压力罐的制作方法

本发明涉及一种压力罐，该压力罐被设计用于储存加压的流体。

背景技术：

1、用于储存加压流体(例如燃料或气体)的压力罐已被广泛应用经年。特别是在使用氢等替代燃料来驱动车辆的过程中，对于压力罐的重量、安全性和制造成本方面的要求不断提高。已知的压力罐通常只是通过成本高昂的强化来获得足够的安全性，这大大增加了这种压力罐的重量和成本。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是提供一种压力罐，该压力罐能够更好地适应日益提高的要求，特别是可以减少材料投入。

2、本发明的目的通过一种压力罐来实现，该压力罐被设计用于储存加压的流体，该压力罐包括衬管(liner)，该衬管包括基本圆柱形的部分并在该圆柱形部分的轴向端部处分别包括一个封闭盖，其中该圆柱形部分定义了一中心轴线，其中该中心轴线与每个封闭盖的交点定义一个封闭盖的极点，其中在衬管的外侧布置有第一多条纤维带，该第一多条纤维带沿着衬管的周向方向相对于彼此被布置为，相邻的纤维带开始于基本上相同的纵向起始位置，关于衬管的周向方向遵循相同的转动方向，并且关于衬管的纵向方向遵循基本相同的角度，并且结束于基本相同的纵向终止位置，其中相应的终止位置比相应的起始位置更靠近第一多条纤维带所对应的极点，其中，在所述第一多条纤维带的外侧布置有第二多条纤维带，该第二多条纤维带沿着衬管的周向方向相对于彼此被布置为，相邻的纤维带开始于基本相同的纵向起始位置，关于衬管的周向方向遵循相同的转动方向，并且关于衬管的纵向方向遵循基本相同的角度，并且结束于基本相同的纵向终止位置，其中相应的终止位置比相应的起始位置更靠近第一多条纤维带所对应的极点，其中第一多条纤维带和第二多条纤维带至少部分重叠，并且其中第一多条纤维带所遵循的转动方向与第二多条纤维带所遵循的转动方向相反。

3、在这一点上应该注意：“所对应的极点”是指更靠近所考虑的各个纤维带的极点。此外，“纵向方向”是指在压力罐上平行于衬管中心轴线延伸的方向。纤维带关于衬管的纵向方向安装在衬管上的角度可以特别不同于0°和/或90°。表述“至少部分重叠”应该被理解为一第一纤维带在其外主表面处被一第二纤维带覆盖，特别是在两个纤维带之间没有贯穿和/或在相邻的纤维带之间不发生交织。换言之，第一多条纤维带，必要时除了第一多条纤维带的相邻纤维带的重叠区域之外，在沿着衬管表面的相应法线的方向上观察可以布置在距衬管表面的第一距离处，并且第二多条纤维带，也是必要时除了第二多条纤维带的相邻纤维带的重叠区域之外，在沿着衬管表面的同一相应法线的方向上观察可以布置在距衬管表面的第二距离处，其中第一距离特别地小于第二距离。

4、例如，第一多条纤维带可以作为由多条基本平行布置的纤维带组成的沿周向方向延伸的环(也称为“基础带”)安装在衬管中，因此第一多条纤维带可以形成一个沿周向方向观察基本闭合的表面。纤维带可以在此以关于衬管的纵向方向预定的角度沿着中心轴线安装在衬管上，其中该角度特别是对于第一多条纤维带的所有纤维带而言可以是基本相等的。由此可以形成倾斜条带的环形统一条带图案。在第一多条纤维带的径向外侧，现在可以布置第二多条纤维带，该第二多条纤维带同样以关于衬管的纵向方向预定的角度并沿其周向方向环绕地(也称为“偏移带(offset belt)”)安装，其中第一多条纤维带的纤维带的角度不同于第二多条纤维带的纤维带的角度。特别是，该角度在与压力罐的等高线的相应交叉点处，也就是在压力罐的相同的纵向位置处，可以数值相等，但是关于衬管的纵向方向符号不同，例如+30°和-30°。通过将第二多条纤维带布置在第一多条纤维带上，第二多条纤维带又可以形成沿周向方向观察基本闭合的表面，该表面从外侧覆盖由第一多条纤维带形成的表面，特别是覆盖至少90％。

5、第二多条纤维带径向叠加在第一多条纤维带的外侧的应用，可以实现第一多条纤维带的纤维带相对于第二多条纤维带的纤维带的非对称布置，因为在这种叠加中，第一多条纤维带和第二多条纤维带是被布置在距衬管的中心轴线不同的径向距离处。

6、通过第一多条纤维带和第二多条纤维带在衬管上的这种根据本发明的布置，可以减少、特别是在很大程度上避免由纤维带形成的增强层的系统性波纹(systematischewellung)。因此，基本上所有安装的纤维带，也就是全部安装在衬管上的承载纤维材料，都可以被加载到接近于基材的理论载荷极限。

