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Die
Erfindung betrifft einen Composite-Druckgasbehälter für ein Gas, mit einer Außenhülle und
einem von dieser umhüllten
Liner aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
in dessen Zu- und Abfuhröffnung
ein zumindest einen Kanal für
die Zufuhr und/oder Abfuhr von Gas aufweisendes Verschlusselement
eingesetzt ist. Ein solcher Behälter
kann beispielsweise bzw. vorzugsweise an einem Kraftfahrzeug zum
Einsatz kommen, um CNG oder Wasserstoff beispielsweise auch in kryogenem
Zustand, als Energieträger
für das
Fahrzeug-Antriebsaggregat oder für
ein Hilfsaggregat zu speichern.
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Die
grundsätzlich
bekannten bspw. flaschenförmigen
Composite-Druckgasbehälter
mit Aluminium-Linern zeichnen sich durch ein relativ geringes Gewicht
aus und sind somit zur Druckgas-Speicherung in Fahrzeugen gut geeignet.
Eine neuere Entwicklung geht dahin, kryogenen Wasserstoff unter Druck
im überkritischen
Zustand als Energieträger für ein Fzg.-Antriebsaggregat
zu speichern. In bestimmten Betriebszuständen kann dabei der gespeicherte
Wasserstoff eine Temperatur von 35 Kelvin haben, während unter
anderen Betriebszuständen Druckwerte
in der Größenordnung
von 300 bar und mehr im Druckbehälter-System
auftreten können. Dabei
ist anzustreben, einen (unerwünschten)
Wärmeeintrag
von der Umgebung in den Druckgasbehälter so gering als möglich zu
halten.
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Bekanntlich
erfolgt über
die Anschlussleitungen eines Druckgasbehälters, über welche dieser beladen bzw.
entladen wird, gleichzeitig ein Wärmeaustausch, d. h. es wird über diese
Anschlussleitungen, die einen Kanal bzw. Kanäle für die Zufuhr von Gas in den
Druckgasbehälter
bzw. für
die Abfuhr von Gas aus dem Druckgasbehälter enthalten, Wärme aus der
Umgebung in den Innenraum des Druckgasbehälters eingebracht. Daher sollten
die für
diese Anschlussleitungen verwendeten Werkstoffe im Hinblick auf
eine Reduzierung des Wärmeeintrags
in den Druckgasbehälter
eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit
(bei gleichzeitig ausreichender Festigkeit) aufweisen. Vorzugsweise
können
diese Anschlussleitungen daher in Edelstahl ausgeführt sein.
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Im
Hinblick auf die genannten hohen Druckwerte müssen auch die Verbindungen
zwischen einzelnen Leitungen des Anschlussleitungs-Systems und zwischen
der oder den Anschlussleitung(en) und dem Aluminium-Liner des Druckgasbehälters absolut druckdicht
ausgebildet sein, weshalb hierfür
praktisch nur Schweißverbindungen
in Frage kommen. Edelstahl als Material ist jedoch mit Aluminium
nicht einfach verschweißbar.
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Vorliegend
soll daher ein Composit-Druckgasbehälter mit einem Liner aus Leichtmetall,
insbesondere aus Aluminium, aufgezeigt werden, an den Anschlussleitungen
bzw. eine Anschlussleitung aus einem Stahlwerkstoff, insbesondere
aus Edelstahl, relativ einfach anschweißbar ist (= Aufgabe der vorliegenden
Erfindung).
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Die
Lösung
besteht in einem Composite-Druckgasbehälter mit einer Außenhülle und
einem von dieser umhüllten
Liner aus einem Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung, in dessen Zu- und Abfuhröffnung ein zumindest einen
Kanal für
die Zufuhr und/oder Abfuhr von Gas aufweisendes Verschlusselement
eingesetzt und direkt oder indirekt durch eine Schweißverbindung
mit dem Liner verbunden ist und an dessen Kanal oder Kanäle sich
eine aus einem Stahlwerkstoff bestehende Anschlussleitung anschließt und wobei
ein Übergangselement
vorgesehen ist, dessen erster Endabschnitt aus Leichtmetall, insbesondere aus
Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, besteht und entweder mit
dem Liner oder mit dem aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung bestehenden Verschlusselement verschweißt ist,
und dessen anderer Endabschnitt aus einem Stahlwerkstoff besteht,
der entweder mit dem aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Verschlusselement
oder mit der aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Anschlussleitung
verschweißt ist.
