(57)【要約】  本発明は、強化されたポールキャップ（２２）を備えた圧力容器（１）およびそのような圧力容器（１）を製造するための方法に関し、圧力容器は、円筒形状中央部（２１）の内側容器（２）と、中央部（２１）を両側で閉じる２つのドーム形状のポールキャップ（２２）と、圧力負荷に対する内側容器（２）の強化のために内側容器（２）上に巻き付けられた外側層（３）とを備え、外側層（３）は、少なくとも１つのポールキャップ強化層（３１）と、繊維複合材料（ＦＶＭ）の圧力容器強化層（３２）とを備え、ポールキャップ強化層（３１）は、ポールキャップ（２２）を少なくとも部分的に覆い、圧力容器強化層（３２）は、ポールキャップ（２２）および中央部（２１）を覆い、輪郭安定性プリフォーム（５）は、ポールキャップ（２２）の少なくとも１つ、好ましくはポールキャップ（２２）両方上にポールキャップ強化層（３１）として配置される。
2019507851.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状中央部（２１）からの内側容器（２）と、前記中央部（２１）を両側でそれぞれ閉じる２つのドーム形状のポールキャップ（２２）と、圧力負荷に対する前記内側容器（２）の強化のために前記内側容器（２）上に巻き付けられた外層（３）とを備える圧力容器（１）であって、前記外層（３）は、少なくとも１つのポールキャップ強化層（３１）と、繊維複合材料（ＦＶＭ）の圧力容器強化層（３２）とを備え、前記ポールキャップ強化層（３１）は、前記ポールキャップ（２２）を少なくとも部分的に覆い、前記圧力容器強化層（３２）は、前記ポールキャップ（２２）および前記中央部（２１）を覆い、輪郭安定性プリフォーム（５、５１、５３）は、前記ポールキャップ（２２）の少なくとも１つ、好ましくはポールキャップ（２２）両方上に前記ポールキャップ強化層（３１）として配置される、圧力容器（１）。
【請求項２】
前記輪郭安定性プリフォーム（５、５１）は、繊維材料（Ｆ１）から編組された輪郭安定性プリフォーム（５１）であり、前記ポールキャップ周縁（２５）における前記繊維材料（Ｆ１）の編組角度（ＦＬＷ）は少なくとも１４０°、好ましくは少なくとも１５０°、特に好ましくは少なくとも１６０°であることを特徴とする、請求項１に記載の圧力容器（１）。
【請求項３】
前記円筒状中央部（２１）の円筒軸（Ｚ）に本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸（５２）は、前記編組されたプリフォーム（５１）に編組されることを特徴とする、請求項２に記載の圧力容器（１）。
【請求項４】
前記輪郭安定性プリフォーム（５、５３）は、ドレープ可能な支持材料（５４）上に縫い付けられた繊維材料（Ｆ１）からなり、好ましくは前記繊維材料（Ｆ１）は、前記支持材料（５４）上に螺旋状に縫い付けられることを特徴とする、請求項１に記載の圧力容器（１）。
【請求項５】
前記円筒状中央部（２１）の円筒軸（Ｚ）に本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸（５５）は、前記支持材料（５４）上に縫い付けられることを特徴とする、請求項４に記載の圧力容器（１）。
【請求項６】
前記支持材料（５４）は、接着剤層（５６）によって前記ポールキャップ上に直接取り付けられることを特徴とする、請求項４または５に記載の圧力容器（１）。
【請求項７】
前記プリフォーム（５、５１、５３）は、前記圧力容器強化層（３２）の、前記ポールキャップ（２２）に重複して巻き付けられたまだ湿潤している繊維複合材料Ｆ２の少なくとも一部上で摺動され、前記圧力容器強化層（３２）のマトリックス材料によって前記ポールキャップ（２２）の領域内に固定されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の圧力容器（１）。
【請求項８】
前記圧力容器強化層（３２）は、前記ポールキャップ強化層（３１）を覆い、前記プリフォーム（５、５１、５３）は、輪郭安定性を確立するために前記ポールキャップ（２２）上に固定され、好ましくは前記プリフォーム（５、５１、５３）は、熱可塑性マトリックスを用いて生み出され、プラスチック材料の前記ポールキャップ（２２）によって少なくとも時間通りにヒートシールされることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧力容器（１）。
【請求項９】
前記プリフォーム（５）は、前記ポールキャップ上に堆積するための硬化したプリフォームであり、前記プリフォーム（５）の内側輪郭（５ｉ）は、前記ポールキャップ（２２）に合わせて適応され、前記プリフォーム（５）の外側輪郭（５ａ）は、前記圧力容器強化層（３２）をその上に堆積できるように設計され、前記外側輪郭（５ａ）は、ここでは前記ポールキャップ（２２）の前記周縁領域（２５）における前記内側容器（２）の前記中央部（２１）の延長部を構成するように設計され、前記圧力容器強化層（３２）は、径方向に巻き付けられた内層（Ｆ２ｉ）を含み、前記内層は、連続層として前記中央部（２１）上に、および前記圧力容器強化層（３２）の１つまたは複数の外層（Ｆ２ａ）による前記プリフォーム（５）全体の後続の重複巻き付けのために前記周縁領域（２５）内の前記外側輪郭（５ａ）上に直接的に巻き付けられ、好ましくは、前記プリフォーム（５）は、前記ポールキャップ（２２）の前記周縁領域（２５）において前記圧力容器強化層（２２）によって重複して巻き付けられる前記外側輪郭（５ａ）の境界部として停止ノーズ（５７）を含むことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の圧力容器（１）。
