(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（２）によって包囲される貯蔵容積を有する圧縮ガス容器（１）を製造するための方法であって、前記ケーシング（２）が、強化繊維（６、６ａ、６ｂ）から、及び少なくとも１つの硬化マトリックス材料を含むマトリックスから、単一のケーシング（２）として形成される方法において、
前記強化繊維（６）が、貯蔵ガスに対する拡散バリアまたは透過バリアを形成する第１の未硬化マトリックス材料で含浸され、そして、ロストコア（５）の周りに、及び接続要素（３）の接続領域の周りに、直接巻回され、及び／または編み込まれる第１の工程と、
次に、同じ前記強化繊維（６）が、個々の前記強化繊維（６）の高信頼性接着を可能にする第２の未硬化マトリックス材料で含浸され、そして、前記第１の工程で巻回され、及び／または編み込まれた前記強化繊維の周りに、直接巻回され、及び／または編み込まれ、前記単一のケーシング（２）を形成する第２の工程と、
を備えたことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記強化繊維（６、６ａ、６ｂ）が、炭素繊維を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マトリックスが、少なくとも前記貯蔵容積に面するその領域にポリウレタンを元にして形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ケーシング（２）が、接続要素（３）に接続されることを特徴とする、請求項１〜３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、請求項１の前文において更に詳細に定義されるタイプの圧縮ガス容器に関する。加えて、本発明は、請求項７の前文による、圧縮ガス容器を製造するための方法に関する。最後に、本発明は、本発明による圧縮ガス容器の使用、及び本発明による方法によって製造される圧縮ガス容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に車両における、例えば水素または圧縮天然ガスを貯蔵するための圧縮ガス容器は、一般的技術水準において知られている。この事例における最新の技術水準は、いわゆるタイプＩＶ圧力容器によって定義されており、該圧力容器は、金属製の接続要素、プラスチック製の内側ケーシング、いわゆる内側ライナー、並びに繊維強化プラスチックで、典型的には炭素繊維及び接着マトリックスで作製される外側ジャケットからなる。この構造は、水素の事例において、例えば７０ＭＰａの公称圧力といった高い圧力を許容する。こうした構造の不利な点は、このタイプの圧縮ガス容器が、特に水素を充填したときに、その後の動作中に高い熱的負荷及び機械的負荷を受けることである。この事例において起こる１つの問題は、特に内側ライナーが水素の拡散に対して１００パーセント密閉されるように設計することが決してできないこともあることから、水素が、内側ライナーを貫通し、繊維強化プラスチックで作製された内側ライナーとケーシングとの間で気泡を形成することである。これは、特に、利用可能な貯蔵容積を低減させるので、非常に望ましくない。更に、容器に水素が補充されるときに、連続的に内側ライナーを拡張させることによって、プラスチック材料が、繊維強化プラスチック材料で作製されたケーシングを通して押し出される場合があり、よって、水素が、環境の中へ漏出し、例えば、警報及び／または安全上危険な水素／酸素の混合物形態を引き起こす。
【０００３】
このようなタイプＩＶ圧力容器は、例えば、特許文献１において説明されている。この文書において説明される圧力容器は、内側ライナーが多層の異なるプラスチックからなる特有の構造を有するが、圧縮ガス容器の製造を極めて高コストにしている。
全般に、内側ライナーは、ガスを拡散抵抗様式で貯蔵するように収容する役割を果たすだけでなく、繊維強化プラスチックで作製されるケーシングを巻回する、または織り込むためのモールドとしても使用することができる。代替の製造方法では、この内側ライナーが不要にされ、ロストコアが挿入される。したがって、特許文献２において説明されている圧縮ガス容器は、最初に、内側ライナーを形成するためのプラスチックフィルムをロストコアに巻回し、その後に、この層を繊維強化マトリックスによって機械的支持層として包囲する。巻回された内側層を有する代替の構造、すなわち、巻回された内側層のタイプにもかかわらず、これもまたタイプＩＶ圧力容器であるが、同様に、最終的には、前掲の不利な点を有する。この文書では、このようにして、巻回した内側ライナーを特に堅固な密閉によって設計することができると述べているが、物理的な理由を除けば、これは、水素を貯蔵するときには決して１００パーセント成功することはなく、よって、この構造も同様に、前掲の不利な点を示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＤＥ  １０  ２０１０  ０３３  ６２３  Ａ１
