力矩从车体向压力容器中传递。因此能够经济地、几乎重量中性(gewichtsneutral，即不增加重量)地且结构空间需求少地显著提高机动车的总体刚性。
在此公开的技术此外还涉及一种机动车，特别是双轮辙的机动车，其包括在此公开的压力容器。压力容器的连接销能够有益地与机动车的车体接合元件(例如前述的固定机构)按如下方式耦联，即：使得力和/或力矩能够从车体传递到压力容器中。压力容器(特别是所述至少一个拱顶罩、所述内胆和所述纤维增强层)可以构造成用于传递力和/或力矩，这些力和/或力矩在量值方面大于由压力容器的和其内含有的燃料的质量(重量)在运行中所产生的力和/或力矩(例如重力、横向加速度等等)，例如至少为2.5、4、8、10、20或者100倍。优选在至少一个压力容器的两个端部上分别设置有一个拱顶罩。因此能够有益地将力在压力容器的第一端部p1上从车体导入压力容器中以及在该压力容器的第二端部p2上重新导出到车体中。该压力容器因此可以构成为承载的压力容器或者说车体的加固元件。
此外，所述拱顶罩可以包括销栓，这些销栓同样从拱顶罩的表面向外凸起。优选所述销栓不由纤维增强层中伸出。销栓特别是可以用于将经由连接销导入拱顶罩的力导入到纤维增强层中。销栓优选比连接销更短和/或更细。因此能够有益地降低拱顶罩的重量和材料成本。
优选所述连接销和/或销栓按如下方式设置，即：与在没有连接销和/或销栓的构造设计中相比，能够在(一个/多个)端部上沿着周向方向u铺放纤维增强层的更多的增强纤维。换言之，连接销和/或销栓能够按如下方式构造和设置，即它们起到辅助缠绕和/或辅助编结的作用，方式是：纱条在侧面得到支撑并且因此即使在例如不是按经纬走向
特别优选所述销栓和/或连接销与压力容器的孔间隔开距离地设置。例如，销栓和/或连接销可以与中心纵轴线a-a沿着径向方向间隔开至少100mm、优选至少150mm或者至少200mm设置。进一步优选所述销栓和/或连接销可以与压力容器的颈部的外周沿着径向方向间隔开至少30mm、优选至少50mm或者至少100mm设置。例如，销栓可以分布在拱顶的整个面上。优选地，连接销可以与中心纵轴线a-a沿着径向方向间隔开至少外半径的一半、优选至少外半径的三分之二设置。在此，外半径是内胆在(基本上)圆柱形侧周区域m中所具有的平均半径。如果销栓和/或连接销这样地间隔开设置，那么力和/或力矩能够特别好地导入压力容器中。
所述连接销和/或销栓除了圆形的横截面几何形状之外也可以具有其他的横截面几何形状(例如椭圆形的或者长形的横截面几何形状)。它们特别是按如下方式构造和设置，即：使得纤维增强层的纤维能够在相邻的销栓与连接销之间延伸。
所述拱顶罩特别是可以与压力容器的端口构造成一体。换言之，拱顶罩本身可以用于将可能存在的燃料管道与压力容器相接。因此拱顶罩例如可以具有一个颈部，燃料管道可以通过法兰连接在该颈部上。“一体的”就此而论意味着：拱顶罩由一种材料制成。
所述拱顶罩可以至少局部直接或间接地贴靠或者说靠置在内胆上和/或必要时在接缘上。“间接地”就此而论意味着：在拱顶罩与内胆和/或端口之间可以设置至少一个中间层。该中间层例如可以用于防止两种金属材料之间的接触腐蚀。中间层也可以用于在编结过程和/或缠绕过程期间对拱顶罩进行固定。作为中间层，同样可以使用纤维增强层。
在此公开的技术此外还涉及一种用于制造压力容器的方法。该方法包括如下步骤：
-制备用以储存燃料的内胆；
-制备至少一个拱顶罩，
其中，拱顶罩和内胆设计成如其在此所公开的那样；和
-敷设纤维增强层，其中，该纤维增强层将拱顶罩至少部分地覆盖，并且拱顶罩的连接销由纤维增强层中伸出。
纤维增强层或者说包罩外壳通常在缠绕过程中和/或在编结过程中制造而成。优选所述纤维增强层的厚度至少局部小于至少两个连接销的长度，使得连接销在压力罐的安装位置状态中能够直接或者间接地耦联到车体上。
在此公开的技术披露了一种构件，该构件用于将机械负荷导入压力容器在拱顶区域内部的纤维复合材料铠装加强层中。其涉及的是一种刚性的、圆顶状的壳体或者说拱顶罩，该拱顶罩具有大量沿法向设置在凸状表面上的销栓，这些销栓将层压复合材料(＝纤维增强层)在其整个厚度上从内向外贯穿。这些销栓中的几个设计成较粗的、相对于极孔