【請求項１０】
請求項１に記載の圧力容器（１）の製造のための方法（１００）であって、前記圧力容器は、円筒形状中央部（２１）の内側容器（２）と、いずれの場合も前記中央部（２１）を両側で閉じる２つのドーム形状のポールキャップ（２２）と、圧力負荷に対する前記内側容器（２）の強化のために前記ポールキャップ（２２）および前記内側容器（２）上に巻き付けられた外層（３）とを備え、前記外層（３）は、少なくとも１つのポールキャップ強化層（３１）と、繊維複合材料（ＦＶＭ）の１つの圧力容器強化層（３２）とを備え、前記方法は、
前記ポールキャップ（２２）の少なくとも１つ、好ましくはポールキャップ（２２）両方のための前記ポールキャップ強化層（３１）として輪郭安定性プリフォーム（５、５１、５３）を、編組法（１１２）によって、または繊維材料をドレープ可能な支持材料（５４）上に縫い付ける（１１６）ことによって製造するステップ（１１０）と、
前記ポールキャップ強化層（３１）が前記ポールキャップ（２２）を少なくとも部分的に覆うように前記ポールキャップ強化層（３１）を前記ポールキャップ（２２）に施与するステップ（１２０）と、
前記圧力容器強化層（３２）を前記ポールキャップ（２２）および前記中央部（２１）に施与するステップ（１３０）であって、好ましくは前記圧力容器強化層（３２）は外側から前記ポールキャップ強化層（２２）に施与される、ステップと、を含む、方法。
【請求項１１】
前記輪郭安定性プリフォーム（５、５１）の前記製造ステップ（１１０）は、繊維材料（Ｆ１）からの前記輪郭安定性プリフォーム（５、５１）の編組み（１１２）を含み、前記ポールキャップ（２２）の周縁（２５）における前記プリフォーム（５、５１）の編組角度（ＦＬＷ）は少なくとも１４０°、好ましくは少なくとも１５０°、特に好ましくは少なくとも１６０°である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記編組は、前記円筒状中央部（２１）の前記円筒軸（Ｚ）に本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸（５２）の追加の編組（１１４）のさらなるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
縫い付け（１１６）による前記輪郭安定性プリフォーム（５、５３）の前記製造ステップ（１１０）は、前記支持材料（５４）上への前記繊維材料の螺旋状の縫い付けを含み、好ましくは前記円筒状中央部（２１）の前記円筒軸（Ｚ）に本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸（５５）は、前記支持材料（５４）上に縫い付けられる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記プリフォーム（５、５１、５３）の前記ポールキャップ（２２）への固定のために、熱可塑性マトリックスを用いて製造された前記プリフォーム（５、５１、５３）を前記ポールキャップ（２２）に少なくとも時間通りにヒートシールする（１１８）追加のステップをさらに含む、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
追加のステップ、すなわち、
前記ポールキャップ（２２）に適応された内側輪郭（５ｉ）と圧力容器強化層（３２）をその上に堆積することができるように設計された外側輪郭（５ａ）とを備えた前記プリフォーム（５）を硬化させるステップ（１４０）であって、前記外側輪郭（５ａ）は、前記ポールキャップ（２２）の前記周縁領域（２５）において前記内側容器（２）の前記中央部（２１）の延長部を構成するように設計される、ステップと、
前記圧力容器強化層（３２）の径方向の巻き付けとして内層（Ｆ２ｉ）を、前記中央部（２１）上および前記周縁領域（２５）において前記外側輪郭（５ａ）上に直接的に、好ましくは、前記ポールキャップ（２２）の前記周縁領域（２５）において前記圧力容器強化層（２２）によって重複して巻き付けられる前記外側輪郭（５ａ）の境界とする前記プリフォーム（５）の停止ノーズ（５７）まで巻き上げるステップ（１５０）と、
