-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen nichtmetallischen Druckgasbehälter für ein unter
Druck stehendes Gas, insbesondere zur Verwendung als Gaskraftstofftank
eines Kraftfahrzeugs.
-
Heutzutage
werden zum Betreiben von Kraftfahrzeugen zunehmend alternative Antriebe
beziehungsweise Kraftstoffe eingesetzt. So werden zum Antrieb von
gasbetriebenen Kraftfahrzeugen so genannte Flüssiggase, wie Autogas (LPG
= Liquified Petroleum Gas), und Erdgas (CNG = Compressed Natural
Gas) eingesetzt. Während
(flüssiges)
LPG in speziellen Gaskraftstofftanks bei einem Druck von ca. 8 bar
im Kraftfahrzeug mitgeführt
werden kann, ist es zur Speicherung einer größeren Menge an CNG erforderlich,
den Kraftstoff im Gastank unter einem hohen Druck, beispielsweise
200–300
bar, zu verdichten. Hierzu werden gewöhnlich metallische Druckgasbehälter eingesetzt,
die in der Bodengruppe oder im Kofferraum verankert sind.
-
Zunehmend
wird auch Wasserstoff zum Antrieb von Kraftfahrzeugen in Betracht
gezogen. Hierbei kann Wasserstoff einerseits als Energiespeicher für den Betrieb
von Brennstoffzellen zur Erzeugung elektrischer Energie für den Antrieb
eines Elektromotors dienen oder andererseits zur direkten Verbrennung
in der Brennkraftmaschine verwendet werden. Um eine größere Menge
Wasserstoff im Kraftfahrzeug mitführen zu können, ist eine Speicherung
desselben bei einem sehr hohen Gasdruck in der Größenordnung
von 700–800
bar, beispielsweise 750 bar, erforderlich. Da für derart hohe Gasdrücke metallische
Druckgasbehälter
nicht mehr geeignet sind, werden gewöhnlich nicht-metallische Druckgasbehälter aus
Verbundwerkstoffen, insbesondere Carbon-faserverstärkter Kunststoff,
eingesetzt.
-
Für den Einsatz
in Kraftfahrzeugen müssen die
Druckgasbehälter
bestimmten sicherheitsrelevanten Anforderungen genügen. So
weisen die Druckgasbehälter
im Allgemeinen ein Sicherheitsdruckventil auf, das zur Vermeidung
eines überdruckbedingten
Berstens ein Überdruckventil
und/oder eine thermische Sicherungseinrichtung, gewöhnlich einer
Schmelzsicherung, aufweist, durch welche im Falle eines überhitzungsbedingten Überdrucks
im Gaskraftstoffbehälter
der Gaskraftstoff kontrolliert abgeblasen werden kann.
-
Bei
Druckgasbehältern
aus nicht-metallischen Verbundwerkstoffen, wie sie inbesondere für Wasserstoff
eingesetzt werden, ist aber die Wärmeleitfähigkeit der Druckgasbehälterwand
sehr schlecht, was zu einem gravierenden Sicherheitsproblem führen kann,
da für
den Fall, dass die Druckgasbehälterwand
entfernt von der thermischen Sicherungseinrichtung lokal stark erwärmt wird,
etwa bei einem Fahrzeugbrand, die thermische Sicherungseinrichtung
aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit
des nichtmetallischen Verbundwerkstoffs nicht auslösen kann.
Eine lokale Erwärmung
der Druckgasbehälterwand
kann dann jedoch zu einer lokalen Schwächung des Druckgasbehälters führen, in
deren Folge die Druckgasbehälterwand
schließlich
durchbrennen kann. Schlimmstenfalls kann der Druckgasbehälter sogar
bersten.
-
Demgegenüber besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen nichtmetallischen Druckgasbehälter zur
Verfügung
zu stellen, mit dem die mit einer lokalen Erwärmung der Druckgasbehälterwand
einher gehenden Sicherheitsprobleme vermieden werden können.
-
Diese
Aufgabe wird nach dem Vorschlag der Erfindung durch einen nichtmetallischen
Druckgasbehälter
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale
der Unteransprüche angegeben.
-
Erfindungsgemäß ist ein
nichtmetallischer Druckgasbehälter,
insbesondere zur Speicherung von Gaskraftstoff eines mit Gaskraftstoff
antreibbaren Kraftfahrzeugs gezeigt, welcher mit einer thermischen
Sicherungseinrichtung, beispielsweise einer thermischen Schmelzsicherung
versehen ist, welche oberhalb einer wählbaren ersten Schwellentemperatur,
beispielsweise 110°C,
ein Abblasen des im Druckfluidbehälter gespeicherten Druckgases
bewirkt. Derartige thermische Sicherungseinrichtungen, wie Berstscheiben
oder Schmelzsicherungen sind wohlbekannt und werden in Druckgasbehältern von beispielsweise
mit Wasserstoff oder CNG antreibbaren Kraftfahrzeugen heutzutage
regelmäßig eingesetzt,
so dass sich eine nähere
Erläuterung
hier erübrigt.
