DE10258445B4 - Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherbehälters - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherbehälters (1), in welchem ein Gasauslassabschnitt (5) von einem Ende eines zylindrischen Abschnitts (2) durch einen Kuppelabschnitt (4) durch plastisches Umformen eines hohlen kurzen Zylinderrohlings (11) aus Metall gebildet wird, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden:
Fließformen des hohlen kurzen Zylinderrohlings (11) aus Metall, um daraus einen hohlen länglichen Zylinderrohling (111) auszubilden, in welchem wenigstens ein Ende des zylindrischen Abschnitts (211) offen ist, wobei am Öffnungsende des hohlen länglichen Zylinderrohlings (111) ein vorbestimmter Bereich (411) durch Formwalzen (7) ausgebildet wird, der zum Öffnungsende hin an Wandstärke zunimmt,
dann Einziehen des vorbestimmten Bereichs (411) durch Rotationswalzen mit Formgebungswalzen (8), um den Kuppelabschnitt (4) und den Gasauslassabschnitt (5), der sich vom Kuppelabschnitt (4) aus erstreckt, auszubilden,
wobei der Gasauslassabschnitt (5) auf eine Wandstärke von wenigstens dem Dreifachen jener des zylindrischen Abschitts (2) ausgeführt ist
und wobei der Gasauslaßabschnitt (5) ohne vollständiges Verschließen ausgebildet wird,...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherbehälters, in den unter Hochdruck stehendes Gas geladen wird.
  • In Hochdruckspeicherbehältern, in welchen Gas, wie Erdgas oder Wasserstoffgas, geladen und unter hohem Druck gespeichert wird, ist die Belastung auf einen Gasabflussabschnitt und einen fortsetzenden Kuppelabschnitt ebendort konzentriert. Wenn der Kuppelabschnitt und der Gasabflussabschnitt, der aus dem Kuppelabschnitt herausragt, durch Einziehen eines vorbestimmten Bereichs eines länglichen zylindrischen Rohlings, der von seinem Öffnungsende ununterbrochen weitergeht, mittels Rotationswalzen ausgebildet werden, werden sie daher in Wandstärke im Vergleich zum zylindrischen Abschnitt des Behälters zunehmen.
  • In diesem Zusammenhang brachte die Anmelderin eine Patentanmeldung über ein Verfahren zum Ausbilden eines Kuppelabschnitts und eines Gasabflussabschnitts durch Fließformen des vorbestimmten Bereichs des länglichen zylindrischen Rohlings, der von seinem Öffnungsende ununterbrochen in eine größere Wandstärke als in anderen Bereichen weitergeht, und anschließendes Einziehen des verdickten, vorbestimmten Bereichs durch Rotationswalzen ein und hat bereits ein Patent für das Verfahren erhalten (siehe Japanische Patentschrift JP 32 51 216 B2 .
  • Für das herkömmliche allgemeine Herstellungsverfahren, das oben beschrieben ist, besteht jedoch auf Grund des Einsatzes eines länglichen zylindrischen Rohlings, der als Gesamtes eine einheitliche Wandstärke aufweist, eine Grenze, auf weiche Stärke der Gasabflussabschnitt und der Kuppelabschnitt erhöht werden kann. Wie zum Beispiel in 3 mit einem Tankbehälter als Vergleichsbeispiel 1 gezeigt, der einen länglichen Hohlzylinderrohling 111 mit einem Zylinderwandquerschnitt von ungefähr 3,3 mm Dicke verwendet, weist auch der Gasabflussabschnitt 5, welcher der dickste Teil aller Tankbehälterteile ist, nur eine Wandstärke von 7,1 mm oder ungefähr das Zweifache jener des Zylinderabschnitts 2 auf. Der sich daraus ergebende Tankbehälter ist schwierig als ein Hochdruckspeicherbehälter 1 auszulegen, der in der Lage ist, den weiter angestiegenen Drücken standzuhalten, die für die Zukunft erwartet werden.