その後、前記圧力容器強化層（３２）の１つまたは複数の外層（Ｆ２ａ）を前記プリフォーム全体（５）上に巻き上げるステップ（１３）と、を含む、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化されたポールキャップを有する圧力容器およびそのような圧力容器を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維複合材料の繊維強化された圧力容器の市場は継続的に成長している。天然ガスおよび分解ガスの抽出の増加により、対応するパイプライン網のない国では、圧力容器内の貯蔵が必要とされる。また、燃料電池車の開発に高く関わる自動車セクタが存在し、ここでは、燃料は、圧力容器内の高圧下で水素ガスの形で貯蔵される。高い圧力を有する圧力容器の輸送は、不必要に大きなエネルギー量を消費し、したがって過度に高い輸送費を引き起こすので、軽い圧力容器が圧力容器の輸送に望ましい。
【０００３】
現在使用されている圧力容器は、円筒状中央部を有し、その上には、中央部の閉鎖のためのポールキャップが両側に位置し、このポールキャップは、例えば繊維巻き付け法を用いて製造される。ここでは、（圧力容器の容器内側に）ライナが使用されており、このライナは、一方では巻き付けコアとして機能し、他方では容器の不通気性も保証する。圧力容器の製造のために、このライナは繊維複合材料による強化のために重複して巻き付けられ、その結果得られる圧力容器はその安定性を維持する。タイプ３の圧力容器はアルミニウムまたは鋼の金属ライナを使用し、一方でタイプ４の圧力容器はプラスチックライナを使用する。
【０００４】
乾燥または予め含浸された繊維（主に炭素繊維）がライナ上に編組される、巻き付け方法と競合する、いわゆるオーバーブレーディング法が存在する。ライナは、これにより、必要な繊維強化が達成されるまで前後に編組される。記載した２つの製造方法では、積層構造は著しく異なる。オーバーブレーディング処理では、編組ボビンの数および使用される繊維の厚さの結果、特定の繊維角度を生じさせ、この角度は小さい限界内でのみ変動し得るため、繊維角度に関する変動の可能性はより大きく限定される。オーバーブレーディング処理の欠点は、繊維の堆積方向、特に小径から大径への編組か、またはその逆の編組かに応じた、繊維畝および異なる積層品質である。繊維畝は、例えば、繊維束が経糸によって、それぞれチェーン糸によって織られ保持されている繊維複合体の場合、組織内の繊維の方向転換を指す。これは、縦糸によって引き起こされる繊維束の逸脱につながり、それによって組織の繊維平行強度の低下をもたらす可能性がある。
【０００５】
巻き付け法では、円周方向巻き付けと軸方向巻き付けとに区別される。円周方向巻き付けは、容器の軸に対して８０〜９０°の繊維堆積角度を有し、軸方向層は、軸に対して１０〜７０°の角度を有する。理論的には、すべてのワインダは、圧力容器の円筒状部分において０°から９０°の間で実装可能であるが、張力条件が特殊な積層構造を決定するため、これは事実上意味をなさない。巻き付けられた圧力容器の積層構造は、周囲方向に巻き付けられた糸が滑り落ち、ライナクランプ部における停止部までしか進まないため、ポールキャップ領域において周囲方向の強化が不可能であるという欠点を明らかにしている。この欠落した周辺強化は、対応する軸方向巻き付けによって補償されなければならず、その理由は、そうでなければ容器がポールキャップ領域で早期に故障するからである。この欠点は、必要な軸方向巻線はポールキャップ領域に部分的にのみ必要であり、圧力容器の円筒状領域では不必要であることである。結果として、特に長い容器の場合、不必要に多量の繊維が処理され、それによって容器のコストおよび重量を増加させる。
【０００６】
したがって、少ない材料消費で製造可能であり、可能な限り軽量にすることができる圧力容器が利用可能になれば望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、同じ強度特性を維持しながらよりコスト効率よく製造することができる圧力容器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、円筒形状中央部の内側容器と、いずれの場合も中央部を両側で閉じる２つのドーム形状のポールキャップと、圧力負荷に対する内側容器の強化のために内側容器に巻き付けられた外層とを備える圧力容器であって、外層は、少なくとも１つのポールキャップ強化層と、繊維複合材料の圧力容器強化層とを備え、ポールキャップ強化層は、ポールキャップを少なくとも部分的に覆い、圧力容器強化層は、ポールキャップおよび中央部を覆う、圧力容器によって達成される。
【０００９】
円筒形状圧力容器は、ここでは中央部と呼ばれる円筒状部分を含み、円筒状部分は、円筒形軸に垂直な円形断面を有する。この圧力容器内に圧力下でガスを貯蔵することができるように、中央部の円筒面は、ドーム形状の蓋面で閉じられる。これらの幾何学的考察は、内側容器と、たとえばプラスチックの内側容器の場合に、内側容器を強化するために内側容器上に巻き付けられた外層とを有する圧力容器にも同様に適用される。一方では、このような容器は非常に軽量であり、例えば、輸送手段における用途には重要であり、他方では、プラスチックは非常に低い水素通気性を有し、所要の強度が繊維複合材料の外層によって提供されるため、例えば水素などのガスを低損失で高圧下で貯蔵することができる。したがって、本発明に係る圧力容器は、好ましくは、半球から外れた形状を有するドーム様の蓋面を有する内側容器を備え、この形状は、内側容器の円筒状中央部に隣接する蓋周縁領域では、半球面のものより強い曲率を有しながら、蓋面の中央領域は、半球面のものより小さい曲率を有する。このような特に適したドーム形状蓋面はアイソテンソイドとも呼ばれる。これにより、アイソテンソイドは、その上部に巻き付けられた繊維複合材料の外層において、繊維経路の全ての点で繊維内に一定の張力を生み出す形態を指す。用語「覆う」は、ポールキャップ強化層および圧力容器強化層を外側から内側容器に施与することを指す。