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Erfindungsgemäß ist ein
sog. Übergangselement
vorgesehen, durch welches hindurch der oder die sich in der Anschlussleitung
fortsetzende Kanal oder Kanäle
direkt oder indirekt, d. h. unter Zwischenlage eines anderen Bauelements,
geführt
ist/sind. Die beiden Endabschnitte dieses Übergangselements bestehen aus
unterschiedlichen Materialien, nämlich
aus Aluminium bzw. einer verschweißbaren Aluminium-Legierung
einerseits und aus Stahl, vorzugsweise Edelstahl anderer seits, wodurch
es möglich
ist, dieses Übergangselement
mit seinem ersten Endabschnitt relativ einfach mit einem Aluminium-Bauteil
der durch den Druckgasbehälter,
dessen Verschlusselement und die Anschlussleitung gebildeten Baueinheit
des Druckgasbehälters
zu verschweißen,
während
der aus Stahl bestehende zweite Endabschnitt des Übergangselements
relativ einfach mit einem aus einem Stahlwerkstoff bestehenden Bauelement
der durch den Druckgasbehälter, dessen
Verschlusselement und die Anschlussleitung gebildeten Baueinheit
verschweißt
werden kann. Sowohl im Patentanspruch 1 als auch in der späteren Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele sind
dabei verschiedene Varianten angegeben.
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Das
sog. Übergangselement,
von welchem ein Aluminium-Endabschnitt mit einem (Edel)-Stahl-Endabschnitt
verbunden ist, kann mittels spezieller geeigneter Fertigungsverfahren
hergestellt werden, wobei eine fertigungstechnisch aufwändige Schweißverbindung
zwischen Stahl einerseits und Aluminium andererseits aus Sicherheitsgründen und
Dichtigkeitsgründen
vorgezogen wird. Andererseits sind solche aufwändigen Schweißverbindungen,
wie vorzugsweise Reibschweißen
oder Sprengschweißen
an einem separaten Übergangselement
noch relativ einfach umsetzbar, solange keine anderen Bauteile,
wie der Druckgasbehälter
selbst oder die Anschlussleitung(en) in der Nähe sind bzw. berücksichtigt
werden müssen.
Insbesondere wegen der im Betrieb eines erfindungsgemäßen Druckgasbehälters standzuhaltenden
hohe Drücke
kann es empfehlenswert sein, ein das Übergangselement insbesondere
im Stoßbereich
bzw. Fügebereich
der beiden Materialien (nämlich
Aluminium und Stahl) umgebendes Spannelement vorzusehen.
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Die
beigefügten 1–4 zeigen
vier Ausführungsbeispiele
jeweils in einer Prinzip-Darstellung als Schnitt durch den Bereich
der Zu- und Abfuhröffnung
eines erfindungsgemäßen Composite-Druckgasbehälters. In
sämtlichen
Figuren sind gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet
und erfindungswesentlich können sämtliche
näher beschriebenen
Merkmale sein.
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Mit
der Bezugsziffer 1 ist ein Composite-Druckgasbehälter gekennzeichnet,
von welchem nur der Bereich in der Umgebung der Zu- und Abfuhröffnung 1c dieses
Druckgasbehälters 1 figürlich dargestellt
ist. Dieser Composite-Druckgasbehälter besteht wie üblich aus
einem sog. Liner 1a aus Aluminium, der von einer CFK- Außenhülle 1b umhüllt ist.
Innerhalb dieses Liners 1a soll kryogener Wasserstoff zunächst in überkritischem
Zustand und bei Drücken von
300 bar und mehr gespeichert werden.
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In
den Druckgasbehälter 1 bzw.
in den Hohlraum des Liners 1a eingeführt wird das Wasserstoff-Gas über einen
Zufuhr-Kanal 2a, während
für die
Abfuhr von Wasserstoff-Gas aus dem Druckgasbehälter 1 (zur Versorgung
eines Fahrzeug-Antriebsaggregats
mit diesem Wasserstoff als Energieträger) ein Abfuhr-Kanal 2b vorgesehen
ist. Diese beiden Kanäle 2a, 2b sind
durch ein in die Zu- und Abfuhröffnung 1c des
Druckgasbehälters 1,
dessen Liner 1a in diesem Bereich nach Art eines Flaschenhalses 1a* ausgebildet
ist, eingesetztes Verschlusselement 3 hindurchgeführt und
durchdringen direkt oder indirekt weiterhin ein sog. Übergangselement 4,
auf welches im weiteren noch näher
eingegangen wird. Letztlich setzen sich die Kanäle 2a bzw. 2b in
Anschlussleitungen 5a bzw. 5b fort, welche in
Edelstahl ausgeführt sind.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 1 ist (auch) das Verschlusselement 3 in
Edel-Stahl ausgeführt und über einen
Gewindeabschnitt 11 mit dem Liner 1a verbunden,
d. h. in dessen Flaschenhals 1a* eingeschraubt. Allerdings
kann diese Schraubverbindung in Verbindung mit einem herkömmlichen
eingesetzten Dichtelement den Anforderungen an die Dichtheit (insbesondere
auch über
den gesamtem möglichen
Temperaturbereich hinweg) nicht genügen, weshalb es notwendig ist,
eine Schweißverbindung
darzustellen, was aber zwischen den unterschiedlichen Materialien,
nämlich
dem Aluminium-Werkstoff des Liners 1a und dem Stahl-Werkstoff des Verschlusselements 3 nicht
einfach möglich
ist. Aus diesem Grunde ist hier ein ringförmiges sog. Übergangselement 4 vorgesehen,
das sich mit einer Seite an die Stirnseite des Flaschenhalses 1a* des Liners 1a anschließt und mit
seiner anderen Seite an einem stufenförmigen Absatz 3a des
Verschlusselements 3 anliegt.