【特許文献２】ＵＳ  ２０１３／０１０５５０１  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
よって、本発明の目的は、圧縮ガス容器及びその製造方法を規定することにあり、これらは、従来技術に勝る改善であり、特に、前掲の不利な点を回避する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を有する圧縮ガス容器によって達成される。製造方法は、請求項７において記載され、そこに記載の特徴を有する。圧縮ガス容器及び製造方法の好都合な改良点は、それぞれの従属する従属請求項から生じる。加えて、本発明による圧縮ガス容器、及び本発明による方法によって製造される圧縮ガス容器の特に好ましい使用は、請求項１０に規定されている。
【０００７】
本発明による圧縮ガス容器は、従来技術の圧縮ガス容器のように、貯蔵容積を包囲するケーシングを有し、マトリックス及び強化繊維を含む。しかしながら、本発明によれば、ライナーは、省略される。代わりに、本発明による圧縮ガス容器では、貯蔵容積に面するケーシングの領域と、ケーシングの周囲に面するケーシングの領域との間のマトリックスの組成を少なくとも一度変化させる。その結果、マトリックスの異なる特性を１つの単一のケーシングに実現することができる。これは、ライナーを省略し、したがって、典型的に内側ライナーに伴って起こる問題及び不利な点を回避することができる。上で適用された命名法によれば、このような圧縮ガス容器もまた、タイプＩＶ圧縮ガス容器と称することができる。これは、単一のケーシングで作製され、ケーシングの厚さを通じてマトリックスの組成を少なくとも一度変化させることを通して、すべての必要な特性を１つの単一のケーシングに組み合わせる。
【０００８】
本発明による圧縮ガス容器の１つの好都合な改良点によれば、マトリックスが、貯蔵容積が面する領域において貯蔵されるガスに対する拡散密閉に関して、及び周囲に面する領域においてマトリックスを通した繊維の機械的接着特性に関して、最適に形成されることが提供される。したがって、強化繊維を包囲するマトリックスの材料は、繊維の互いに対する安全かつ高信頼性の接着を確実にするために、内側領域において、貯蔵容積に面する領域において特に堅固な密閉によって形成され、また、外側領域において、すなわち周囲に面する領域において、特に良好な機械的特性を有し、物理的な可能性の１つとして最大限に拡散抵抗性である更に内側に位置する領域によって可能な限りガスを閉じ込めておくことができるので、ガスに対するシールを無視することができる。このような圧縮ガス容器は、ライナーの複雑な製造を不要にすることができるので、非常に少ないコストで製造することができる。ライナーを省略することによって、拡散密閉を提供するマトリックスの層が、マトリックスの上を覆う層に、及び両方の層を通って延在する繊維に永続的に接着されるので、ライナーと外側ケーシングとの間のガス気泡の形成などの対応する弱点も一貫して回避され、よって、非常にコンパクトで、機械的に高信頼性の構造が形成される。その結果、この構造は、増加した長期安定性を可能にする。また、いずれにしても製造コストが高い内側ライニングを不要にすることによって、複雑なタンク形状、例えば環状のタンク設計、湾曲したタンク設計、及び同類の設計が非常に容易に可能になるので、以前の構造による事例よりもはるかに柔軟性のある圧縮ガス容器の製造も可能にする。これらは、既存の設置空間に、例えば車両に最適に統合することができる。
【０００９】
本概念の１つの好都合な改良点によれば、炭素繊維を強化繊維として使用することができる。本概念の別の非常に好都合な実施形態によれば、マトリックスは、貯蔵容積に面するその領域にポリウレタンを元にして形成することができる。繊維強化ケーシングの製造中にそれに応じて硬化するこのようなポリウレタン、特に熱可塑性ポリウレタンは、容易に揮発する例えば水素などの危険なガスに対してさえも最も高い密閉特性を示す。したがって、このようなポリウレタンの使用は、本発明による圧縮ガス容器において特に好都合である。
【００１０】
