DE102009024593A1

DE102009024593A1 - Aktivierung einer Druckentlastungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102009024593A1
Application number: DE102009024593A
Authority: DE
Inventors: Markus Lindner; Wolfgang Oelerich; Michael Birmingham Herrmann
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2029-06-11
Also published as: US20090308874A1; US8038029B2; CN101603626B; DE102009024593B4; CN101603626A

Abstract

Es ist ein Druckbehälter zum Speichern eines Druckfluids vorgesehen. Der Druckbehälter umfasst eine Verbundschicht mit einer äußeren Fläche und einer inneren Fläche. Die innere Fläche definiert einen innen liegenden Hohlraum. Der Druckbehälter umfasst ferner zumindest eine Druckentlastungsvorrichtung in fluidtechnischer Verbindung mit dem innen liegenden Hohlraum. Zumindest ein wärmeleitfähiges Element ist kontinuierlich auf die äußere Fläche der Verbundschicht aufgewickelt und geeignet, um eine Last zu tragen und Wärme von einer Wärmequelle benachbart zu der Verbundschicht zu der zumindest einen Druckentlastungsvorrichtung zu transportieren. Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung des Druckbehälters vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenlegung betrifft einen Speicherbehälter und im Spezielleren einen Hochdruckbehälter für ein Brennstoffzellensystem.
Hintergrund der Erfindung
Ein Brennstoffzellensystem wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste Leistungsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene weitere Anwendungen vorgeschlagen. Eine Art von Brennstoffzellensystem verwendet eine Protonenaustauschmembran (PEM), um einen Wasserstoffbrennstoff und ein Oxidationsmittel katalytisch zur Reaktion zu bringen, um Elektrizität zu erzeugen. Typischerweise besitzt das Brennstoffzellensystem mehr als eine Brennstoffzelle, die eine Anode und eine Kathode mit der PEM dazwischen umfasst. Die Anode empfängt Wasserstoffgas und die Kathode empfängt Sauerstoff, typischerweise aus der Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode ionisiert, um freie Wasserstoffionen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffionen gelangen durch die PEM zu der Kathode. Die Wasserstoffionen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch die PEM hindurchgelangen und werden stattdessen durch eine elektrische Last wie z. B. ein Fahrzeug hindurchgeleitet, um eine Arbeit zu verrichten, bevor sie zu der Kathode geschickt werden. Es können viele Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel innerhalb eines Brennstoffzellenstapels kombiniert sein, um einen gewünschten Betrag an Leistung zu erzeugen.
Das Brennstoffzellen-Leistungssystem kann einen Reformer oder Prozessor umfassen, der einen flüssigen Brennstoff wie z. B. Alkohole (z. B. Methanol oder Ethanol), Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzin) und/oder Gemische daraus wie z. B. Mischungen aus Ethanol/Methanol und Benzin in das Wasserstoffgas für den Brennstoffzellenstapel umwandelt. Noch typischer wird das als ein Brennstoff in dem Brennstoffzellensystem verwendete Wasserstoffgas getrennt von dem Fahrzeug verarbeitet und dann gespeichert. Das Wasserstoffgas wird zu einem Hochdruckbehälter oder -gefäß an dem Fahrzeug transferiert, um das gewünschte Wasserstoffgas nach Bedarf an den eingebauten Brennstoffzellenstapel zu liefern.
Hochdruckbehälter sind typischerweise in einen von vier Typen eingeteilt: einen Typ-I-Behälter mit einem Aufbau vollständig aus Metall; einen Typ II mit einem mit Metall ausgekleideten Aufbau mit einer Glasfaserreifen-Ummantelung zur Verstärkung; einen Typ III mit einem mit Metall ausgekleideten Aufbau mit einer vollen Faserverstärkungsummantelung; und einen Typ IV mit einem mit Kunststoff ausgekleideten Aufbau mit einer vollen Faserverstärkungsummantelung. Wie von Immel in dem US-Patent Nr. 6 742 554 , welches hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, offenbart, weist der in der Industrie zum Speichern von Wasserstoffgas vorgesehene Typ-IV-Druckbehälter eine allgemein zylindrische Form auf, um die gewünschte Integrität bereitzustellen, und umfasst eine äußere tragende Wand und eine innere Auskleidung, die eine Gefäßkammer darin definiert. Ein Typ-V-Behälter mit einem Verbundaufbau ohne Auskleidung wurde auf dem technischen Gebiet ebenfalls vorgeschlagen.