-
Der
erfindungsgemäße Druckgasbehälter zeichnet
sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass in Kontakt mit der
Wand des Druckgasbehälters ein
hoch-wärmeleitfähiges Wärmeübertragungsmittel
angeordnet ist, das über
ein thermisches Schaltelement, beispielsweise einen Bimetallschalter,
wärmeleitend
mit der thermischen Sicherungseinrichtung verbindbar ist. Das Wärmeübertragungsmittel dient
zur Übertragung
thermischer Energie von entfernten Umgebungsbereichen der Behälterwand
zur thermischen Sicherungseinrichtung. Das Wärmeübertragungsmittel ist über das
thermische Schaltelement wärmeleitend
mit der thermischen Sicherungseinrichtung verbindbar, wobei das
thermische Schaltelement geeignet ausgebildet ist, oberhalb einer wählbaren
zweiten Schwellentemperatur, welche niedriger oder gleich zur ersten
Schwellentemperatur ist, eine wärmeleitende
Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungsmittel
und der thermischen Sicherungseinrichtung herzustellen, während es
unterhalb der zweiten Schwellentemperatur die wärmeleitende Verbindung zwischen
dem Wärmeübertragungsmittel
und der thermischen Sicherungseinrichtung unterbricht. Insofern
kann das thermische Schaltelement zwischen zwei Schaltstellungen
thermisch geschaltet werden: eine geschlossene Schalterstellung
oberhalb oder bei der wählbaren
zweiten Schwellentemperatur, in der es eine wärmeleitende Verbindung zwischen
dem Wärmeübertragungsmittel und
der thermischen Sicherungseinrichtung herstellt, und eine offene
Schalterstellung unterhalb der zweiten Schwellentemperatur, in der
diese wärmeleitende Verbindung
zwischen dem Wärmeübertragungsmittel und
der thermischen Sicherungseinrichtung unterbrochen ist.
-
Damit
das Wärmeübertragungsmittel
thermische Energie an die thermische Sicherungseinrichtung übertragen
kann, ist es hoch-wärmeleitfähig, worunter
im Sinne vorliegender Erfindung eine jedenfalls so hohe Wärmeleitfähigkeit
zu verstehen ist, dass bei einer lokalen Erwärmung der Druckgasbehälterwand
die thermische Sicherungseinrichtung im Rahmen einer wählbaren
Sicherungsspezifikation auslösen
kann, d. h. so rasch auslösen
kann, dass eine sicherheitsrelevante Schädigung beziehungsweise Beeinträchtigung
der Behälterwand
nicht zu befürchten
ist. Die geforderte hohe Wärmeleitfähigkeit
kann zu diesem Zweck insbesondere der Wärmeleitfähigkeit eines metallischen
Materials entsprechen. Insbesondere kann das Wärmeübertragungsmittel zu diesem
Zweck aus einem metallischen Material gefertigt sein.
-
In
dem erfindungsgemäßen nichtmetallischen
Druckgasbehälter
kann somit vorteilhaft erreicht werden, dass bei einer lokalen Erwärmung der Druckgasbehälterwand,
welche entfernt von der thermischen Sicherungseinrichtung erfolgt,
thermische Energie durch das Wärmeübertragungsmittel
an die thermische Sicherungseinrichtung geleitet wird, so dass die
thermische Sicherungseinrichtung auslösen kann, noch bevor eine sicherheitsrelevante
Beeinträchtigung
der Druckgasbehälterwandung
zu befürchten
ist. Zudem wird in vorteilhafter Weise für den Fall, dass lediglich
die thermische Sicherungseinrichtung lokal erwärmt wird, durch das (offene)
thermische Schaltelement vermieden, dass das Wärmeübertragungsmittel als "Wärmesenke" wirkt, welches thermische Energie von
der thermischen Sicherungseinrichtung ableitet und somit ein rechtzeitiges
Auslösen
der thermischen Sicherungseinrichtung hindert beziehungsweise verzögert.
