Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter sowie ein Druckbehältersystem mit mindestens einem solchen Druckbehälter.

Druckbehälter werden typischerweise in Kraftfahrzeugen oder anderen mobilen oder stationären Einrichtungen verwendet, um diese mit gasförmigem Brennstoff zu versorgen. Ein möglicher Versagensfall eines solchen Druckbehälters stellt ein Bersten dar, bei welchem große Mengen an gasförmigem Brennstoff in kurzer Zeit entweichen können.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, mögliche Schäden im Versagensfall eines Druckbehälters zu verringern. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar. Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter, umfassend eine geflochtene Wandung, die einen Innenraum umgibt, in dem ein Überdruck ausbildbar ist. Die Wandung weist bis zu einem Überdruck, der höchstens einem vorbestimmten Schwellenwert entspricht, einen Bedeckungsgrad größer 1 auf. Die Wandung weist bei einem Überdruck, der den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, einen Bedeckungsgrad kleiner 1 auf. Durch eine solche Ausführung kann erreicht werden, dass bei Überschreitung des Schwellenwerts gezielt Zwischenfaserbrüche erzeugt werden, wodurch entlang der Wandung Leckagen entstehen. Dadurch wird ein langsamerer Druckausgleich als bei Berstvorgängen herbeigeführt. Die Konsequenzen eines zu hohen Drucks werden somit deutlich abgemildert. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Druckbehältern, bei welchen typischerweise ein Berstereignis auftritt, bevor es dazu kommen könnte, dass der Bedeckungsgrad den Wert von 1 unterschreitet.

Die Wandung kann insbesondere eine oder mehrere Fasern aufweisen, welche in geeigneter Weise geflochten werden, um den Innenraum zu umgeben. Die Wandung ist typischerweise mindestens bis zum Schwellenwert druckdicht, so dass sie einem entsprechenden Überdruck standhalten kann. Der Überdruck ist typischerweise definiert als der Druck im Innenraum abzüglich eines Drucks außerhalb der Wandung. Der Druck außerhalb der Wandung kann beispielsweise der normale Umgebungsdruck sein, welcher typischerweise ungefähr 1 bar beträgt. Für die Stabilität der Wandung ist typischerweise dieser Überdruck in Form einer Druckdifferenz relevant, so dass beispielsweise bei Anliegen eines höheren Drucks außerhalb der Wandung auch ein höherer Innendruck anliegen kann. Eine geflochtene Wandung kann insbesondere aus Fasern ausgebildet sein, welche insbesondere durch Flechten in eine gewünschte Form gebracht werden. Dies kann beispielsweise durch Überflechten einer Preform erfolgen.

Grundsätzlich dehnt sich eine geflochtene Wandung bei anliegendem Überdruck aus, und zwar umso stärker, je größer der Überdruck ist. Bei typischen Druckbehältern, welche beispielsweise eine langgestreckte Form mit rundem, ovalem oder ähnlichem Querschnitt haben, kann eine solche Ausdehnung insbesondere eine Erhöhung der Länge und eine Erhöhung des Durchmessers beinhalten. Dadurch verändert sich auch der Bedeckungsgrad, wobei grundsätzlich bei Ausdehnung der Wandung der Bedeckungsgrad absinkt. Unter einem Bedeckungsgrad wird grundsätzlich das Verhältnis zwischen von den Fasern überdeckter Fläche, unter Berücksichtigung von Mehrfachüberdeckungen, zur Oberfläche der Wandung verstanden. Bei einem Bedeckungsgrad von 1 wird somit die gesamte Oberfläche der Wandung abgedeckt, ohne dass es zu Mehrfachüberdeckungen kommt. Bei einem Bedeckungsgrad größer 1 kommt es zu Mehrfachüberdeckungen, wobei beispielsweise bei einem Bedeckungsgrad von 1 ,2 20 % der Oberfläche doppelt überdeckt sein können. Bei einem Bedeckungsgrad unter 1 sind Teile der Wandung nicht von Fasern überdeckt, so dass Zwischenräume entstehen. Dies kann typischerweise verstärkt zu Zwischenfaserbrüchen führen, welche im vorliegenden Fall bewusst herbeigeführt werden, so dass ein Überdruckabbau langsamer und kontrollierter als bei einem Berstereignis erfolgt.