  • Um diese bewältigen zu können, wie dies in 4 als Vergleichsbeispiel 2 gezeigt wird, kann man in Betracht ziehen, die Wandstärke eines Gasabflussabschnitts 5 und eines Kuppelabschnitts 4 durch Steigern der Wandstärke eines gesamten Zylinderabschnitts eines länglichen Hohlzylinderrohlings 111 auf zum Beispiel ungefähr 7,6 mm sicherzustellen (in diesem Fall wird die Wandstärke des Gasabflussabschnitts 5 ungefähr 14,2 mm betragen). In diesem Fall jedoch wird der gesamte Hochdruckspeicherbehälter 1, der folglich hergestellt wird, ebenfalls von dickerer Wandstärke sein und dadurch an Gewicht zunehmen, was einer Gewichtsverringerung entgegensteht. Zusätzlich werden, da der Tankbehälter einen wandstärkeren, länglichen Hohlzylinderrohling 111 verwendet, seine Materialkosten hoch sein.
  • Andererseits können für das zuerst erwähnte Beispiel, das in der Veröffentlichung offenbart wird, die Abschnitte, die als Gasabflussabschnitt und Kuppelabschnitt dienen werden, eine vorbestimmte Wandstärke mit Sicherheit auf weisen und das Gesamttankbehältergewicht kann durch Dünnermachen des zylindrischen Abschnitts verringert werden, da der vorbestimmte Bereich des länglichen Hohlzylinderrohlings, der vom Öffnungsende weggeht, in Wandstärke im Vergleich mit dem anderen Bereich verstärkt wird. In diesem Beispiel jedoch ist das Ausmaß der Verringerung des Rohlings groß, da die Abschnitte, die als Gasabflussabschnitt und Kuppelabschnitt dienen werden, als Gesamtes eine einheitliche Stärke aufweisen. Dies kann zum vollständigen Verschluss des Gasabflussabschnitts führen und macht das nachfolgende Bohren eines Gasauslasses in einem späteren Verarbeitungsschritt notwendig, der zusätzliche Arbeit darstellt.
  • Aus der JP 32 51 216 B2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherbehälters, in welchem ein Gasauslassabschnitt von einem Ende eines zylindrischen Abschnitts durch einen Kuppelabschnitt durch plastisches Umformen eines kurzen hohlen Zylinderrohlings aus Metall gebildet wird, bekannt. Bei diesem Verfahren wird der Schritt des Fließformens des hohlen kurzen Zylinderrohlings aus Metall durchgeführt, um daraus einen hohlen länglichen Zylinderrohling auszubilden, in welchem wenigstens ein Ende des zylindrischen Abschnitts offen ist. Anschließend wird der Schritt des Einziehens des vorbestimmten Bereichs durch Rotationswalzen mit Formgebungswalzen durchgeführt, um den Kuppelabschnitt und den Gasauslassabschnitt, der sich vom Kuppelabschnitt aus erstreckt, auszubilden.
  • Aus der DE 37 36 579 C2 ist ein Druckbehälter zur Speicherung von Gasen hoher Reinheit bekannt, der aus einem Boden, einem Mantel und einem Kopfteil besteht. Für den Mantel kann ein nahtloses oder geschweißtes Rohr verwendet werden, das bis in die Nähe des Anschlußbereiches durch Kaltverformung abgestreckt ist, bevor es mit dem Kopf und dem Bodenteil verbunden wird. Die Bohrung im Halsbereich wird so groß wie möglich gewählt.
  • Die DE 15 01 701 A offenbart eine Druckgasflasche aus einem Kunststoffmantel, bei der innerhalb des Kunststoffmantels ein Stützkörper aus korrosionsfestem Leichtmetall in Form einer Flasche angeordnet ist.