-
Das
Wärmeübertragungsmittel
kann der Außenfläche und/oder
der Innenfläche
der Druckgasbehälterwand
anliegen. Grundsätzlich
kann das Wärmeübertragungsmittel
beispielsweise als eine flächige,
beispielsweise plattenförmige
Struktur, oder eine gitterförmige,
beispielsweise netzgitterförmige
oder stabgitterförmige
Struktur, ausgebildet sein. Hierbei kann das Wärmeübertragungsmittel die Druckgasbehälterwand
vollständig
oder lediglich teilweise bedecken, wobei hierbei lediglich sichergestellt
werden muss, dass das Wärmeübertragungsmittel
die Druckgasbehälterwand
so "lückenlos" bedeckt, dass die thermische
Sicherungseinrichtung bei einer lokalen Erwärmung an jeder Stelle der Druckgasbehälterwand
auslösen
kann.
-
Die
Erfindung erstreckt sich ferner auf ein Kraftfahrzeug, das mit wenigstens
einem wie oben beschriebenen Druckgasbehälter ausgerüstet ist.
-
Die
Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen genommen wird. Gleiche beziehungsweise gleichwirkende
Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Es zeigen:
-
1 eine
schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters, beispielsweise eines
Gaskraftstoffbehälters
eines Kraftfahrzeugs;
-
2 eine
schematische Schnittdarstellung des Aufbaus eines weiteren Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Druckgasbehälters, beispielsweise
eines Gaskraftstoffbehälters
eines Kraftfahrzeugs;
-
3 eine
schematische Schnittdarstellung des Druckgasbehälters von 1 mit
einer lokalen Erwärmung
der Druckgasbehälterwand;
-
4 eine
schematische Schnittdarstellung des Druckgasbehälters von 1 mit
einer lokalen Erwärmung
der thermischen Sicherungseinrichtung.
-
Zunächst wird
Bezug auf 1 genommen, worin eine schematische
Darstellung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters, beispielsweise
eines Gaskraftstoffbehälters
eines Kraftfahrzeugs, gezeigt ist. Demnach umfasst ein beispielsweise
zylindrischer Druckgasbehälter,
welcher insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichnet ist,
eine Druckgasbehälterwand 2 und
ein Sicherheitsdruckventil 3, in dem in an sich bekannter Weise
eine thermische Sicherungseinrichtung 8, beispielsweise
eine Schmelzsicherung integriert ist, durch welche oberhalb einer
wählbaren
Auslösetemperatur,
beispielsweise 110°C,
kontrolliert Druckgas abgeblasen werden kann.
-
Innerhalb
des Druckgasbehälters 1,
in Kontakt mit der Innenfläche
der Druckgasbehälterwand 2,
ist ein hoch-wärmeleitfähiges Wärmeübertragungsmittel 4 aus
einem metallischen Material angeordnet. Das Wärmeübertragungs mittel 4 weist
eine Gitterstabstruktur mit einer Mehrzahl länglicher Gitterstäbe auf,
welche sich in 1 von links nach rechts erstrecken,
und mit Zwischenabständen
vollumfänglich
auf der Innenfläche
der zylindrischen Druckgasbehälterwand
angeordnet sind.
-
Das
Wärmeübertragungsmittel 4 beziehungsweise
die Gitterstabstruktur ist mit einem Bimetallschalter 5 (wärmeleitend)
verbunden und kann über
den Bimetallschalter 5, an welchen durch das Wärmeübertragungsmittel
thermische Energie übertragen
werden kann, mit der thermischen Sicherungseinrichtung 8 des
Sicherheitsdruckventils 3 wärmeleitend verbunden werden.
Die thermische Sicherungseinrichtung 8 ist zu diesem Zweck
mit einem hoch-wärmeleitfähigen, beispielsweise
metallischen Anschlussstück 6 versehen,
welches in Kontakt mit dem Bimetallschalter 5 gebracht
werden kann. Das Wärmeübertragungsmittel 4 ist
aus einem metallischen Material, beispielsweise Kupfer, gefertigt
und weist demnach die hohe Wärmeleitfähigkeit
eines metallischen Materials auf.
-
Der
Bimetallschalter 5, welcher einen metallischen Verbundwerkstoff
aus zwei verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen thermischen
Längenausdehnungskoeffizienten
enthält,
schaltet thermisch zwischen zwei verschiedenen Schalterstellungen:
einer ersten offenen Schalterstellung, in der der Bimetallschalter
keine wärmeleitende
Verbindung zum Anschlusstück 6 beziehungsweise
zur thermischen Sicherungseinrichtung hat und eine zweite geschlossene
Schalterstellung, in der der Bimetallschalter eine wärmeleitende
Verbindung zum Anschlusstück 6 beziehungsweise
zur thermischen Sicherungseinrichtung 8 hat. Der Bimetallschalter 5 ist so
eingerichtet, dass er oberhalb einer wählbaren Schwellentemperatur,
die unterhalb der Auslösetemperatur
der thermischen Sicherungseinrichtung liegt oder dieser gleich ist,
in seine geschlossene Schalterstellung übergeht, in der er eine wärmeleitende Verbindung
zwischen dem Wärmeübertragungsmittel 4 und
der thermischen Sicherungseinrichtung 8 herstellt, während er
unterhalb der Schwellentemperatur in seine offene Schalterstellung übergeht,
in der diese wärmeleitende
Verbindung unterbrochen ist.
