DE102009014057A1 - Druckbehälter mit einem Liner aus Kunststoff - Google Patents

Druckbehälter mit einem Liner aus Kunststoff Download PDF

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Rudolf Dipl.-Ing. Bindel
Roland Dipl.-Ing. Bühler
Frank Dr.rer.nat. Hirlinger
Martin Dr. Ing. Keuerleber
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Abstract

Ein Druckbehälter (1) zum Speichern gasförmiger Medien verfügt über eine Wandung (2) aus einem Faserverbundwerkstoff und einen Liner (3) aus Kunststoff sowie einen Anschlussflansch (4). Zum einfachen Herstellen und Abdichten des Druckbehälters (1) ist ein Abschnitt (5) eines Außenumfangs des Anschlussflansches (4) konusförmig ausgebildet und wirkt mit einem korrespondierend ausgebildeten Stützring (6) an der Wandung (2) zusammen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zum Speichern gasförmiger Medien mit einer Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff und einem Liner aus Kunststoff sowie einem Anschlussflansch.
  • Besonders bei landgestützten Kraftfahrzeugen finden neuartige Antriebskonzepte unter Verwendung von Wasserstoffgas als Energieträger zunehmende Verbreitung. Hierzu muss der gasförmige Wasserstoff in einem Druckbehälter im Kraftfahrzeug mitgeführt werden. Der Druckbehälter besteht üblicherweise aus einer Druckflasche aus Metall, wobei diese Druckflaschen häufig nur bis zu einem 200-fachen Überdruck befüllt werden können und zudem ein hohes Eigengewicht aufweisen. Zur Verringerung des Eigengewichts des Druckbehälters ist es bekannt, eine Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff mit beispielsweise Kohlenstoff-, Aramid-, Glas-, Bor-, oder AL2O3-Fasern oder Gemischen hieraus anzufertigen, die in einer Matrix aus zum Beispiel Epoxid- oder Phenolharzen oder in Thermoplasten eingebettet sind. Zusätzlich ist ein Kunststoff-Liner als Gas- oder Dampfsperre vorgesehen, um eine Diffusion des Wasserstoffgases oder eines sonstigen gasförmigen Mediums aus dem Inneren des Druckbehälters heraus durch die Wandung aus Faserverbundwerkstoff zu unterbinden. Weiterhin verfügt ein derartiger Druckbehälter über mindestens einen Anschlussflansch zum Befüllen beziehungsweise zur Entnahme des gasförmigen Mediums. Derartige Druckbehälter sind unter anderem aus der DE 10 2006 057 422 B3 , der EP 0 753 700 B1 sowie der EP 1 151 224 B1 bekannt.
  • Als nachteilig ist es bei den bekannten Druckbehältern, beispielsweise aus der DE 10 2006 057 422 B3 anzusehen, dass eine Abdichtung des auf einer Innenseite der Wandung angeordneten Liners zum Anschlussflansch sowie die Abdichtung des Anschlussflansches zur Wandung selbst eines erheblichen konstruktiven Aufwands bedarf und ein gegebenenfalls zusätzlich eingebrachter elastischer O-Ring zur Abdichtung praktisch nicht lagegenau positioniert werden kann.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter der eingangs genannten Art anzugeben, der in einfacher Weise herstellbar ist und dessen Dichtheit zuverlässig gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Druckbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Ein im Rahmen der Erfindung an sich beliebig gestaltbarer Druckbehälter für gasförmige Medien verfügt über eine Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise wie vorstehend beschrieben, sowie einen innenseitig angeordneten Liner aus einem hierfür geeigneten Kunststoffmaterial. Ein Anschlussflansch zum Anschluss an beispielsweise eine Gasleitung in einem Kraftfahrzeug ist dabei derart ausgebildet, dass zumindest ein Abschnitt eines Außenumfangs des Anschlussflansches konusförmig ausgebildet ist. Dabei ist der Konus derart ausgerichtet, dass am vom eigentlichen Druckbehälter weg weisenden Ende des Anschlussflansches, in Längserstreckung des Druckbehälters gesehen, dessen Außendurchmesser geringer ist als an dessen zum Druckbehälter hin weisenden Ende. Weiterhin ist die Wandung beziehungsweise der Faserverbundwerkstoff mit einem ring- oder kragenförmig ausgebildeten Stützring ausgestattet, der wiederum zumindest abschnittsweise an seiner nach innen weisenden Oberfläche korrespondierend konisch ausgebildet ist.