  • Die DE 695 30 126 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, bei dem eine druckbeständige Außenhülle um eine Innenhülle, die als Gassperre dienen kann, durch ein Filament-Wickelverfahren oder ein Bandwickelverfahren geformt wird. Die Außenhülle besteht aus einem FK, der Verstärkungsfasern und ein Harz umfaßt sowie eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung des Druckgefäßes in einem Winkel im Bereich von 5° bis 50° angeordnet werden, und eine Schicht aus Verstärkungsfasern, die relativ zur Axialrichtung in einem Winkel im Bereich von 75° bis 105° angeordnet werden.
  • Es sollte beachtet werden, dass die Bezugszahlen, die den jeweiligen Elementen in 3 und 4 zugeordnet sind, den Bezügen entsprechen, die den jeweiligen Elementen in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugewiesen sind.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorangehenden Punkte durchgeführt und daher besteht ihre Aufgabe darin, leicht und zu geringen Kosten einen Hochdruckspeicherbehälter bereitzustellen, der in der Lage ist, höheren Drücken standzuhalten, als sie zur Zeit eingesetzt werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
  • Die Wandstärkenrate des Gasabflussabschnitts und des Kuppelabschnitts ist gegenüber jener des zylindrischen Abschnitts erhöht. Der Abschnitt des Rohlings, welcher dem Gasabflussabschnitt und dem Kuppelabschnitt entspricht, verändert sich in der Stärke.
  • Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherbehälters, in welchem ein Gasabflussabschnitt an einem Ende eines zylindrischen Abschnitts durch einen Kuppelabschnitt gehend durch plastisches Verformen eines kurzen zylindrischen Hohlrohlings aus Metall ausgeführt wird.
  • Gemäß der Erfindung ist der Gasabflussabschnitt in einer Wandstärke von wenigstens dem Dreifachen jener des zylindrischen Abschnitts ausgeführt. Der Kuppelabschnitt nimmt verlaufend an Wandstärke von jener des zylindrischen Abschnitts zu jener des Gasabflussabschnitts zu, fortschreitend vom zylindrischen Abschnitt zum Gasabflussabschnitt.
  • Mit dem obigen Aufbau sind in der Erfindung, die in dem Patentanspruch beansprucht wird, die Festigkeiten des Gasabflussabschnitts und des Kuppelabschnitts sichergestellt, da der Gasabflussabschnitt in einer Wandstärke von wenigstens dem Dreifachen jener des zylindrischen Abschnitts ausgeführt ist und der Kuppelabschnitt verlaufend an Wandstärke von jener des Gasabflussabschnitts abnimmt und in den zylindrischen Abschnitt übergeht. Dies stellt einen Hochdruckspeicherbehälter bereit, der ausreicht, um höheren Drücken, als sie zur Zeit eingesetzt werden, zu widerstehen. Des Weiteren ist der zylindrische Abschnitt dünn, aber der Gasabflussabschnitt und der Kuppelabschnitt sind wandstärker ausgeführt, um die Tankfestigkeit sicherzustellen. Daher kann auf Grund der verringerten Wandstärke des zylindrischen Abschnitts das Gewicht des gesamten Hochdruckspeicherbehälters verringert und die Materialkosten gesenkt werden.
  • Die Erfindung umfaßt die Schritte: Fließformen des hohlen kurzen Zylinderrohlings aus Metall, um daraus einen hohlen länglichen Zylinderrohling auszubilden, in welchem wenigstens ein Ende des zylindrischen Abschnitts offen ist, wobei am Öffnungsende des hohlen länglichen Zylinderrohlings ein vorbestimmter Bereich durch Formwalzen ausgebildet wird, der zum Öffnungsende hin an Wandstärke zunimmt; und anschließend Einziehen des vorbestimmten Bereichs durch Rotationswalzen mit Formgebungswalzen, um den Kuppelabschnitt und den Gasauslassabschnitt, der sich vom Kuppelabschnitt aus erstreckt, auszubilden, so dass sich die Wandstärke von jener des zylindrischen Abschnitts zu jener des Gasauslassabschnitts in der Bearbeitung vom zylindrischen Abschnitt zum Gasauslassabschnitt ansteigend erhöht.