本発明による圧縮ガス容器の別の非常に好ましい実施形態は、ケーシングが金属接続要素も含み、それによってケーシングが確実に接続されることを提供する。したがって、ボスとも称されるこのような金属接続要素は、従来の圧縮ガス容器でのように、特にこの金属接続要素を単一のケーシングに接続することによって、直接統合することができる。本概念の非常に好都合な改良点によれば、この事例において、接続要素への接着性を改善するための機械的保持構造及び／またはコーティングがケーシングと接触している領域に提供されることを提供することができる。この接着は、一方では、マトリックスと化学的に形成することができ、他方では、挿入すること、例えばこれらが存在する場合には構造の中に織り込むこと、または該構造の間に巻回することができる強化繊維との機械的フォームロッキング接続によって形成することができるので、このようなコーティング、特に、機械的粗化との組み合わせ、例えば結節または同類のものの提供は、最適な接着を可能にする。
【００１１】
ケーシングによって包囲される貯蔵容積を有する本発明による圧縮ガス容器を製造するための方法は、ケーシングが、強化繊維及び少なくとも１つの硬化マトリックス材料から形成されることを提供する。本発明によれば、本方法は、強化繊維が、未硬化マトリックス材料で含浸され、そして、ロストコア及び接続要素の接続領域の周りに直接巻回されること、及び／または編み込まれることを提供し、マトリックス材料の組成は、ケーシングの厚さが増加するにつれて少なくとも一度変化される。このようにして、後に圧縮ガス容器となるものの形状に関して、非常に容易かつ効率的に、及び非常に高い柔軟性でこのような容器を製造することができる。ケーシングの厚さにわたってマトリックス材料の組成を変化させることによって、非常に容易かつ効率的に、特に、既に上で説明した本発明による圧縮ガス容器の特性を得ることができる。
【００１２】
本発明による方法の１つの好都合な改良点において、マトリックス材料の異なる組成が、別のやり方として同一のマトリックスの開始材料の比率を変動させることによって得られることを更に提供することができる。具体的には、マトリックスを製造するための同じ開始材料を、ケーシングの厚さ全体を通じて使用することができる。これは、製造中に、構造を特に簡単かつ効率的にする。したがって、例えば、イソシアネート及びポリオレンに基づく樹脂系をポリウレタンマトリックスに使用することができる。これらは、強化繊維の湿潤中に、または湿潤の直前に連続プロセスで混合される。混合中に構成要素の比率を選択することによって、比較的広い範囲内で、樹脂系の物理的特性を調整することができる。マトリックス構成要素の混合、すなわち、開始材料と互いとの比率を特に制御することによって、このようにして、ロストコアの周りへの巻回または織り込み中の、ケーシングの特性の特定の変動を達成することができる。内側層のバリア特性に関して、すなわち、特に、後のガスの貯蔵に対する拡散密閉に関して、特に、内側層を最適化することができる。外側層は、それらの機械的特性に関して、すなわち、繊維が互いに特に確実に接着され、したがって、非常に良好で高信頼性の機械的構造が形成され、高い負荷容量を有するような方法で、最適化することができる。
【００１３】
上で述べたように、本発明による圧縮ガス容器、または本発明による方法によって製造される圧縮ガス容器は、特に、その形状に関して非常に柔軟に、更には、非常にコスト効率的に、また同時に、高信頼性かつ安全に製造することができる。これは、本発明による圧縮ガス容器、または本発明による方法によって製造される圧縮ガス容器を、高容積における用途、すなわち、特に、水素または圧縮天然ガスによって駆動される車両における貯蔵用途に特に適したものにする。高い信頼性及び安全性は、特にこのような用途において重要な役割を果たす。同時に、更なる重要な利点が、容器の形状を非常に柔軟に適応させることができることをもたらす。その結果、車両の中の既存の中空空間を、設置空間最適化様式で利用することができ、その結果、本発明による圧縮ガス容器による、または本発明による方法によって製造される圧縮ガス容器による車両の範囲を増加させる。したがって、本発明による圧縮ガス容器の、または本発明による方法によって製造される圧縮ガス容器の特に好ましい使用は、ガス燃料を貯蔵する車両におけるその用途である。
【００１４】
本発明による圧縮ガス容器並びにその製造方法の追加的な好都合な実施形態もまた、図面を参照しながら下で説明される、例示的な実施形態からもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】圧縮ガス容器の詳細な分解図である。
【図２】本発明による製造方法の第１の非常に図式化された製造ステップを示す図である。
【図３】本発明による製造方法の第２の非常に図式化された製造ステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