【００１０】
この場合、繊維複合材料は、通常、繊維間に固体結合を生み出すマトリックス材料に埋め込まれた２つの主構成要素、この場合は繊維からなる。それによって、繊維複合材料を、１つまたは複数の繊維から巻き付け、および／または編組みすることができ、ここで、繊維は互いにきつく接触して巻き付けられ、および／または織り込まれる。これは、繊維複合材料が所望の厚さを有し、この厚さを有する対応する外層を構成するまで、繊維がさらなる繊維層に巻き付けられおよび／または編組された繊維層を作り出す。１つの実施形態では、外層は、複数の繊維層内に、第１の繊維と、別の繊維、例えば第２の繊維とを含む。この複合材は、例えば、関与する２つの個々の構成要素のいずれかが提供することができるよりも高い強度などの、より高品質の特性を繊維複合材料に与える。繊維の長手方向の弾性率がマトリックス材料の弾性率より大きく、マトリックス材料の破断時の伸びが繊維の破断時の伸びよりも大きく、繊維の破断強度がマトリックス材料の破断強度よりも大きい場合に、繊維方向の繊維の強化効果が生じる。例えば、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維、鋼繊維、天然繊維または合成繊維のようなあらゆる種類の繊維を使用することができる。例えば、デュロマー、エラストマーまたは熱可塑性物質をマトリックス材料として使用することができる。繊維およびマトリックス材料の材料特性は当業者に知られているので、当業者は、それぞれの用途に合わせて繊維複合材料を生み出すために適切な繊維およびマトリックス材料の組み合わせを選択することができる。この場合、繊維複合領域内の個々の繊維層は、単一の繊維またはいくつかの同一もしくは異なる繊維を含むことができる。
【００１１】
ポールキャップのみがポールキャップ強化層を備えており、これは中央部上まで延びず、中央部の圧力容器の強度は圧力容器強化層によってのみ達成でき、圧力容器強化層は、円筒状中央部の形状に合わせて最適化された繊維複合層（２：１の比の円周方向および軸方向の繊維層）によって形成されるという事実により、ポールキャップの形状に合わせて最適化された繊維複合層（追加的に軸方向に位置合わせされた繊維層）によって中央部を包むことは回避される。
【００１２】
したがって、本発明に係る圧力容器は、内側容器を包むものとして外層を製造するのに必要な繊維複合材料は少なくてよく、それにもかかわらず他の圧力容器と同じ強度を有する。したがって、本発明に係る圧力容器は、同じ強度特性で、よりコスト効果高く製造することができる。
【００１３】
これらの利点は、例えば巻き付け技術と、ポールキャップの上に置かれたいわゆるプリフォームの使用とによって達成することができる。
【００１４】
この場合、輪郭安定性プリフォームが、ポールキャップの少なくとも１つ、好ましくは両方のポールキャップ上にポールキャップ強化層として配置される。プリフォームは、圧力容器強化層の巻き付けの前または最中にポールキャップに施与され、これらを円周方向に強化するテキスタイル繊維プリフォームブランクである。これにより、プリフォームは、編組法によって、またはいわゆる「繊維配置法」によって製造され、ポールキャップに施与され得る。ここで、「輪郭安定性」という用語は、後の重複巻き付け中に変位または圧縮されないように十分な固有剛性を有するプリフォームを指す。
【００１５】
１つの実施形態では、輪郭安定性プリフォームは、繊維材料から編組され、少なくとも１４０°、好ましくは少なくとも１５０°、特に好ましくは少なくとも１６０°の、ポールキャップ周縁における繊維材料の編組角度を有する輪郭安定性プリフォームである。編組角度は、交差する、それぞれ横断する繊維の間の角度であり、その角度二等分線は、円筒状中央部の円筒軸に本質的に平行である。「本質的に」という用語は、規定値から±５°の最大偏差を指す。用語「網目構造」（編組されたプリフォームは、編組角度と交差する繊維または繊維網目構造のプリフォームである）は、それによって、網目構造のプライを形成するために、可撓性材料の少なくとも２つの繊維の格子編みからの製品を指す。しかし、全て網目構造としてのプリフォームは、網目構造のいくつかのそのようなプライを含むこともできる。したがって、網目構造は単一の糸だけで作ることはできず、こうして巻き付け体とは反対のものを形成する。網目構造のプライでは、繊維（または糸）は編組角度で交差し、互いに隣接して通る繊維（糸）は、横断する繊維（糸）を交互にアンダーフローおよびオーバーフローし、それぞれ隣接する糸は反対方向にアンダーフローおよびオーバーフローを実行する。繊維材料の網目構造は、異なるきつさで生み出すことができ、それにより、個々の繊維の間には、例えばマトリックス材料によって続いて充填することができる、数およびサイズが変化する容積部が存在することができる。１つの実施形態では、網目構造は、編組角度で交差する繊維の複数の層を含む。