Hochdruckbehälter, die ein verdichtetes Wasserstoffgas enthalten, müssen eine gewünschte mechanische Stabilität und Integrität aufweisen, die ei nem Zerbrechen oder Zerbersten des Druckbehälters infolge des Druckes darin entgegenwirken. Es ist typischerweise auch wünschenswert, leichtgewichtige Druckbehälter an Fahrzeugen herzustellen, um die Gewichtsanforderungen an das Fahrzeug nicht zu stark zu beinträchtigen. Der aktuelle Trend in der Industrie besteht darin, den Typ-IV-Druckbehälter zum Speichern des verdichteten Wasserstoffgases im Fahrzeug zu verwenden.
Bekannte Hochdruckbehälter umfassen zumindest eine thermisch aktivierte Sicherheitsventil- oder Druckentlastungsvorrichtung (PRD von Pressure Relief Device). Die PRD ist an einem Vorsprung an einem Ende des Hochdruckbehälters angeordnet, das verschiedene Ventile, Druckregler, Rohrleitungsverbinder, Überschussströmungsbegrenzer etc. beherbergt, um zuzulassen, dass der Druckbehälter mit dem verdichteten Wasserstoffgas gefüllt wird. Die PRD kann auch an einer anderen Öffnung in dem Druckbehälter angeordnet sein, wenngleich die PRD allgemein an einem oder beiden Enden des Druckbehälters angeordnet ist. Die PRD ist nützlich, wenn der Druckbehälter hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Es können mehr als eine PRD verwendet werden, wenn hohe Temperaturen an einem lokalen Bereich, von dem Ort der einzelnen PRD entfernt, auftreten könnten.
Es ist bekannt, dass eine lokale Wärmequelle, die sich nicht benachbart zu einem Ende des Druckbehälters mit der PRD befindet, von der PRD auf Grund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Verbundmaterialien, die den Druckbehälter bilden, nicht erkannt werden kann. Eine Lösung nach dem Stand der Technik für dieses Problem besteht in der Verwendung eines Wärmerohres, um Wärme von dem Bereich des Druckbehälters benachbart zu der lokalen Wärmequelle zu übertragen. Ein Wärmerohr deckt jedoch nicht die gesamte Oberfläche des Druckbehälters ab. Weitere bekannte Konstruktionen verwenden eine zusätzliche Isolierschicht, um den Wärmestrom in den Druckbehälter zu reduzieren. Die zusätzliche Isolierschicht verzögert jedoch nur das Bersten des Druckbehälters und ist daher nicht erwünscht.
Druckbehältersysteme mit wärmeleitenden Schichten zum Übertragen von Wärme von irgendwo auf dem Druckbehälter an die PRD sind auch in der US-Anmeldung Nr. 2008/006 6 805 an Winter et al. beschrieben, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist. Die bekannten wärmeleitenden Schichten umfassen ein wärmeleitendes Geflecht, das um eine Außenseite des Druckbehälters herum gewickelt ist, und wärmeleitende Streifen, die mit der PRD verbunden sind und sich entlang des Druckbehälters erstrecken. Wärmeleitende Tafeln, Folien und Schichten, die um eine gesamte Außenseite des Druckbehälters gewickelt sind, sind ebenfalls bekannt.
Es besteht nach wie vor Bedarf an einem Druckbehälter, der wirksam beim Transportieren von Wärme von lokalen Wärmequellen zu der PRD ist und die Verwendung einer einzigen PRD anstelle von mehreren PRDs ermöglicht. Wünschenswerterweise ist der Druckbehälter mit einer zusätzlichen Schutzschicht versehen, die einen Teil der Last über dem Druckbehälter trägt, die Notwendigkeit eines zusätzlichen Steinschlagschutzes überflüssig macht und kostengünstiger ist als derzeitige Druckbehälterkonstruktionen.