7、通过这种沿径向方向看交叉布置的重叠的纤维带，能够均匀地增强衬管，使得作用在衬管上的载荷能够被均匀地吸收。从专业用语上讲，当针对相对于衬管的中心轴线具有第一布置角度的每一层纤维带均布置有相对于衬管的中心轴线具有第二布置角度的第二层纤维带(其中第二布置角度与第一布置角度数值相等且符号改变)时，也可以将其称为所谓的“平衡层压(ausgeglichenes laminat)”。

8、与常规的以纤维材料缠绕衬管不同的是，纤维带的这种条带式安装可以避免不必要的重叠，从而整体上节省纤维材料。

9、纤维带可以包括许多单个纤维或许多单个纤维束。有利地，由许多单个纤维或单个纤维束组成的小群组可以基本上平行于纤维带的纵向延伸方向伸展，其中纵向延伸方向应该例如是指长度大于宽度的长形纤维带的长度延伸的方向。在纤维带应当具有弯曲伸展的长度的情况下，纵向延伸方向也可以是弯曲的。

10、在本发明的一种扩展方案中，至少第一多条纤维带开始的纵向起始位置可以布置在衬管的圆柱形部分的区域中。由此，第一多条纤维带的纤维带可以从衬管的圆柱形部分经过圆柱形部分和封闭盖之间的过渡区域而延伸到封闭盖的区域中。由于封闭盖的区域和去往圆柱形部分的相应过渡区域与衬管的圆柱形部分相比通常抗载荷能力低，因此可以通过第一多条纤维带的纤维带的这种布置来有针对性地增强这些区域。

11、此外，第二多条纤维带开始的纵向起始位置可以比第一多条纤维带的纵向起始位置更靠近对应于第一多条纤维带的极点。因此，将第二多条纤维带的纤维带的起始位置彼此连接起来的、沿衬管的周向方向延伸的环，相对于该对应极点的纵向距离或者说沿着封闭盖的子午线方向相对于该对应极点的距离小于将第一多条纤维带的纤维带的起始位置彼此连接起来的、沿衬管的周向方向延伸的环。通过这种方式，可以减少甚至是避免由于纤维带的层中的刚性变化而引起的应力集中。

12、第二多条纤维带开始的纵向起始位置相对于与第一多条纤维带对应的极点比第一多条纤维带的起始位置更近，纵向偏移可以基本上相当于第一多条纤维带的纤维带的宽度或者一半长度。这可以避免第一和第二多条纤维带的纤维带的起始位置沿径向方向观察(也就是沿衬管表面的相应法线的方向观察)重叠，从而又可以实现纤维带对衬管的均匀增强。

13、有利地，第一多条纤维带的纤维带的长度可以与第二多条纤维带的纤维带的长度基本相同。当然也可以设想，第一多条纤维带的纤维带的所有尺寸都可以与第二多条纤维带的纤维带的尺寸基本相同。在第一和/或第二多条纤维带的至少一个纤维带的终止位置处，可以布置相应的在后纤维带，其中在后纤维带的宽度可以不同于在前纤维带的宽度。上述的“在后纤维带”可以比上述的“在前纤维带”更靠近对应的极点。在此，在后纤维带可以与在前纤维带绝大部分分开地布置(必要时将从在前纤维带到在后纤维带的过渡意义上的重叠区域排除在外)。在前纤维带和在后纤维带之间的这些重叠区域可以小于纤维带总面积的10％，特别是小于5％。

14、在这种情况下，在压力罐的周向方向上观察到的在后纤维带的数量可以小于也在压力罐的周向方向上观察到的在前纤维带的数量。特别是在压力罐的待覆盖表面减少的区域中，例如在接近对应极点的封闭盖处，较小宽度的在后纤维带可以有利地减少或避免相邻纤维带之间的不期望的重叠区域。当然，在后纤维带的宽度也可以大于在前纤维带的宽度。在后纤维带的宽度的增大，特别是在压力罐的待覆盖表面增大或至少保持基本相同的区域中，可实现在衬管的周向方向上串联布置并因此形成环的多个在后纤维带的数量低于在前纤维带的数量(又考虑关于由在前纤维带沿衬管的周向方向形成的环)。

15、在后纤维带的纵向延伸方向可以特别地与相应的在前纤维带的纵向延伸方向成角度。也就是说，与以持续不断方式布置在相应封闭盖上的连续的纤维条不同，在这里前后相继的纤维带在其过渡部处可能会有“拐点”(前后相继的纤维带延伸方向的突然方向变化)。特别是当使用长纤维带时，也就是具有两个较长外边缘和至少两个较短外边缘的纤维带，相应的纵向伸长方向可以平行于至少一个较长外边缘地延伸。通过在后纤维带与相应的在前纤维带的这种成角度地布置，每个单个的纤维带都可以根据封闭盖的曲率最优地定向，从而可以使相应的纤维带更好地沿其最大负载能力的方向获得应用。