【００１６】
１つの実施形態では、円筒状中央部の円筒軸に本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸は、編組されたプリフォームに編組される。強化糸は、ポールキャップ領域内の曲げ荷重能力に有利である。プリフォームを編組するとき、いわゆる０°の直立糸を強化糸として容易に引き込むことができ、０°の角度は円筒軸に平行な配向に対応する。用語「本質的に」は、規定値から±５°の最大偏差を指す。ポールキャップの周縁領域に約１６０°の編組角度をもたらす編み機の配置が選択された場合、２：１（半径方向：軸方向）の比のほぼ最適な繊維複合材料が、０°の直立糸によって生み出され、これは、ボイラーの式による応力に対応する。編組角度は、円筒軸に対する距離にしたがってポールキャップ中心の方向にポールキャップ領域内で変化するが、これは、張力が減少する場合には問題はない。このように構成されたポールキャップ強化層は、繊維の堆積方向（小径から大径の編組、またはその逆の編組との間の違い）による、繊維しわおよび異なる積層品質を回避する。例えば、炭素糸を強化糸として使用することができる。
【００１７】
１つの実施形態では、輪郭安定性プリフォームは、ドレープ可能な支持材料上に縫い付けられた繊維材料からなり、好ましくは、支持材料はマットである。「ドレープ可能」という用語は、空間的に広がる形状に適応する能力を指す。縫い合わせることにより、繊維材料は所望の配向に固定される。一実施形態では、繊維材料は、支持材料上に螺旋状に縫い付けられる。
【００１８】
別の実施形態では、円筒状中央部の円筒軸に本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸が、支持材料上に縫い付けられる。同様のことが、編組されたプリフォームの強化糸について既に上述したようにこの強化糸にも当てはまる。例えば、強化糸は、同様に縫い付けられ、ポールキャップを軸方向（円筒軸に平行）に強化する。
【００１９】
別の実施形態では、支持材料は、接着剤層を用いてポールキャップに直接的に取り付けられる。接着層、例えばキャリア層上にスプレーコート層として施与されるエポキシ樹脂の層は、縫い付けられた繊維材料を有するキャリア層をポールキャップ上に摺動させた後にポールキャップにしっかりと接着させ、こうして、その後の製造工程中の滑りを防止する。
【００２０】
別の実施形態では、プリフォームは、圧力容器強化層の、ポールキャップ上に巻き付けられたまだ湿潤している繊維複合材料の少なくとも一部上で摺動され、圧力容器強化層のマトリックス材料によってポールキャップの領域内に固定される。「湿潤」という用語は、まだ硬化していない繊維複合材料を指し、この場合マトリックス材料は外側から施与された材料と依然として架橋することができる。この場合、十分なマトリックス材料、例えば樹脂を圧力容器強化層上に配置しなければならず、それにより、それ自体乾燥するプリフォームをプリフォームの輪郭安定性および架橋に十分なマトリックス材料によって含浸することができる。好ましくは、プリフォームは、熱硬化性マトリックス材料ですでに浸漬または含浸されている。この実施形態では、ポールキャップ強化層は、共通の複合材として圧力容器強化層に組み込まれる。
【００２１】
別の実施形態では、圧力容器強化層は、ポールキャップ強化層を覆い、プリフォームは、輪郭安定性を生み出すためにポールキャップ上に固定される。その結果、付加的に施与される接着剤層をプリフォーム内に有さなくてもよい。１つの実施形態では、プリフォームは熱可塑性マトリックスで製造され、プラスチック材料（例えば、熱可塑性材料）のポールキャップによって少なくとも時間通りにヒートシールされる。熱可塑性マトリックス材料は、プラスチック材料によるヒートシールを可能にする。
【００２２】
別の実施形態では、プリフォームは硬化したプリフォームであり、プリフォームの内側輪郭はポールキャップに合わせて調整され、プリフォームの外側輪郭は、圧力容器強化層がその上に堆積されるように設計され、外側輪郭は、ここではポールキャップの周縁領域において内側容器の中央部の延長部を構成するように設計され、圧力容器強化層は、径方向に巻き付けられた内層をさらに含み、内層は、連続層として中央部上に、圧力容器強化層の別の外層による後続の重複巻き付けのために周縁領域内の外側輪郭上に直接的に巻き付けられ、好ましくは、プリフォームは、ポールキャップの周縁領域において圧力容器強化層によって重複して巻き付けられる外側輪郭の境界部として停止ノーズを含む。径方向巻き付けは、圧力容器の中央部の円筒軸に対して９０°に近い繊維複合材料中の繊維方向を有する圧力容器強化層内の繊維角度を指す。
【００２３】
本発明に係る圧力容器は、例えば、ＣＮＧ圧力容器、水素圧力容器、呼吸空気ボトルおよび他の圧力容器として使用することができる。