  • Somit kann der Anschlussflansch von innen her durch die durch den Stützring gebildete Öffnung nach außen geschoben werden. Durch die konische Ausbildung des Anschlussflansches sowie der inneren Oberfläche des Stützrings wird ein lage- und passgenauer Sitz des Anschlussflansches am Stützring erreicht. Dabei dienen die unmittelbar aneinander anliegenden Oberflächen des Stützrings sowie des Anschlussflansches gleichzeitig als Dichtfläche, um den Druckbehälter gasdicht zu machen auch unter hohen Drücken.
  • Bei Verwendung geeigneter Materialien für die Wandung kann ein solcher Druckbehälter, insbesondere für die Befüllung mit Wasserstoffgas als Energieträger für ein Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs, mit bis zu 700-fachem Überdruck befüllt werden.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Herstellung und Abdichtung eines derartigen Druckbehälters wesentlich vereinfacht ist. Beispielsweise wird ein schlauchförmiges Kunststoffmaterial in an sich bekannter Weise aufgeblasen und am einen Ende mittels einer Quetschnaht als Bodenverschluss abgedichtet. Das andere, gegenüberliegende Ende des aufgeblasenen Schlauchs bildet eine Öffnung, in die ein Anschlussflansch eingesetzt wird. Nachfolgend wird das aufgeblasene Kunststoffmaterial in an sich bekannter Weise mit einem Faserverbundwerkstoff lagen- oder bahnenförmig umwickelt, um die eigentliche Wandung des Druckbehälters zu bilden. Dabei wird gleichzeitig auch ein Stützring eingebracht, um einen Kragen beziehungsweise Rand um die Öffnung des Druckbehälters herum zu bilden. Nachfolgend kann der Faserverbundwerkstoff ausgehärtet werden und anschließend wird der Anschlussflansch vorzugsweise wie im Folgenden beschrieben relativ zum Stützring festgelegt und abgedichtet.
  • Zur Verbesserung der Abdichtung des Druckbehälters ist vorgeschlagen, dass ein Abschnitt des Liners zwischen einer Schulter des Anschlussflansches und einer weiteren Schulter des Stützrings angeordnet ist, um auch in diesen Bereichen ein Hindurchtreten insbesondere von Wasserstoffgas zu unterbinden. Die beiden Schultern verlaufen dabei vorzugsweise um den Stützring beziehungsweise den Anschlussflansch durchgehend umlaufend. Beim festlegen des Anschlussflansches wird das Material des Liners zusätzlich zusammengepresst und somit die Dichtigkeit erhöht.
  • Zusätzlich kann in diesem Bereich zwischen den Schultern des Stützrings und des Anschlussflansches ein zusätzlicher O-Ring aus einem hierfür geeigneten dauerelastischen Material eingebracht sein. Beispielsweise ist hierfür in der Schulter des Anschlussflansches eine um die Öffnung durchgehend umlaufende Nut ausgebildet, in die der O-Ring vor der Montage des Druckbehälters eingelegt wird.
  • Vorzugsweise ist der O-Ring unter Vorspannung in der Nut angeordnet, um den lagerichtigen Sitz während der Montage zu gewährleisten. Wird der Anschlussflansch relativ zum Stützring an diesem festgelegt, so wird der O-Ring in Längsrichtung des Druckbehälters gesehen verpresst und dichtet den Druckbehälter ab.
  • In einfacher Weise ist der Anschlussflansch mittels einer Mutter festlegbar. Hierzu verfügt der Anschlussflansch über ein Gewinde und die Mutter kann sich an dem Stützring abstützen, wobei gegebenenfalls noch eine Unterlegscheibe zwischen Mutter und Stützring eingebracht werden kann.