Die Wandung kann insbesondere ohne Überdruck einen Bedeckungsgrad von mindestens 1 ,05 oder mindestens 1 ,1 aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass bei typischen Ausführungen ein solcher Bedeckungsgrad bei einem Überdruck von 0, d.h. bei gleichem Innendruck und Außendruck, dazu führt, dass bei typischerweise zu verwendenden Schwellenwerten der Bedeckungsgrad kleiner 1 wird. Am Schwellenwert kann der Bedeckungsgrad beispielsweise einen Wert von 1 aufweisen.

Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Wandung ohne Überdruck einen Bedeckungsgrad von höchstens 1 ,1 , höchstens 1 ,15 oder höchstens 1 ,2 aufweist. Bei derartigen maximalen Bedeckungsgraden hat es sich ebenfalls gezeigt, dass bei typischerweise zu verwendenden Schwellenwerten ein Bedeckungsgrad kleiner 1 bei Überschreitung des Schwellenwerts auftritt.

Insbesondere können alle genannten unteren Grenzen mit allen genannten oberen Grenzen des Bedeckungsgrads zu einem jeweiligen Intervall kombiniert werden.

Der vorbestimmte Schwellenwert kann beispielsweise mindestens 1 .400 bar betragen. Dies entspricht einer zu erwartenden Auslegung von Druckbehältern. Er kann beispielsweise auch mindestens 1.575 bar betragen, was ebenfalls einer typischen Auslegung von Druckbehältern entspricht. Soll der Schwellenwert höher als ein Auslegungsdruck sein, so kann er beispielsweise einen Wert zwischen 1 .500 bar und 1 .650 bar oder einen Wert zwischen 1.650 bar und 1 .800 bar haben.

Der Druckbehälter kann insbesondere als linerloser Druckbehälter ausgebildet sein. Somit befindet sich insbesondere zwischen der Wandung und dem Innenraum kein Liner und typischerweise auch kein sonstiges Material, so dass der im Innenraum gelagerte gasförmige Brennstoff unmittelbar mit der Wandung in Kontakt kommt. Dadurch kann die weiter oben beschriebene Funktionalität des gezielten, langsameren Ablassens des gasförmigen Brennstoffs in vorteilhafter Weise erreicht werden, da kein Liner einen möglichen Gasaustritt verhindert.

Die geflochtene Wandung kann insbesondere als Permeationsbarriere für in dem Innenraum gespeicherten gasförmigen Brennstoff ausgebildet sein. Dadurch kann insbesondere auf einen zusätzlichen Liner verzichtet werden. Die geflochtene Wandung kann beispielsweise aus Fasern hergestellt sein und/oder mit einem oder mehreren thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffen oder einem anderen Material getränkt sein, so dass die Wandung bereits selbst für eine Verhinderung des Austretens von gasförmigem Brennstoff, gegebenenfalls unter Zulassung einer niedrigen Leckage, sorgt.

Die geflochtene Wandung kann insbesondere mit einem oder mehreren thermoplastischen Kunststoffen und/oder mit einem oder mehreren duroplastischen Kunststoffen getränkt sein. Derartige Materialien können auch als Matrixwerkstoffe bezeichnet werden. Dadurch kann ihre Wirkung als Permeationsbarriere verbessert werden und/oder die Stabilität kann erhöht werden. Grundsätzlich können auch Elastomere oder Mehrschichtverbunde, die sich aus gleichen oder unterschiedlichen Kunststoffarten zusammensetzen, als Matrixwerkstoff für die Wandung, insbesondere für einen die Wandung bildenden faserverstärkten Kunststoff, verwendet werden.