16、关于在前纤维带到在后纤维带的过渡，在后纤维带和相应的在前纤维带可以相对于彼此布置为，在后纤维带的外边缘与相应的在前纤维带的外边缘相交，其中两个外边缘相交的交点既位于在后纤维带的宽度方向的中心，也位于在前纤维带的宽度方向的中心。换言之，这两个纤维带可以例如通过各自一个较短的外边缘彼此重叠地布置为，使在前纤维带在其外边缘处的纵向中心线与在后纤维带在其外边缘处的纵向中心线相遇。

17、此外，对于这样的过渡，也可以考虑将在后纤维带与相应的在前纤维带相对于彼此布置为，使在后纤维带的外边缘与相应的在前纤维带的外边缘相交，其中两个外边缘相交的交点既位于在后纤维带外边缘的一端，也位于在前纤维带外边缘的一端。也就是说，在前纤维带的一个拐角与在后纤维带的一个拐角重叠。

18、在本发明的可能的实施方式中，第一和/或第二多条纤维带中的至少一个纤维带可以具有梯形的基本形状。该梯形的基本形状可以例如描述为纤维带的两个较长外边缘中的一个比该纤维带的另一个较长外边缘短。通过这种梯形基本形状，前后相继的纤维带可以沿纵向方向“相撞”串接在一起，也就是说，没有明显的重叠，同时可以实现沿纵向延伸方向彼此串接在一起的纤维带的延伸方向的突然方向变化。

19、为此目的，可以将至少一个纤维带的梯形基本形状构造为，在前纤维带与在后纤维带相对于彼此对齐的外边缘、特别是在前纤维带与在后纤维带接触的外边缘所定义的轴线，将在后纤维带的纵向方向相对于相应的在前纤维带的纵向延伸方向所成的角平分。由此，可以例如基于在生产根据本发明的压力罐之前所做的规划，确定两个沿纵向延伸方向前后相继的纤维带应该以什么角度来布置，其中针对该角度可以确定用于将相应的纤维带切割成梯形基本形状的角平分线。当然，也可以考虑两个前后相继的纤维带的对接边缘不会将该角平分，或者甚至是只有一个纤维带具有梯形基本形状，而相应的另一个(至少在该梯形纤维带的一侧)被构造为基本矩形的。

20、在此，在前纤维带和跟随其后的纤维带可以取自最初单件式制造的纤维带初始材料的相邻部分。例如，具有比相应纤维带明显更大的长度的长纤维条可以分割为至少两条纤维带，特别是许多条纤维带。在此，可以使用切割线将纤维条分为两条纤维带，该切割线相对于纤维条的纵向延伸方向倾斜地、特别是非正交地延伸。现在，如果切割线与纤维条的纵向延伸方向成一定角度地延伸，该角度相当于在前纤维带与在后纤维带的纵向延伸方向相对于彼此所成角度的一半，那么通过这种方式从纤维条切割下的纤维带可以相对于彼此简单地敷设为，其中一个纤维带“头朝上”地安装在衬管上，这里的“头朝上”是指：假设在纤维条上将纤维条的两个主表面中的一个定义为“头部”，将纤维条的两个主表面中的另一个定义为“底部”，则将在前纤维带和在后纤维带中的一个以其“头部”安装在衬管上，将在前纤维带和在后纤维带中的相应另一个以其“底部”安装在衬管上。这种布置在成品压力罐上是可识别的，特别是基于各个纤维带的单个纤维的延伸方向及其在纤维带的相应外边缘处的中断。

21、通过上述的对纤维带在衬管上的布置的规划以及由此产生的对纤维带的切割，可以实现纤维带的无重叠和/或无间隙的相互串接。此外，通过将纤维条分割成单个的纤维带，可以减少甚至避免边角料。

22、至少一条纤维带、特别是所有的纤维带可以包括碳纤维和/或芳族聚酰胺和/或玻璃和/或聚乙烯、特别是uhmwpe和/或玄武岩(basalt)。还可以考虑使在前纤维带和沿纵向延伸方向紧随其后的纤维带包括不同的材料。通过这种方式，可以对压力罐的某些区域中明确的载荷情况做出有针对性的反应。

23、为了进一步强化纤维带在衬管上的布置，可以将至少一条纤维带、特别是将所有的纤维带用基质材料、特别是树脂预浸渍，该基质材料将各个纤维带的纤维连接在一起，或者在纤维带布置在衬管上之后用基质材料、特别是树脂透过。由此，可以将相应的纤维带首先适配于衬管的表面或者适配于已经布置在衬管上的纤维带的表面，然后在该位置硬化。