  • Mit dem obigen Aufbau wird in der Erfindung die Wandstärke des vorbestimmten Bereichs, beginnend vom Öffnungsende des länglichen, hohlen zylindrischen Rohlings, stufenweise entsprechend der Wandstärke des Gasauslassabschnitts und des Kuppelabschnitts verändert. Daher ist das Ausmaß der Einziehung des Rohlings durch Rotationswalzen nicht so groß, was es erlaubt, den Gasauslassabschnitt auszubilden, ohne ihn völlig zu verschließen, und lässt daher den Schritt des Bohrens des Gasauslasses ausfallen. Daraus ergibt sich, dass ein Hochdruckspeicherbehälter, der in der Lage ist höheren Drücken standzuhalten, als gegenwärtig zum Einsatz kommen, einfach und zu geringen Kosten hergestellt werden kann.
  • Der Gasauslassabschnitt ist auf eine Wandstärke eingestellt, die zumindest das Dreifache jener des zylindrischen Abschnitts ist.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
  • 1 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die den Nahbereich eines Gasauslassabschnitts und eines Kuppelabschnitts eines Hochdruckspeicherbehälters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 zeigt Bearbeitungsschritte eines Verfahrens zur Herstellung von Hochdruckspeicherbehältern gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei 2A eine Querschnittsansicht eines kurzen hohlen Zylinderrohlings ist, der zum Fließformen bereitgestellt ist, 2B eine Ansicht ist, die einen Fließformbearbeitungsschritt zeigt, und 2C eine Ansicht ist, die einen Rota tionswalzbearbeitungsschritt zeigt.
  • 3 ist eine Ansicht von Vergleichsbeispiel 1 als Vergleich zu 1.
  • 4 ist eine Ansicht von Vergleichsbeispiel 2 als Vergleich zu 1.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Hierin im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
  • 2C zeigt einen Hochdruckspeicherbehälter 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Hochdruckspeicherbehälter 1 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 2 und einen Bodenabschnitt 3, der einstückig mit dem zylindrischen Abschnitt 2 ausgebildet ist. Ein Gasauslassabschnitt 5 erstreckt sich von einem Ende des zylindrischen Abschnitts 2 gegenüber dem Bodenabschnitt 3 durch einen Kuppelabschnitt 4. Der Gasauslassabschnitt 5 wird mit einem Gasauslass 5a ausgebildet. Der Hochdruckspeicherbehälter 1 ist aus einer Aluminiumlegierung wie JIS A6061-T6 hergestellt und wird im Wesentlichen in der Form eines geschlossenen Hohlzylinders durch plastisches Umformen eines kurzen hohlen zylindrischen Rohlings ausgebildet. Der Bodenabschnitt 3, der Kuppelabschnitt 4 und der Gasauslassabschnitt 5 werden so ausgebildet, dass sie größere Wandstärken als der zylindrische Abschnitt 2 aufweisen.
  • Als ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, wie in einer vergrößerten Weise in 1 gezeigt, ist der Gasauslassabschnitt 5 auf eine Wandstärke von wenigstens dreimal jener des zylindrischen Abschnitts 2 eingestellt und der Kuppelabschnitt 4 steigt in Bezug auf die Wandstärke schrittweise von jener des zylindrischen Abschnitts 2 zu jener des Gasauslassabschnitts 5 an, wenn man vom zylindrischen Abschnitt 2 zum Gasauslassabschnitt 5 voranschreitet. Anders gesagt, setzt sich der Kuppelabschnitt 4 vom Gasauslassabschnitt 5 zum zylindrischen Abschnitt 2 fort, so dass seine Wandstärke sich fortlaufend von jener des Gasauslassabschnitts 5 verringert, die wenigstens dreimal so stark ist wie jene des zylindrischen Abschnitts 2. Dies stellt die ausreichende Festigkeit des Gasauslassabschnitts 5 und des Kuppelabschnitts 4 sicher, wodurch ein Hochdruckspeicherbehälter 1 bereitgestellt wird, der ausreicht, um höheren Drücken standzuhalten, als sie gegenwärtig eingesetzt werden. Des Weiteren ist der zylindrische Abschnitt 2 dünnwandig, aber der Gasauslassabschnitt 5 und der Kuppelabschnitt 4 sind verdickt, um die Behälterfestigkeit sicherzustellen. Daher können entsprechend der verringerten Wandstärke des zylindrischen Abschnitts 2 das Gewicht des Hochdruckspeicherbehälters 1 und die Materialkosten herabgesetzt werden, was zu einer Kostensenkung führt. Es muss beachtet werden, dass die Rate des Wandstärkenzuwachses des Kuppelabschnitts 4 entsprechend den Zwecken des Behälters ausgewählt werden kann.