Der oder die thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffe, oder auch die im vorherigen Abschnitt genannten sonstigen Materialien, können insbesondere bei einem Bedeckungsgrad kleiner 1 teilweise eine Permeationsbarriere für in dem Innenraum gelagerten gasförmigen Brennstoff bilden. Dadurch können gewisse Unterschreitungen des Bedeckungsgrads unter den Wert von 1 zunächst noch toleriert werden, insbesondere bis zum Auftreten der bereits beschriebenen Zwischenfaserrisse. Nach dem Auftreten der Zwischenfaserrisse reicht die Stabilität der Wandung zumindest lokal typischerweise nicht mehr aus, um ein Entweichen von gasförmigem Brennstoff zu verhindern. Dies ist bei der hier offenbarten Technologie erwünscht, wie bereits weiter oben beschrieben wurde.

Die Wandung kann insbesondere aus Fasern geflochten sein, zwischen welchen bei einem Bedeckungsgrad kleiner 1 Zwischenräume entstehen. Derartige Zwischenräume können für den Fall des bereits beschriebenen Austretens von gasförmigem Brennstoff insbesondere Schwachstellen darstellen, an welchen der gasförmige Brennstoff austreten kann.

Die Zwischenräume können insbesondere mit einem oder mehreren thermoplastischen und/oder duroplastischen Kunststoffen überdeckt sein. Auch die anderen weiter oben bereits genannten Materialien können entsprechend verwendet werden.

Die Zwischenräume können insbesondere als Sollbruchstellen ausgebildet sein. Dadurch kann insbesondere für den Fall eines gewünschten Austretens von gasförmigem Brennstoff, beispielsweise nach einem gewünschten Zwischenfaserriss, die bereits beschriebene Funktionalität unterstützt werden.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Druckbehältersystem mit einem oder mehreren Druckbehältern wie hierin beschrieben. Bezüglich der Druckbehälter können alle beschriebenen Varianten verwendet werden. Das Druckbehältersystem kann insbesondere dazu dienen, ein Kraftfahrzeug oder eine andere mobile oder stationäre Einheit mit gasförmigem Brennstoff zu versorgen, welcher beispielsweise in einem gasbetriebenen Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle verwendet werden kann.

Der Bedeckungsgrad kann bei der Herstellung eines Druckbehälters insbesondere im Flechtprozess eingestellt werden, wobei unterschiedliche Faktoren gezielt beeinflusst werden können. Dazu gehören beispielsweise die Anzahl der Flechtfäden, die Flechtfadenstärke, die Flechtgeschwindigkeit bzw. Vorschubgeschwindigkeit eines Flechtkerns und/oder die Umlaufgeschwindigkeit der Flechtspulen am Flechtrad. Zusätzlich können auch Mechanismen wie beispielsweise eine Fadenspreizung vor der Fadenablage, beispielsweise mit Druckluftzufuhr, zur Beeinflussung des Bedeckungsgrads verwendet werden.

Ein Druckbehälter dient insbesondere zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigem Brennstoff. Der Druckbehälter bzw. das Druckbehältersystem können insbesondere in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch Compressed Natural Gas oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch Liquid Natural Gas oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Das Druckbehältersystem kann mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden sein, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln. Der Druckbehälter kann insbesondere als Composite Overwrapped Pressure Vessel ausgebildet sein. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch Nominal Working Pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich (zum Beispiel mehr als 50 K oder mehr als 100 K) unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeugs liegen.

Bei dem hier offenbarten Druckbehälter kann insbesondere auf ein Überdruckventil verzichtet werden, da für den Fall eines Überdrucks die Auswirkungen verringert werden und somit leichter beherrschbar sind.