-
In 1 ist
eine Situation dargestellt, in der sich der Bimetallschalter 5 in
seiner offenen Schalterstellung befindet, so dass die durch den
Bimetallschalter 5 vermittelte wärmeleitende Verbindung zwischen
dem Wärmeübertragungsmittel 4 und
der thermischen Sicherungseinrichtung 8 unterbrochen ist. Dies
entspricht einem "Normalzustand" des Bimetallschalters 5 bei
Raumtemperatur.
-
Es
wird nun Bezug auf 2 genommen, worin eine schematische
Darstellung des Aufbaus eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters, beispielsweise
eines Gaskraftstoffbehälters
eines Kraftfahrzeugs, gezeigt ist. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden,
werden lediglich die Unterschiede zur Ausführungsform von 1 beschrieben
und erläutert
und ansonsten wird auf die oben zu 1 gemachten
Ausführungen Bezug
genommen.
-
In
der in 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ist das
Wärmeübertragungsmittel 4 außerhalb
der Druckgasbehälterwand 2 in
Kontakt mit der Außenfläche der
Druckgasbehälterwand
angeordnet. Vorteilhaft kann hierdurch bei einer lokalen Erwärmung der
Druckgasbehälterwand 2,
bezogen auf die Ausführungsform
von 1, ein schnelleres Schalten des Bimetallschalters 5 beziehungsweise
Auslösen der
thermischen Sicherungseinrichtung 8 erreicht werden.
-
Es
wird nun Bezug auf die 3 und 4 genommen,
worin anhand der in 1 dargestellten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters dessen
Funktion erläutert
wird.
-
3 zeigt
eine Situation, bei der, ausgehend von einem offenen Bimetallschalter 5,
die Druckgasbehälterwand 2 durch
eine lokale Wärmequelle 7,
symbolisiert durch eine Flamme, lokal erwärmt wird. Durch den Wechselpfeil
soll angedeutet werden, dass die Wärmequelle 7 im Bereich
der Druckgasbehälterwand 2 angreift.
Eine solche Situation kann beispielsweise bei einem Fahrzeugbrand auftreten.
Nun wird durch das Wärmeübertragungsmittel 4 thermische
Energie zum Bimetallschalter 5 geleitet, welcher von seiner
offenen Schalterstellung in seine geschlossene Schalterstellung übergeht,
in der er eine wärmeleitende
Verbindung zwischen dem Wärmeübertragungsmittel 4 und
der thermischen Sicherungseinrichtung 8 herstellt, so dass
die thermische Sicherungseinrichtung auslösen und ein kontrolliertes
Abblasen von Gas aus dem Druckgasbehälter 1 bewirkt werden
kann.
-
Demgegenüber zeigt 4 eine
Situation, bei der lediglich das Sicherheitsdruckventil 3 beziehungsweise
die thermische Sicherungseinrichtung 8 durch eine lokale
Wärmequelle 7 lokal
erwärmt
wird. Der Bimetallschalter 5 wird durch die lokale Wärmequelle 7 nicht
erwärmt
und befindet sich in seiner offenen Schalterstellung. Insofern ist
das Sicherheitsdruckventil 3 beziehungsweise das Anschlussstück 6 nicht
mit dem Bimetallschalter 5 in Kontakt und thermische Energie
kann nicht an das Wärmeübertragungsmittel 4 abgeleitet
werden, so dass das Wärmeübertragungsmittel 4 nicht
als eine Wärmesenke wirkt,
welche ein frühzeitiges
Auslösen
der thermischen Sicherungseinrichtung des Sicherheitsdruckventils 3 hindert
oder verzögert.
-
- 1
- Druckgasbehälter
- 2
- Druckgasbehälterwand
- 3
- Sicherheitsdruckventil
- 4
- Wärmeübertragungsmittel
- 5
- Bimetallschalter
- 6
- Ansatzstück
- 7
- lokale
Wärmequelle
- 8
- thermische
Sicherungseinrichtung