  • Als Nächstes folgt die Beschreibung, wie der Hochdruckspeicherbehälter 1, der den oben beschriebenen Aufbau aufweist, hergestellt wird.
  • Zuerst wird ein kurzer hohler, zylindrischer Rohling 11, wie in 2A gezeigt, hergestellt. Der kurze hohle, zylindrische Rohling 11 wird zum Beispiel durch Schmieden eines vollen zylindrischen Knüppels, der nicht gezeigt ist, ausgebildet und weist die Form eines endgeschlossenen Zylinders auf, in welchem ein Bodenabschnitt 31 einstückig mit einem zylindrischen Abschnitt 21 ausgebildet ist. Alternativ dazu kann die Gestalt eines endgeschlossenen Zylinders durch Ziehen eines scheibenförmigen Materials mit einer Matrize und einem Stempel ausgebildet werden.
  • Dann wird der kurze, hohle Zylinderrohling 11 fließgeformt. Die Art des Fließformens entspricht der in 2B gezeigten: der kurze, hohle Zylinderrohling 11 wird auf einen Dorn 6 aufgeschoben, der Dorn 6 wird um seine Achse gedreht, um den kurzen, hohlen Zylinderrohling 11 als eine Einheit zu drehen, und eine Formwalze 7 wird gegen den äußeren Umfang des kurzen, hohlen Zylinderrohlings 11 gedrückt, um sich zu drehen, während Kraft auf den zylindrischen Abschnitt 21 in axialer Richtung einwirkt. Die Seite des Öffnungsendes des zylindrischen Abschnitts 21 wird gedrückt, während die Formwalze 7 schrittweise nach außen weg vom Dorn 6 einen Schritt pro Zeiteinheit bewegt wird. Dies ergibt die Ausformung eines länglichen hohlen Zylinderrohlings 111 als ein Zwischenrohling, in welchem wenigstens ein Ende des zylindrischen Abschnitts 211 offen ist und wo ein vorbestimmter Bereich 411, der mit dem Öffnungsende beginnt, schrittweise an Wandstärke zunimmt, und zwar fortschreitend vom anderen Bereich zum Öffnungsende hin. Das Ausmaß der Wandstärkenzunahme ist mit einer solchen Rate festgelegt, dass der Gasauslassabschnitt 5 des ausgebildeten Hochdruckspeicherbehälters 1 wenigstens dreimal so stark wird wie der zylindrische Abschnitt 2. Diese Rate ist durch Versuche vorbestimmt. Zum Beispiel beträgt die größte Wandstärke des vorbestimmten Bereichs 411, der vom Öffnungsende weg beginnt, ungefähr 7,6 mm, während die Wandstärke des zylindrischen Abschnitts 211 ungefähr 3 mm beträgt.