  • In einfacher Weise ist der Liner in Form einer schlauchförmigen Kunststofffolie ausgebildet, insbesondere aus Polyethylen mit einer Dicke von wenigen Millimetern oder auch aus einer Mehrschichtfolie (z. B. PET/EVOH/PET). Eine derartige Folie ist relativ weich, dient aber als Dampfsperre gegen eine Diffusion des Wasserstoffgases.
  • Als Materialien für den Stützring und/oder den Anschlussflansch sind Kunststoffe oder Metalle vorgeschlagen. Beispielsweise kann der Anschlussflansch aus Aluminium angefertigt werden und der Stützring aus einem hochfesten Kunststoff wie PEEK (Poly Ether Ether Keton).
  • Zur Ausgestaltung des Konus ist vorgeschlagen, dass dieser einen Öffnungswinkel zwischen zehn Grad und 30 Grad aufweist, wobei ein Winkel von zehn Grad bevorzugt ist. Bei diesem Öffnungswinkel ist ein selbsttätiges Zentrieren und ein passgenauer Sitz beispielsweise beim Anziehen der Mutter gewährleistet, so dass der Druckbehälter ohne Nachbearbeitung druckdicht ist. Gegebenenfalls können auch geringfügig kleinere oder größere Öffnungswinkel gewählt werden.
  • Im Vorhergehenden wurde die Erfindung im Wesentlichen im Zusammenhang mit einem Kraftstofftank für ein gasförmiges Medium eines landgestützten Kraftfahrzeugs beschrieben, insbesondere als Wasserstoff-Drucktank, der beispielsweise mit bis zu 700-fachem Überdruck befüllt werden kann. Es versteht sich, dass ein derartiger Druckbehälter aber auch auf allen anderen Gebieten der Technik eingesetzt werden kann, beispielsweise als Vorratsbehälter für ein mobiles oder stationäres System zur Erzeugung von Energie unter Verwendung eines gasförmigen Mediums.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sowie den einzelnen Patentansprüchen entnommen werden.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1 einen Druckbehälter in schematischer Querschnittsdarstellung.
  • 1 zeigt nicht maßstäblich einen Druckbehälter 1, insbesondere in einem landgestützten Kraftfahrzeug, mit einer Wandung 2 aus einem Faserverbundwerkstoff und einem Liner 3 aus Kunststoff sowie einem Anschlussflansch 4 aus Kunststoff oder Metall. Derartige Druckbehälter 1 können mit Wasserstoffgas befüllt werden, das als Energieträger für neuartige Antriebssysteme in Kraftfahrzeugen dient. Das Wasserstoffgas kann hierbei mit bis zu 700-fachem Atmosphärendruck in den Druckbehälter 1 eingefüllt werden. Der Liner 3, beispielsweise eine Polyethylenfolie oder Multilayerfolie, dient als Dampfsperre, um die Diffusion des Wasserstoffgases aus dem Druckbehälter 1 heraus zu unterbinden.
  • Wie aus dem Öffnungswinkel α ersichtlich ist ein Abschnitt 5 eines Außenumfangs des Anschlussflansches 4 konusförmig ausgebildet mit einem Öffnungswinkel von vorzugsweise zehn Grad bis 30 Grad, insbesondere von zehn Grad.
  • Weiterhin verfügt der Druckbehälter 1 über einen Stützring 6, beispielsweise aus einem Hartkunststoff, dessen nach innen weisende Oberfläche 7 zumindest abschnittsweise korrespondierend konusförmig ausgebildet ist.
  • Bei der Herstellung eines derartigen Druckbehälters 1 wird zunächst ein schlauchförmiges Folienmaterial des Liners 3 an einem Ende quetschverschweißt und nachfolgend schlauchförmig aufgeblasen. In eine Öffnung 8 am freien Ende des Liners 3 wird der Anschlussflansch 4 beispielsweise aus Aluminium eingebracht, wobei eine Schulter 9 des Anschlussflansches 4 von innen her am Liner 3 anliegt. Weiterhin wird von außen her der Stützring 6 derart angeordnet, dass der Liner 3 zwischen der Schulter 9 des Anschlussflansches 4 und einer Schulter 10 des Stützrings 6 angeordnet ist.