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Es
sind zwei ringförmige
Einzelelemente 4a, 4b zu diesem Übergangselement 4 zusammengefügt. Das
am Flaschenhals 1a* bzw. am Liner 1a mit seinem
freien Endabschnitt anliegende Einzelelement 4a des Übergangselements 4 besteht
aus einem Aluminium-Werkstoff und kann daher mit dem Liner 1a bzw.
mit dessen Flaschenhals 1a* in einem ringförmigen,
senkrecht zu den Kanälen 2a, 2b im Bereich
des Flaschenhalses 1a* verlaufenden Fügebereich 12, nämlich in
der Stoßstelle
dieser beiden Elemente, mit dem Liner 1a verschweißt werden.
Das am Absatz 3a des Verschlusselements 3 in einem zweiten,
ebenfalls ringförmigen
und senkrecht zu den Kanälen 2a, 2b im
Bereich des Flaschenhalses 1a* verlaufenden Fügebereich 13 mit
seinem freien Endabschnitt anliegende zweite Einzelelement 4b des Übergangselements 4 ist
in einem Stahlwerkstoff ausgeführt,
so dass in diesem zweiten Fügebereich 13 einfach
eine Schweißverbindung
zwischen dem zweiten Einzelelement 4b des Übergangselements 4 und
dem in Edel-Stahl ausgeführten
Verschlusselement 3 hergestellt werden kann. In einem abermals ringförmigen,
senkrecht zu den Kanälen 2a, 2b im Bereich
des Flaschenhalses 1a* verlaufenden Fügebereich 14 sind
die beiden Einzelelemente 4a, 4b des Übergangselements 4 über eine
spezielle Schweißverbindung
miteinander verbunden, wobei zur Vorfertigung dieses Übergangselements 4 abseits
des Druckgasbehälters 1 und
des Verschlusselements 3 vorzugsweise ein Reibschweißverfahren
oder ein Sprengschweißverfahren
(= Sprengplattieren), alternativ aber auch ein Diffusionsschweißverfahren
oder ein Walzverfahren (Kaltwalzen oder Heißwalzen) zum Einsatz kommt.
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Nach
erfolgten Zusammenbau bzw. Verschweißen des vorgefertigten Übergangselements 4 mit
dem Liner 1a einerseits und mit dem Verschlusselement 3 andererseits
kann am Außenumfang
des Übergangselements 4 ein
dieses insbesondere im Stoßbereich
bzw. Fügebereich 14 der
beiden Einzelelemente 4a, 4b und somit der beiden
Materialien, nämlich
Aluminium und Stahl, umgebendes Spannelement 6 aufgebracht
werden, welches potentielle Verformungen insbesondere des Übergangselements 4 aufgrund
der hohen Druckbelastungen verhindert. Bei diesem Spannelement 6 kann
es sich vorzugsweise um einen aufgeschrumpften Stahlring handeln.
Im übrigen
können
sich an das in einem Stahlwerkstoff ausgeführte Verschlusselement 3 die vorzugsweise
in Edel-Stahl ausgeführten
Anschlussleitungen 5a, 5b im Bereich der Kanäle 2a, 2b einfach über Schweißverbindungen
anschließen.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 2 übernimmt
das Übergangselement 4,
genauer dessen dem Liner 1a zugewandtes Einzelelement 4a gleichzeitig
die Funktion des Verschlusselements 3. Dabei ist dieses
Einzelelement 4a des Übergangselements 4 ebenso
wie der Liner 1a in Aluminium bzw. in einer geeigneten
Aluminium-Legierung ausgeführt
und mit dem Liner 1a bzw. mit der Stirnseite von dessen
Flaschenhals 1a* in einem ringförmigen, sich im wesentlichen
senkrecht zu den Kanälen 2a, 2b erstreckenden
Fügebereich 12 verschweißt. Zusätzlich ist
das Einzelelement 4a des Übergangselements 4 über einen
Gewindeabschnitt 11 mit dem Liner 1a verbunden,
jedoch kann diese letztgenannte Schraubverbindung in Verbindung
mit einem herkömmlichen
eingesetzten Dichtelement den Anforderungen an die Dichtheit (insbesondere
auch über
den gesamtem möglichen
Temperaturbereich hinweg) nicht genügen, weswegen die bereits genannte
Schweißverbindung
im Fügebereich 12 vorgesehen
ist.