【００２４】
円筒形状中央部の内側容器と、いずれの場合も中央部を両側で閉じる２つのドーム形状のポールキャップとを備える本発明に係る圧力容器は、たとえば、外層が、圧力負荷に対する内側容器の強化のためにポールキャップ上および内側容器上に巻き付けられるように製造することができ、外層は、少なくともポールキャップ強化層および繊維複合材料の圧力容器強化層を備え、ボールキャップ強化層は、少なくとも部分的にポールキャップを覆うようにポールキャップ上に施与され、圧力容器強化層は、ポールキャップおよび中央部に施与され、好ましくは圧力容器強化層は、ポールキャップ強化層上に外側から施与される。
【００２５】
この場合、輪郭安定性プリフォームは、ポールキャップの少なくとも１つ、好ましくは両方のポールキャップ上にポールキャップ強化層として配置される。プリフォームは、圧力容器強化層の巻き付けの前または最中にポールキャップに施与され、これらを円周方向に強化するテキスタイル繊維プリフォームブランクである。これにより、プリフォームは、編組法によって、またはいわゆる「繊維配置法」によって製造され、ポールキャップに施与され得る。
【００２６】
１つの実施形態では、輪郭安定性プリフォームは、ポールキャップ強化層として繊維材料Ｆ１から編組され、ポールキャップ周縁におけるプリフォームの編組角度ＦＬＷは、少なくとも１４０°、好ましくは少なくとも１５０°、特に好ましくは少なくとも１６０°である。追加のステップでは、円筒状中央部の円筒軸に本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸をそれによって編組することができる。
【００２７】
代替の実施形態では、輪郭安定性プリフォーム（いわゆる最適繊維配置ＴＦＰ）を製造するために、繊維材料をドレープ可能な支持材料、好ましくはマット上に縫い付けることができる。この場合、繊維材料を支持材料上に螺旋状に縫い付けることができる。さらに、円筒状中央部の円筒軸に本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸を支持材料上に縫い付けることができる。ＴＦＰ法はまた、たとえば、容器が固体表面に衝突した場合に、ポールキャップ領域におけるエネルギー吸収が必要に応じて増加するように、炭素繊維、ガラス繊維、またはケブラー繊維のような異なる繊維を互いに組み合わせる可能性も提供する。支持材料は、接着剤層によってポールキャップ上に直接取り付けられ得る。接着剤結合の代わりに、プリフォームを圧力容器強化層のまだ湿潤している繊維複合材料の少なくとも一部上で摺動させ、圧力容器強化層のマトリックス材料によってポールキャップの領域内に固定することができる。代替的に、圧力容器強化層は、ポールキャップ強化層上に覆うように施与することができ、この場合、輪郭安定性を生み出すために、プリフォームはポールキャップ上に予め固定される。この目的のために、プリフォームは、熱可塑性マトリックスを用いて製造され、プラスチック材料のポールキャップによって少なくとも時間通りにヒートシールされ得る。
【００２８】
あるいは、ＴＦＰまたは編組されたプリフォームを後続のプロセスにおいて、たとえばいわゆる樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）を用いて熱硬化性樹脂を有するモールド内で含浸および硬化させることができ、その後このようにして生み出されたポールキャップ強化層は、ライナ（圧力容器の内側容器）のポールキャップ領域上に施与される。これにより、その形状は、ポールキャップ強化層の内側輪郭が、ライナ（圧力容器の内側容器）のポールキャップの１つに対応し、外側輪郭が、負荷に応じた軸方向の巻き付けを敷接するのに適した表面を構成するように設計される。
【００２９】
別の実施形態では、ポールキャップ強化層の外側輪郭は、その中に延長領域としてポールキャップの周縁領域内で最初に連続する圧力容器の中央部の円筒状領域を有し、また、このようにして径方向巻き付けの形態の圧力容器強化層の内側プライの、ポールキャップ領域内に引き込まれる容易な堆積を可能にするように設計され得る。
【００３０】
別の実施形態では、このプリフォームは、圧力ポートにぴったりと連結することができる。その結果、重複して巻き付けられた圧力容器強化層と共に、硬化後に、プリフォームとの連結を行い、圧力ポートからの高いトルクを、圧力ポートから内側容器までの連結をひずませることなく積層体内に誘導することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
本発明のこれらおよび他の態様は、以下の図面に詳細に示される。
【図１】本発明に係る圧力容器の一実施形態の横方向断面図である。
【図２】編組された繊維複合材料のプリフォームを備えたポールキャップの領域内の本発明に係る圧力容器の実施形態の横方向断面図である。
【図３】繊維材料のプリフォームが支持材料に縫い付けられたポールキャップの領域内の本発明に係る圧力容器の実施形態の（ａ）ポールキャップの上面図および（ｂ）プリフォームを貫通する横方向断面図である。