  • In der weiteren Folge wird der längliche hohle Zylinderrohling 111 durch eine nicht gezeigte Futtervorrichtung gehalten und der vorbestimmte Bereich 411, beginnend mit dem Öffnungsende, wird durch Rotationswalzen eingezogen. Die Art des Einziehvorgangs wird in 2C gezeigt: der längliche hohle Zylinderrohling 111 wird um seine eigene Achse gedreht und in diesem Zustand wird eine Formgebungswalze 8 in einer geneigten Position gegen den vorbestimmten Bereich 411 gedrückt, der vom Öffnungsende des länglichen hohlen Zylinderrohlings 111 aus beginnt, wobei sie rotiert, während sie sich schräg in Bezug auf die Achse des länglichen hohlen Zylinderrohlings 111 bewegt, wodurch der vorbestimmte Bereich 411 gedrückt wird. Dies ergibt die Ausbildung eines Kuppelabschnitts 4 und eines Gasauslassabschnitts 5, der aus dem Kuppelabschnitt 4 vorragt, in der Art, dass der Kuppelabschnitt 4 verlaufend an Wandstärke von jener des zylindrischen Abschnitts 2 ausgehend bis zum Gasauslassabschnitt 5 voranschreitend vom zylindrischen Abschnitt 2 zum Gasauslassabschnitt 5 zunimmt, und es ergibt die Ausbildung des Gasauslassabschnitts 5 mit einer Wandstärke von wenigstens dem Dreifachen jener des zylindrischen Abschnitts 2. Im obigen Beispiel beträgt die Wandstärke des Gasauslassabschnitts 5 ungefähr 14,1 mm, was ungefähr das 4,7-fache der Wandstärke des zylindrischen Abschnitts 2 ist.
  • Wie oben beschrieben, wird die Wandstärke des vorbestimmten Bereichs 411 verändert, beginnend vom Öffnungsende des länglichen hohlen Zylinderrohlings 111, verlaufend gemäß der Wandstärke des Gasauslassabschnitts 5 und des Kuppelabschnitts 4. Daher kann das Ausmaß des Einziehens des Rohlings durch Rotationswalzen minimiert werden, was es ermöglicht, dass der Gasauslassabschnitt 5 ohne vollständiges Verschließen ausgebildet werden kann, und was den Schritt des Ausbohrens des Gasauslasses erübrigt. Als Ergebnis ergibt sich, dass ein Hochdruckspeicherbehälter 1, der in der Lage ist höheren Drücken standzuhalten, als sie gegenwärtig eingesetzt werden, leicht und zu geringen Kosten hergestellt werden kann.
  • In der obigen Ausführungsform ist ein endverschlossener zylindrischer Rohling als der kurze hohle Zylinderrohling 11 dargestellt, der für das Fließformen herangezogen wird. Jedoch kann der kurze hohle Zylinderrohling 11 ein hohler Zylinderrohling sein, dessen beide Enden offen sind. In diesem Fall werden vorbestimmte Bereiche, die jeweils von beiden Öffnungsenden ausgehen, durch Rotationswalzen eingezogen.

Claims (1)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Hochdruckspeicherbehälters (1), in welchem ein Gasauslassabschnitt (5) von einem Ende eines zylindrischen Abschnitts (2) durch einen Kuppelabschnitt (4) durch plastisches Umformen eines hohlen kurzen Zylinderrohlings (11) aus Metall gebildet wird, bei dem folgende Schritte ausgeführt werden: Fließformen des hohlen kurzen Zylinderrohlings (11) aus Metall, um daraus einen hohlen länglichen Zylinderrohling (111) auszubilden, in welchem wenigstens ein Ende des zylindrischen Abschnitts (211) offen ist, wobei am Öffnungsende des hohlen länglichen Zylinderrohlings (111) ein vorbestimmter Bereich (411) durch Formwalzen (7) ausgebildet wird, der zum Öffnungsende hin an Wandstärke zunimmt, dann Einziehen des vorbestimmten Bereichs (411) durch Rotationswalzen mit Formgebungswalzen (8), um den Kuppelabschnitt (4) und den Gasauslassabschnitt (5), der sich vom Kuppelabschnitt (4) aus erstreckt, auszubilden, wobei der Gasauslassabschnitt (5) auf eine Wandstärke von wenigstens dem Dreifachen jener des zylindrischen Abschitts (2) ausgeführt ist und wobei der Gasauslaßabschnitt (5) ohne vollständiges Verschließen ausgebildet wird, so daß der Schritt des Ausbohrens des Gasauslasses erübrigt wird.
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