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Das
zweite Einzelelement 4b des Übergangselements 4 ist
(wiederum) in Stahl ausgeführt,
so dass sich an dieses Einzelelement 4b mit den darin verlaufenden
Kanälen 2a, 2b die
beiden Anschlussleitungen 5a, 5b (abermals) über eine
Schweißverbindung
anschließen
können.
Analog zum Ausführungsbeispiel
nach 1 sind auch bei diesem Ausführungsbeispiel nach 2 die
beiden Einzelelemente 4a, 4b über eine spezielle Schweißverbindung im
ringförmigen,
sich im wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Kanäle 2a, 2b in
diesem Bereich erstreckenden Fügebereich 14 miteinander
verbunden, wobei zur Vorfertigung dieses Übergangselements 4 abseits
des Druckgasbehälters 1 und
der Anschlussleitungen 5a, 5b vorzugsweise ein
Reibschweißverfahren
oder ein Sprengschweißverfahren
(= Sprengplattieren), alternativ aber auch ein Diffusionsschweißverfahren
oder ein Walzverfahren (Kaltwalzen oder Heißwalzen) zum Einsatz kommt.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 3 ist ein eigenständiges Verschlusselement 3 bestehend
aus einem Aluminium-Werkstoff vorgesehen, welches folglich mit dem
Liner 1a bzw. mit dessen Flaschenhals 1a* in einem
ringförmigen,
sich im wesentlichen senkrecht zum Verlauf der Kanäle 2a, 2b in
diesem Bereich erstreckenden Fügebereich 12 einfach
verschweißt
werden kann. Eine ebenso einfache Schweißverbindung ist zwischen dem
anderen Endabschnitt dieses Verschlusselements 3 und den
hier beiden Übergangselementen 4 möglich, welche
für die
beiden sich in unterschiedlichen Richtungen aus dem Verschlusselement 3 austretenden
Kanäle 2a, 2b vorgesehen
sind. Diese beiden Übergangselemente 4 weisen
jeweils analog den vorangegangenen Ausführungsbeispielen jeweils ein
erstes aus einem Aluminium-Werkstoff bestehendes Einzelelement 4a und
ein sich hieran anschließendes
zweites, aus einem Stahl-Werkstoff bestehendes Einzelelement 4b auf.
Diese beiden Einzelelemente 4a, 4b sind oder werden
analog den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
in einem ringförmigen,
sich im wesentlichen senkrecht zum Verlauf des jeweiligen Kanals 2a bzw. 2b in
diesem Bereich erstreckenden Fügebereich 14 über eine
spezielle Schweißverbindung
(vorzugsweise Reibschweißen
oder Sprengschweißen
oder andere bereits genannte Verfahren) miteinander verbunden, bevor
das erste Einzelelement 4a mit seinem freien Endabschnitt
mit dem Verschlusselement 3 und das zweite Einzelelement 4b mit
seinem freien Endabschnitt mit einer der hier figürlich nicht
dargestellten Anschlussleitungen (5a bzw. 5b) über eine
Schweißverbindung
verbunden wird.
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Das
Ausführungsbeispiel
nach 4 ist ähnlich
dem Ausführungsbeispiel
nach 2 gestaltet, mit dem Unterschied, dass das Einzelelement 4b des Übergangselementes 4,
welches hier abermals das Verschlusselement 3 bildet, der
Innenseite des Behälters 1 zugewandt
ist, während
das andere Einzelelement 4a auf der Außenseite liegt. Weiterhin sind bei
diesem Ausführungsbeispiel
die Anschlussleitungen 5a, 5b mit dem Einzelelement 4b verschweißt, während das
Einzelelement 4a im Fügebereich 12 mit
dem Linear 1a verschweißt ist.
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Mit
Hilfe des sog. Übergangselementes 4, welches
vorab in einem aufwändigeren
Herstellungsverfahren gefertigt werden kann, ist es somit möglich, an
einem Composite-Druckgasbehälter 1 mit
einem Aluminium-Liner 1a auf relativ einfache und sichere Weise über relativ
einfache Schweißverbindungen Anschlussleitungen 5a, 5b aus
Edelstahl anzubringen, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus
eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen
gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.