【図４】繊維材料のプリフォームが、ポールキャップ上にドレープされた支持材料に縫い付けられたポールキャップの領域内の本発明に係る圧力容器の実施形態の横方向断面図である。
【図５】プリフォームを備えた、ポールキャップの領域内の本発明に係る圧力容器の実施形態の横方向断面図である。
【図６】本発明に係る圧力容器の製造のための本発明に係る方法の実施形態の図である。
【図７】本発明に係る圧力容器の製造のための本発明に係る方法の別の実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、本発明に係る圧力容器１の一実施形態を横方向断面図で示す。この圧力容器１は、円筒状中央部２１の内側容器２と、中央部２１を両側でそれぞれ閉じる２つのドーム形状のポールキャップ２２と、圧力負荷に対する内側容器２の強化のために内側容器２上に巻き付けられた外層３とを備え、外層３は、少なくとも１つのポールキャップ強化層３１と、繊維複合材料（省略してＦＶＭ）の圧力容器強化層３２とを備え、ポールキャップ強化層３１は、ポールキャップ２２を少なくとも部分的に覆い、圧力容器強化層３２はポールキャップ２２および中央部２１を覆う。繊維角度ＦＷ２は、それによって、中央部の円筒軸Ｚに対して９０°に近い角度であり、好ましくはＦＷ２は８０°を超える。
【００３３】
図２は、編組された繊維複合材料ＦＶＭのプリフォーム５を備えたポールキャップ２２の領域内の本発明に係る圧力容器１の実施形態を横方向断面図で示す。この輪郭安定性プリフォーム５は、ポールキャップ２２の少なくとも１つ、好ましくは両方のポールキャップ２２上にポールキャップ強化層３１として配置されている。この場合、プリフォーム５は、繊維材料Ｆ１から編組された輪郭安定性プリフォーム５１として設計され、このときポールキャップ周縁２５における繊維材料Ｆ１の編組角度ＦＬＷは少なくとも１４０°、好ましくは少なくとも１５０°、特に好ましくは少なくとも１６０°である。ポールキャップ中心２６に向かって、編組角度ＦＬＷは著しく減少する。この実施形態では、より多くの強化糸５２が、円筒状中央部２１の円筒軸Ｚに本質的に平行な配向で編組されたプリフォーム５１に編組され、ここでは明瞭化のために２本の強化糸しか示されていない。同じことが交差する繊維にも当てはまり、この場合留まる繊維を表すいくつかの繊維のみが示されている。
【００３４】
図３は、繊維材料Ｆ１のプリフォーム５３が支持材料５４（ａ）に縫い付けられたポールキャップ２２の領域内の本発明に係る圧力容器１の実施形態を（ａ）ポールキャップの上面図および（ｂ）プリフォームを貫通する横方向断面図で示す。図示するプリフォーム５３は、ポールキャップ２２の少なくとも１つ、好ましくは両方のポールキャップ２２上にポールキャップ強化層３１として配置されている。この場合、繊維材料Ｆ１は、支持材料５４上に螺旋状に縫い付けられ得る。この実施形態では、円筒状中央部２１の円筒軸Ｚに本質的に平行な配向を有する１つまたは複数の強化糸５５が、支持材料５４上に縫い付けられ得る。図４ｂに示すように、プリフォーム５３は、繊維複合材料Ｆ１、ＦＶＭおよびキャリア層５４に加えて、接着剤層５６を含む。支持材料５４は、接着剤層５６によってポールキャップ上に直接取り付けられる。この場合、強化糸５５は摺動することができ、したがってポールキャップ輪郭に合わせた再成形を可能にする。
【００３５】
図４は、繊維材料ＦＶＭのプリフォーム５３がポールキャップ２２上にドレープされた支持材料５４上に縫い付けられたポールキャップ２２の領域内の本発明に係る圧力容器１の実施形態を横方向断面図で示す。
【００３６】
図２〜４のポールキャップ強化層５、５１および５３は、圧力容器強化層３２の、ポールキャップ２２の上に巻き付けられたまだ湿潤している繊維複合材料Ｆ２の少なくとも一部の上を摺動することができ、圧力容器強化層３２のマトリックス材料によってポールキャップ２２の領域内に固定することができる。この目的のために、ポールキャップ強化層５、５１および５３は、マトリックス材料として熱硬化性材料を含み、それにより、圧力容器強化層３２との良好な架橋を生み出すことができる。
【００３７】
一方、ポールキャップ強化層５、５１、および５３が圧力容器強化層３２で覆われ、輪郭安定性を生み出すためのポールキャップ強化層５、５１、および５３がポールキャップ２２上に固定される限り、ポールキャップに対する良好なヒートシールを生み出すために、好ましくはそれ自体熱可塑性材料で生み出されることを可能にするために、ポールキャップ強化層５、５１、および５３は、熱可塑性材料をマトリックス材料として含む。
【００３８】
図５は、ポールキャップ２２のための挿入構成要素としてプリフォーム５を有する圧力容器１の別の実施形態を示す。ＴＦＰまたは網目構造プリフォーム５は、後続のプロセス、たとえばいわゆる樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）を用いてデュロプラスチック樹脂を有するモールド内で含浸および硬化され、その後これは、ポールキャップ強化層３１として内側容器２のポールキャップ領域２２上に施与された。それによって、このようにして設けられたポールキャップ強化層３１の形状は、プリフォーム５の内側輪郭５ｉがポールキャップ２２のものに対応し、外側輪郭５ａが、負荷にしたがって圧力容器強化層３２の軸方向繊維巻き付けＦ２を堆積するのに適した表面を構成するように設計される。