  • Gegebenenfalls ist in der Schulter 9 des Anschlussflansches 4 noch eine ringförmig um die Öffnung 8 umlaufende Nut 11 ausgebildet, in der ein O-Ring 12 vorzugsweise unter Vorspannung eingesetzt ist.
  • Nachfolgend wird in an sich bekannter Weise die eigentliche Wandung 2 des Druckbehälters 1 durch bahnen- oder lagenförmiges Umwickeln des schlauchartig aufgeblasenen Liners 3 hergestellt und ausgehärtet. Zum Verschließen des Druckbehälters 1 wird nunmehr der Anschlussflansch 4, der an seinem freien Ende mit einem Gewinde 13 ausgestattet ist, über eine Mutter 14 sowie eine Unterlegscheibe 15 relativ zum Stützring 6 angezogen und arretiert.
  • Durch die konusförmige Ausbildung des Abschnitts 5 des Anschlussflansches 4 sowie der Oberfläche 7 des Stützrings 6 erfolgt eine selbsttätige passgenaue Ausrichtung des Anschlussflansches 4 relativ zum Stützring 6, so dass diese beiden Abschnitte 5 beziehungsweise Oberflächen 7 als Dichtfläche dienen und die Druckdichtigkeit des Druckbehälters 1 dauerhaft gewährleistet ist. Zudem wird zur zusätzlichen Abdichtung der O-Ring 12 in der Nut 11 verpresst sowie der Liner 3 zwischen den beiden schultern 9, 10.
    • 1
    Druckbehälter
    2
    Wandung
    3
    Liner
    4
    Anschlussflansch
    5
    Abschnitt des Anschlussflansches
    6
    Stützring
    7
    Oberfläche des Stützrings
    8
    Öffnung des Druckbehälters
    9
    Schulter am Anschlussflansch
    10
    Schulter am Stützring
    11
    Nut
    12
    O-Ring
    13
    Gewinde
    14
    Mutter
    15
    Unterlegscheibe
    α
    Öffnungswinkel des Konus
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006057422 B2 [0002]
    • - EP 0753700 B1 [0002]
    • - EP 1151224 B1 [0002]
    • - DE 102006057422 B3 [0003]

Claims (9)

  1. Druckbehälter (1) zum Speichern gasförmiger Medien mit einer Wandung (2) aus einem Faserverbundwerkstoff und einem Liner (3) aus Kunststoff sowie einem Anschlussflansch (4), dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt (5) eines Außenumfangs des Anschlussflansches (4) konusförmig ausgebildet ist und der Anschlussflansch (4) mit einem korrespondierend ausgebildeten Stützring (6) an der Wandung (2) zusammenwirkt.
  2. Druckbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt des Liners zwischen einer Schulter (9) des Anschlussflansches (4) und einer Schulter (10) des Stützrings (6) angeordnet ist.
  3. Druckbehälter (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Bereich ein O-Ring (12) angeordnet ist.
  4. Druckbehälter (1) nach Anspruche 3, dadurch gekennzeichnet, dass der O-Ring (12) vorgespannt ist.
  5. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussflansch (4) mit einer Mutter (14) festlegbar ist.
  6. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Liner (3) eine Kunststofffolie ist, insbesondere aus Polyethylen oder eine Multilayerfolie.
  7. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (6) und/oder der Anschlussflansch (4) aus Kunststoff oder Metall bestehen.
  8. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öffnungswinkel (α) des Konus zwischen zehn Grad und 30 Grad beträgt.
  9. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (1) als Vorratstank für ein gasförmiges Medium zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs dient, insbesondere zum Speichern von Wasserstoffgas mit bis zu 700-fachem Atmosphärendruck.
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