Mit anderen Worten wurde erkannt, dass im Versagensfall eines Druckbehälters typischerweise die Außenwand bzw. Wandung des Druckbehälters versagt, was zu einem plötzlichen Entweichen des gespeicherten Mediums führen kann. Der dabei stattfindende Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem Medium kann zu einer Berstdruckwelle und Schäden an der Umgebung führen. Als Werkstoff für die Außenwand bzw. Wandung kommt beispielsweise carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) zum Einsatz. Gängige Fertigungsverfahren für die Druckbehälter sind das Faserwickeln oder Faserflechten auf einem Wickel-ZFIechtkern. Im Innenraum des Druckbehälters kann sich ein Liner befinden, der die Dichtheit und Permeationsbarriere für den Druckbehälter gewährleistet, wobei eine solche Ausführung als Typ IV-Druckbehälter bezeichnet wird. Weiterhin gibt es Typ V-Druckbehälter, in denen der Matrixwerkstoff der CFK-Schicht so gute Permeationseigenschaften aufweist, dass ein Liner für den Druckbehälter nicht mehr benötigt wird.

Aus Sicherheitsgründen können Druckbehälter mit Überdruckventilen versehen werden. Es kann jedoch auch erwünscht sein, auf solche Überdruckventile zu verzichten. Beispielsweise kann für diesen Fall eine Überdimensionierung von Behälterwänden unter Berücksichtigung entsprechender Sicherheitsfaktoren erfolgen, um auch besonders hohe Überdrücke auszuhalten. Sowohl auf eine solche Überdimensionierung wie auch auf ein Überdruckventil kann mittels der hier offenbarten Technologie typischerweise verzichtet werden, da die Folgen eines Überdrucks wie bereits beschrieben leichter beherrschbar sind.

Für Druckbehälter, die im Flechtverfahren hergestellt werden, kann die Flechtstruktur gezielt durch Maschinen- und Fertigungsprozessparameter eingestellt werden. Das bedeutet, dass vor allem die Anzahl der Flechtfäden und die Ablagebreite für die einzelnen Flechtfäden gezielt beeinflusst werden können. Damit lässt sich der Bedeckungsgrad des Flechtkerns mit den Flechtfäden beeinflussen. Sobald der Flechtkern vollständig mit Fäden bedeckt ist und das Flechtmuster keine „Löcher“ aufweist, beträgt der Bedeckungsgrad 1 . Liegen mehr oder weniger Flechtfäden vor als für eine vollständige Bedeckung benötigt werden, ist der Bedeckungsgrad größer oder kleiner als 1. Werden nun die Maschinen- und Fertigungsprozessparameter konstant gehalten und der Durchmesser des Flechtkerns verkleinert oder vergrößert, so nimmt der Bedeckungsgrad zu oder ab. Druckbehälter unterliegen im Betriebsfall einer deutlich messbaren Ausdehnung in axialer und radialer Richtung aufgrund der Werkstoffelastizitäten der Druckbehälterwand bzw. Wandung. Dabei dehnt sich der Druckbehälter vom unbedruckten Zustand bis zum Berstfall kontinuierlich aus und der Durchmesser vergrößert sich dabei. Für geflochtene Druckbehälter bedeutet dies, dass die Kräfte zwischen den Flechtfäden kontinuierlich steigen, so dass das Geflecht seinen Bedeckungsgrad reduzieren möchte. Sobald der Bedeckungsgrad den Wert 1 erreicht hat, treten hohe Kräfte zwischen den Fasern auf, die vom Matrixmaterial, das im Vergleich zu den Fasern eine sehr geringe Festigkeit aufweist, allein nicht getragen werden können. Es kommt dann zum Bruch der Matrix, was auch als Zwischenfaserbruch bezeichnet wird.

In Typ V-Druckbehältern hat vor allem das Matrixmaterial die Aufgabe, den Druckbehälter dicht zu halten. Bei Zwischenfaserbrüchen ist das nicht mehr der Fall und das gespeicherte Gas kann durch entstandene Risse entweichen. Der geflochtene Typ V-Druckbehälter soll nun insbesondere so ausgelegt werden, dass das Geflecht im Betriebsbereich einen Bedeckungsgrad größer 1 aufweist. Das Geflecht soll gleichzeitig so ausgelegt sein, dass sich der Druckbehälter bei Erreichen des eigentlichen Berst-/Auslegungsdrucks so ausgedehnt hat, dass das Geflecht einen Bedeckungsgrad kleiner 1 aufweist und durch Zwischenfaserbrüche entlang des gesamten Durchmessers Leckagen entstehen, die einen sanfteren Druckausgleich als ein Berstversagen herbeiführen.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 : einen Druckbehälter,

Fig. 2: einen Ausschnitt aus einer Wandung bei einem

Bedeckungsgrad von 1 , und

Fig. 3: einen Ausschnitt aus einer Wandung bei einem

Bedeckungsgrad kleiner 1 .