この場合、外側輪郭５ａは、その中で、内側容器２の中央部２１が最初に延長領域としてポールキャップ２２の周縁領域２５内で続くように設計することができ、したがって、ポールキャップ領域内に引き込まれた径方向の巻き付け（周方向の巻き付け）の形の圧力容器強化層３２の内層Ｆ２ｉの堆積は、停止ノーズ５７に至るまで容易にされる。この場合、このプリフォーム５は、圧力連結部４にぴったりと配置され得る。その結果、重複して巻き付けられた圧力容器強化層３２と共に、硬化後に、プリフォーム５との連結を行い、圧力連結部４からの高いトルクを、圧力連結部４から内側容器２までの連結をひずませることなく積層体内に誘導することができる。
【００３９】
図６は、図１に示す圧力容器を製造するための本発明に係る方法１００の実施形態を示しており、この方法は、ポールキャップ２２の少なくとも１つ、好ましくは両方のポールキャップ２２のためのポールキャップ強化層３１として輪郭安定性プリフォーム５、５１、５３を、編組法１１２によって、または繊維材料をドレープ可能な支持材料５４上に縫い付けること１１６によって製造するステップ１１０と、ポールキャップ強化層３１がポールキャップ２２を少なくとも部分的に覆うようにポールキャップ強化層３１をポールキャップ２２に施与するステップ１２０と、圧力容器強化層３２をポールキャップ２２および中央部２１に施与するステップ１３０であって、好ましくは圧力容器強化層３２は外側からポールキャップ強化層２２に施与される、ステップとを含む。
【００４０】
図７は、輪郭安定性プリフォーム５の製造１１０およびポールキャップ強化層の施与１２０のための、図１に示す圧力容器を製造するための本発明に係る方法１００の別の実施形態を示しており、この方法は、ポールキャップ２２に適応された内側輪郭５ｉと圧力容器強化層３２をその上に重ねることができるように設計された外側輪郭５ａとを備えたプリフォーム５を硬化させるステップ１４０であって、外側輪郭５ａは、それによって、ポールキャップ２２の周縁領域２５内に内側容器２の中央部２１の延長部を構成するように設計される、ステップと、圧力容器強化層３２の径方向の巻き付けとして内層Ｆ２ｉを、中央部２１上および周縁領域２５において外側輪郭５ａ上に直接的に、好ましくは、ポールキャップ２２の周縁領域２５において圧力容器強化層２２によって重複して巻き付けられる外側輪郭５ａの境界とするプリフォーム５の停止ノーズ５７まで巻き付けるステップ１５０と、その後、圧力容器強化層３２の１つまたは複数の外層Ｆ２ａをプリフォーム５全体上に巻き上げるステップ１３０とを含む。
【００４１】
ここに示す実施形態は、本発明の単なる例示であり、したがって、限定として理解されるべきではない。当業者によって考慮される代替の実施形態は、本発明の範囲によって等しく包含される。
【符号の説明】
【００４２】
１  圧力容器
２  内側容器
２１  内側容器の円筒状中央部
２２  内側容器のドーム形状ポールキャップ
２５  ポールキャップの周縁領域または延長領域
２６  ポールキャップ中心
３  繊維複合材料からの外層
３１  外層のポールキャップ強化層
３２  外層の圧力容器強化層
４  バルブ／圧力ポート
５  ポールキャップ強化層としての輪郭安定性プリフォーム
５ａ  プリフォームの外側輪郭
５ｉ  プリフォームの内側輪郭
５１  繊維材料から編組された輪郭安定性プリフォーム
５２  網目構造のための強化糸
５３  支持材料上に縫い付けられた繊維材料からの輪郭安定性プリフォーム
５４  支持材料
５５  プリフォーム用強化糸
５６  接着層
５７  圧力容器強化層の連結ノーズ
１００  本発明に係る圧力容器
１１０  輪郭安定性プリフォームの製造
１１２  編組法による製造
１１４  １つまたは複数の強化糸の追加の編組
１１６  縫い付けによる製造
１１８  プリフォームとポールキャップとの時間通りのヒートシール
１２０  ポールキャップ上へのポールキャップ強化層の施与
１３０  ポールキャップ上への圧力容器強化層の施与
１４０  ポールキャップに合わせて調整された内側輪郭を備えたプリフォームの硬化
１５０  圧力容器強化層の内層を、周辺領域のプリフォームの外側輪郭上に直接巻き上げる
Ｆ１  ポールキャップ強化層の繊維または繊維材料
Ｆ２  圧力容器強化層の繊維または繊維材料
Ｆ２ｉ  圧力容器強化層の内層
Ｆ２ａ  圧力容器強化層の外層
ＦＷ１  ポールキャップ強化層内の繊維角度
ＦＬＷ  ポールキャップ強化層内の編組角度
ＦＷ２  圧力容器強化層内の繊維角度
ＦＶＭ  外層、ポールキャップ強化層および／または圧力容器強化層の繊維複合材料
Ｚ  円筒状中央部の円筒軸
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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