分解図における圧縮ガス容器１の詳細は、図１の代表例において明らかである。この事例における圧縮ガス容器１は、ケーシング２から、及び接続要素、いわゆるボス３から形成される。加えて、接着剤４は、接続要素３の外周上の一点鎖線によって示され、この要素は、後にケーシング２に接続される。ボス３は、例えばスタイロフォームから作製されるロストモールド５に取り付けられる。このロストフォーム５とともに、ボスは、その後にケーシング２によって包囲される。ケーシング２は、強化繊維６、特に炭素繊維を備える。これらの繊維は、図１の代表例において示されて、また、部分的に参照番号６が提供される。これらの繊維は、後に貯蔵容積となるものを包囲し、ロストモールド５がそれに応じて除去されたときに、例えば、後に化学溶媒による溶解によって圧縮ガス容器２となるものから洗い流されたときに、ロストモールド５が該貯蔵容積に取って代わる。後に貯蔵容積となるものまたはロストモールド５に面する強化繊維６は、図１の代表例において点によって表される。その後に、６ａによって示されるこれらの繊維は、第１のマトリックス材料を介して互いに接着されるが、それは、以下で詳細に論じられる。ロストモールド５または貯蔵容積の反対側に面して位置する、すなわち、後の圧縮ガス容器１となるものの周囲に面する追加的な強化繊維６は、図１の代表例において破線によって表され、６ｂによって識別される。これらの繊維は、同じ繊維６であるが、異なるマトリックス材料によって提供される。
【００１７】
圧縮ガス容器１の製造は、巻回した強化繊維６で作製されるケーシング２の構造の一実施例として、図２及び図３に例示的に示される。この構造は、例えば層状に交互させて、編み込み繊維６または巻回及び編み込みを組み合わせた繊維６によっても同様に実現することができる。
【００１８】
図２の代表例では、右側への強化繊維６が実線として表される。この強化繊維は、装置７を通過し、該装置においてマトリックス材料で含浸される。例示的な代表例では、マトリックス材料のための２つの供給容器８ａ、８ｂが明らかである。供給容器８ａからのマトリックス材料による繊維６の含浸は、図２の代表例において行われ、該図は、ロストモールド５への、すなわち、後に貯蔵容積に面する層になるものへの内側層の巻回を示す。このマトリックス材料は、硬化すると、後に圧縮ガス容器１に貯蔵されるガスに対する拡散バリアまたは透過バリアとして理想的にする特性をマトリックスが有することを確実にする。更に進めると、この時点で含浸された繊維６は、供給容器８ａからのマトリックス材料で含浸された結果として、図１の代表例のように点で表され、また、６ａによって識別される。繊維６ａは、この実施例において、ロストコア５に巻回され、内側層を形成し、一方では、マトリックス及び強化繊維６による機械的特性を示し、他方では、強化繊維６が供給容器８ａからのマトリックス材料で含浸された結果として、所望の拡散バリアまたは透過バリアを形成するための非常に良好な特性を有する。
【００１９】
製造プロセスの更なる過程は、図３の代表例において明らかである。同じ繊維６は、次に、装置７に送られる。この時点で、繊維６は、供給容器８ｂからのマトリックス材料で含浸される。含浸された繊維６は、その後に６ｂによって識別され、図１の代表例のように破線によって表される。次いで、この繊維６ｂは、ケーシング２の更に外側にあるプロファイルで、ロストコア５に巻回される。次いで、供給容器８ｂにストックされたマトリックス材料を、特に、ここでは透過抵抗または拡散抵抗が従属的な役割を果たし、一方で、機械的特性が、個々の繊維６の高信頼性接着に関して好ましくなるような方法で形成することができる。これは、単一の一体型ケーシング２の全体的な構造をもたらし、これは、貯蔵容積またはロストコア５に面するその内側領域において、外側領域における特性と異なる特性を示す。これは、圧縮ガス容器１の拡散密閉の機能並びに機械的負荷容量の両方を簡単かつ効率的に改善することを可能にする。
【００２０】
供給容器８ａ、８ｂの２つの異なるマトリックス材料の本明細書で説明される使用に加えて、当然、異なる比率で混合されるマトリックスのための同じ開始材料を使用することも考えられ、また、使用することができる。このような構造は、特に、特性の連続的な変化、すなわち、ケーシング２の内側からその外側へのマトリックス材料の混合比率の連続的な推移を可能にし、よって、特性の急激な変化を控えることによって、ケーシング２のより高い安定性及び改善された機械的強度を達成することができる。
【図１】
0006757720.tif 000002
【図２】
0006757720.tif 000003
【図３】
0006757720.tif 000004