DE102009014057A1 - Pressure vessel for storing hydrogen gas for driving land-based motor vehicle, has liner made of plastic, and flange cooperating with support ring at wall, where section of outer circumference of flange is conical - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter zum Speichern gasförmiger Medien mit einer Wandung aus einem Faserverbundwerkstoff und einem Liner aus Kunststoff sowie einem Anschlussflansch.The The invention relates to a pressure vessel for storing gaseous Media with a wall of a fiber composite material and a liner made of plastic and a connection flange.
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
Als
nachteilig ist es bei den bekannten Druckbehältern, beispielsweise
aus der
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.outgoing From this prior art, the invention is based on the object to specify a pressure vessel of the type mentioned, which can be produced in a simple manner and its tightness reliable is guaranteed.
Diese Aufgabe wird bei einem Druckbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.These Task is at a pressure vessel with the features of claim 1.
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.One in the context of the invention in itself any designable pressure vessel for gaseous media has a wall of a fiber composite material, preferably as above described, as well as an inner liner of a suitable plastic material for this purpose. A connection flange for connection to, for example, a gas line in a motor vehicle is designed such that at least a portion of a Outer circumference of the connecting flange cone-shaped is trained. The cone is oriented in such a way that the from the actual pressure tank facing away end of the connecting flange, seen in the longitudinal extension of the pressure vessel, whose outer diameter is smaller than at the Pressure vessel pointing end. Furthermore, the wall or the fiber composite material with a ring or collar-shaped equipped support ring, in turn, at least in sections on its inward facing surface is designed correspondingly conical.
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.Consequently can the flange from the inside through through the support ring formed opening are pushed outward. Due to the conical design of the connection flange and the inner Surface of the support ring becomes a more precise fit Seat of the connection flange reached on the support ring. there serve the directly adjacent surfaces of the support ring and the connection flange at the same time as a sealing surface, gas-tight around the pressure vessel even under high pressure.
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.at Use of suitable materials for the wall can Such a pressure vessel, in particular for the Filling with hydrogen gas as an energy source for a drive system of a motor vehicle, with up to Be filled 700-fold overpressure.
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.Of the Advantage of the invention is that the production and sealing such a pressure vessel considerably simplified is. For example, a tubular plastic material in inflated in a known manner and at one end by means of a Squeeze seam sealed as a bottom closure. The other, opposite End of the inflated tube forms an opening, in a connection flange is used. Below is the inflated Plastic material in a conventional manner with a fiber composite material layered or web-wrapped, around the actual Form wall of the pressure vessel. It will be at the same time also introduced a support ring to a collar respectively Edge around the opening of the pressure vessel around form. Subsequently, the fiber composite material cured and then the connecting flange is preferably as described below relative to the support ring set and sealed.
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.to Improvement of the sealing of the pressure vessel is proposed that a section of the liner between a shoulder of the connecting flange and a further shoulder of the support ring is arranged, in order to pass through these areas in particular To prevent hydrogen gas. The two shoulders are lost preferably around the support ring or the connection flange continuously circulating. When setting the connection flange is the material of the liner additionally compressed and thus increasing the tightness.
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.additionally can in this area between the shoulders of the support ring and the connecting flange an additional O-ring introduced a suitable for this purpose permanently elastic material be. For example, this is in the shoulder of the connection flange formed around the opening by a continuous circumferential groove, in which the O-ring is inserted before mounting the pressure vessel becomes.
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.Preferably the O-ring is biased in the groove to the correct position during assembly. Will the Connecting flange relative to the support ring fixed to this so the O-ring is in the longitudinal direction of the pressure vessel seen squeezes and seals the pressure vessel.
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 in a simple way, the connecting flange can be fixed by means of a nut. For this purpose, the connection flange has a thread and the nut can be supported on the support ring, optionally with a washer between the nut and the support ring can be introduced.
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.In simple way is the liner in the form of a tubular Plastic film formed, in particular polyethylene with a Thickness of a few millimeters or even of a multilayer film (eg PET / EVOH / PET). Such a film is relatively soft, serves but as a vapor barrier against diffusion of the hydrogen gas.
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).When Materials for the support ring and / or the connection flange are proposed plastics or metals. For example, can the connecting flange made of aluminum and the support ring made of a high-strength plastic such as PEEK (poly ether ether ketone).
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.to Configuration of the cone is proposed that this an opening angle between ten degrees and 30 degrees, with an angle of ten Degree is preferred. At this opening angle is an automatic Centering and a perfect fit, for example, when putting on the mother ensures so that the pressure vessel is pressure-tight without post-processing. If necessary, too slightly smaller or larger opening angles to get voted.
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.in the The foregoing has been essentially related to the invention with a fuel tank for a gaseous medium a land-based motor vehicle, in particular as Hydrogen pressure tank, for example, with up to 700-fold overpressure can be filled. It is understood that such a Pressure vessel but also in all other areas of the Technique can be used, for example as a reservoir for a mobile or stationary system for production of energy using a gaseous medium.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung zu dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sowie den einzelnen Patentansprüchen entnommen werden.Further Advantages and features of the invention may be the following Description of the embodiment shown in the drawing and the individual claims.
In der Zeichnung zeigt:In the drawing shows:
Wie
aus dem Öffnungswinkel α ersichtlich ist ein Abschnitt
Weiterhin
verfügt der Druckbehälter
Bei
der Herstellung eines derartigen Druckbehälters
Gegebenenfalls
ist in der Schulter
Nachfolgend
wird in an sich bekannter Weise die eigentliche Wandung
Durch
die konusförmige Ausbildung des Abschnitts
- 11
- Druckbehälterpressure vessel
- 22
- Wandungwall
- 33
- Linerliner
- 44
- Anschlussflanschflange
- 55
- Abschnitt des Anschlussflanschessection of the connection flange
- 66
- Stützringsupport ring
- 77
- Oberfläche des Stützringssurface of the support ring
- 88th
- Öffnung des Druckbehältersopening of the pressure vessel
- 99
- Schulter am Anschlussflanschshoulder at the connection flange
- 1010
- Schulter am Stützringshoulder on the support ring
- 1111
- Nutgroove
- 1212
- O-RingO-ring
- 1313
- Gewindethread
- 1414
- Muttermother
- 1515
- Unterlegscheibewasher
- αα
- Öffnungswinkel des Konusopening angle of the cone
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102006057422 B2 [0002] - DE 102006057422 B2 [0002]
- - EP 0753700 B1 [0002] EP 0753700 B1 [0002]
- - EP 1151224 B1 [0002] - EP 1151224 B1 [0002]
- - DE 102006057422 B3 [0003] - DE 102006057422 B3 [0003]
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DE102009014057A DE102009014057A1 (en) | 2009-03-20 | 2009-03-20 | Pressure vessel for storing hydrogen gas for driving land-based motor vehicle, has liner made of plastic, and flange cooperating with support ring at wall, where section of outer circumference of flange is conical |
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