Fig. 1 zeigt rein schematisch einen Druckbehälter 10. Dieser wird im Wesentlichen von einer Wandung 20 gebildet, welche einen Innenraum 30 umgibt. Der Innenraum 30 ist dazu ausgebildet, gasförmigen Brennstoff unter hohem Druck zu speichern, wodurch sich ein Überdruck des Innenraums 30 im Vergleich zur umgebenden Atmosphäre einstellt. Die Wandung 20 verhindert, dass der gasförmige Brennstoff austritt. Sie ist aus geflochtenen Fasern ausgebildet, welche vorliegend mit einem duroplastischen Kunststoff getränkt sind. Ein solcher duroplastischer Kunststoff kann auch als Harz bezeichnet werden oder ein Harz sein.

Der Druckbehälter 10 weist eine Länge I und einen Durchmesser d auf. Dabei handelt es sich um Werte, welche je nach anliegendem Überdruck im Innenraum 30 variabel sind. Beispielsweise kann der Druckbehälter 10 ohne anliegenden Überdruck gefertigt werden, wodurch sich eine zugehörige Länge I und ein zugehöriger Durchmesser d einstellen. Wird der Überdruck im Innenraum 30 erhöht, so erhöhen sich Länge I und Durchmesser d. Dies hat auch Auswirkungen auf die Fasern der Wandung 20, welche weiter unten mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 erläutert werden.

Der Druckbehälter 10 weist noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Tankanschlussventil zur Betankung und/oder zur Entnahme von gasförmigem Brennstoff auf. Diese Komponenten sind jedoch in Fig. 1 nicht dargestellt, da sie für das Verständnis der hier offenbarten Technologie nicht relevant sind.

Fig. 2 zeigt Fasern 22 der Wandung 20 bei einem Bedeckungsgrad von 1 oder auch etwas größer als 1 . Wie gezeigt liegen dabei die Fasern 22 so aneinander an, dass keinerlei Zwischenräume entstehen, so dass die Fasern 22 den Innenraum 30 vollständig umgeben. Typischerweise hat der Druckbehälter 10 in diesem Zustand eine hohe Stabilität, welche insbesondere bis zu einem Auslegungsdruck den gasförmigen Brennstoff zuverlässig im Innenraum 30 hält.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus der Wandung 20 bei einem Bedeckungsgrad kleiner 1 , welcher insbesondere auftritt, wenn der Überdruck im Innenraum 30 einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt. Durch die bereits beschriebene Ausdehnung von Länge I und Durchmesser d des Druckbehälters 10 entstehen Zwischenräume 24 zwischen den Fasern 22, welche nicht von Fasern 22 überdeckt sind. Dort befindet sich lediglich ein duroplastischer Kunststoff als Matrixwerkstoff, welcher dem gasförmigen Brennstoff einen geringeren Widerstand gegen ein eventuelles Austreten entgegensetzt. In einer derartigen Situation kommt es typischerweise zu Zwischenfaserbrüchen, wodurch die Stabilität der Wandung 20 an einigen Stellen lokal verringert wird. Die Zwischenräume 24 dienen in diesem Fall insbesondere als Sollbruchstellen, wobei gezielt gasförmiger Brennstoff aus dem Innenraum 30 abgelassen wird, und zwar insbesondere erheblich langsamer als bei einem Berstereignis. Dadurch können die Auswirkungen eines Überdrucks, welcher eine Auslegung übersteigt, deutlich verringert werden.

Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, die/eine Faser, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, die mindestens eine Faser, etc.).

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Bezugszeichenliste 10 Druckbehälter

20 Wandung

22 Fasern

24 Zwischenräume

30 Innenraum

I Länge d Durchmesser