在作为用于负荷导入的纯拱顶罩的实施方式中，可以将壳体在结构上设计成例如由金属材料或者纤维复合材料构成的桁架。特别是，拱顶罩本身可以由纤维增强层构成。优选的是，至少一层增强纤维在拱顶罩中沿着周向方向u定向。针对目前的情况，也可以考虑其他一些有利于将负荷经由连接销导入层压复合材料中的变型方案。为了传递在导入扭力负荷时出现的剪切应力，松散打皱的(drapiert)±45°网垫作为用于拱顶罩的至少一个铺层的材料是有利的。视要求而定，拱顶罩可以设计为具有在两个极端情况“周向方向”与“±45°”之间的一种纤维定向，或者也可以设计为具有一种多层式、多轴向的构造结构。
附图说明
现借助示意图对在此公开的技术进行阐释。其示出：
图1为压力容器的剖视图；
图2为压力容器的另一剖视图；
图3为拱顶罩130的剖视图；和
图4为拱顶罩130的透视图。
具体实施方式
图1示出了一个压力容器的部分横剖视图，其具有内胆110和纤维增强层120。内胆110构成用于燃料的储存容积l。在前端部p1上设置有一个用于储存的燃料的出口或者说孔o。该孔o以及端口140不可视为连接销132。连接销132从拱顶罩130的表面138(参见图4)凸起。连接销132可以在该连接销132的底脚处具有一个支承加强部(未示出)。连接销32在此与拱顶罩130构造成一体，该拱顶罩在此部分地贴靠在端口140的连接段144上以及部分地贴靠在内胆110上。拱顶罩130在此伸入压力容器的或者内胆110的侧周区域m中。拱顶罩130在此完全由纤维增强层120覆盖。只有连接销132由纤维增强层120中伸出。连接销132的凸出的部分有益地用于将压力容器耦联到车体上。端口140具有一个颈部142，在此一个另外的接头元件170插入该颈部中。与连接销132相邻，同样与端口径向间隔开距离地可以设置销栓134。如果现在力和力矩从车体(未示出)传递到连接销132上，那么这些力和力矩部分地直接导入纤维增强层中。相应的连接销132与销栓134之间的拱顶罩段也可以至少部分地将这些力和力矩传递到销栓134上。销栓134将这些力和/或力矩然后力锁合地导入纤维增强层120中。此外，拱顶罩段材料锁合地将力和力矩的一部分导入纤维增强层120中。由车体传递的力和力矩于是部分地分别通过连接销132和销栓134形状锁合地以及通过拱顶罩段的表面材料锁合地传入纤维增强层120中。力和力矩因此相对而言成面状传入纤维增强层120中。点状的负荷得以减少。因此，在压力容器重量轻的同时能够传递总体上比较大的力和力矩。另外，在此公开的构造结构比较简单，因此可以经济地制造。此外，拱顶罩130本身针对于由容器内压力产生的力而增强加固了极冠。如果例如采用由纤维增强塑料构成的拱顶罩130，那么纤维可以有益地沿着周向方向设置在层压复合材料中(参见图4)。在第二端部p2上设置有一个盲堵接缘(blindboss)。拱顶罩130′在此主要是贴靠在内胆110上。在其他方面，拱顶罩130′基本上与拱顶罩130相符。
图2示出了压力容器的另一构造设计。下面只对与图1实施方式相比的不同之处进行阐述。所有其他的特征基本上相同。此处示出的压力容器具有这样的拱顶罩130，接缘或者端口140一同整合在该拱顶罩中。该拱顶罩130因此还包括边圈段或者颈部段142，接头元件170可以插入该颈部段中。在此，拱顶罩130朝向圆柱形侧周区域便是终结于过渡区域
在图3中示出了拱顶罩130的剖视图，其例如可以使用于图1的压力容器中。连接销132从拱顶罩130的表面138垂直地向外凸起。拱顶罩130在此由铝板成形制成。然而同样可以使用其他的材料。拱顶罩在此具有一个圆形的底面。在中心设置有孔138。
图4示出了拱顶罩130的透视图，在该透视图中附加地绘入了周向方向。
在图1至4中示出的是长形的压力容器，该压力容器具有一个圆柱形区域m和相应成拱形的端部p1、p2。然而也可以考虑采取其他的压力容器形状并且一起囊括于在此处公开的技术之中。例如，压力容器可以具有椭圆的基本形状。圆柱形区域m也可以构造得更加凸鼓。于是在圆柱形区域m中直径可以有所变化。压力容器也可以构造成非旋转对称的。
前面对本发明的说明仅仅用于解释性目的，而非用于限制本发明之目的。在本发明的框架下，可以实现一些不同的改变和变型，而并不脱离本发明及其等同方案的范围。
附图标记列表
110内胆
120纤维增强层
130拱顶罩
132连接销
134销栓
136罩盖孔
138表面
140接缘/端口
142颈部
144连接段
170接头元件
o孔
a-a压力容器纵轴线
u周向方向
m侧周区域
p1，p2端部，极冠区域