Zusammenfassung der Erfindung
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenlegung wurde überraschenderweise ein Druckbehälter entdeckt, der einen wirksamen Transport von Wärme von lokalen Wärmequellen benachbart zu dem Druckbehälter zu einer Druckentlastungsvorrichtung (PRD) bereitstellt, die Ver wendung einer PRD ermöglicht, eine zusätzliche, lasttragende Schutzschicht bereitstellt, die Notwendigkeit eines zusätzlichen Steinschlagschutzes überflüssig macht und im Vergleich zu bekannten Konstruktionen kostengünstig ist.
In einer Ausführungsform umfasst ein Druckbehälter eine Verbundschicht mit einer äußeren Fläche und einer inneren Fläche. Die innere Fläche definiert einen innen liegenden Hohlraum darin zum Speichern eines Druckfluids. Zumindest eine Druckentlastungsvorrichtung steht in fluidtechnischer Verbindung mit dem innen liegenden Hohlraum. Das zumindest eine wärmeleitfähige Element ist kontinuierlich auf die äußere Fläche der Verbundschicht aufgewickelt und geeignet, um eine Last zu tragen und Wärme von einer Wärmequelle benachbart zu der Verbundschicht zu der zumindest einen Druckentlastungsvorrichtung zu transportieren.
In einer weiteren Ausführungsform ist das wärmeleitfähige Element, das auf der äußeren Fläche der Verbundschicht angeordnet ist, im Wesentlichen massiv.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters die Schritte, dass: die Verbundschicht mit der äußeren Fläche und der inneren Fläche vorgesehen wird, wobei die innere Fläche einen innen liegenden Hohlraum darin zum Speichern eines Druckfluids definiert; und das zumindest eine wärmeleitfähige Element auf die äußere Fläche der Verbundschicht aufgewickelt wird.
Zeichnungen
Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin beschriebenen Zeichnungen, ohne weiteres verständlich.
1 ist eine seitliche Querschnittsansicht im Aufriss eines Druckbehälters gemäß der vorliegenden Offenlegung;
2 ist eine seitliche Aufrissansicht des in 1 abgebildeten Druckbehälters und zeigt ferner eine Anordnung von wärmeleitfähigen Elementen, die auf der Oberfläche des Druckbehälters allgemein parallel mit einer Längsachse des Druckbehälters angeordnet sind;
3 ist eine perspektivische Darstellung des in 1 abgebildeten Druckbehälters und zeigt ferner einen Abschnitt eines wärmeleitfähigen Elements, das auf dem Druckbehälter unter einem Winkel in Bezug auf eine Langsachse des Druckbehälters angeordnet ist; und
4 ist eine perspektivische Darstellung des in 3 abgebildeten Druckbehälters und zeigt ferner den Druckbehälter, der mit den wärmeleitfähigen Elementen im Wesentlichen abgedeckt ist, welche unter einem Winkel in Bezug auf eine Längsachse des Druckbehälters angeordnet sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft und soll die vorliegende Offenlegung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es sollte auch einzusehen sein, dass in den Zeichnungen entsprechende Bezugsziffern durchweg gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte beispielhaft und sind daher nicht notwendig oder kritisch.
1 zeigt einen Druckbehältergemäß 2 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Druckbehälter 2 ist ein Typ-IV-Druckbehälter, wenngleich einzusehen sein sollte, dass andere Druckbehälteraufbauten, -typen und -konstruktionen wie z. B. Typ III und Typ V gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sein können. Der Druckbehälter 2 weist eine allgemein zylindrische Form auf, um eine gewünschte Integrität vorzusehen, wenngleich einzusehen sein sollte, dass auch andere Formen verwendet werden können.
Der Druckbehälter 2 umfasst eine Verbundschicht 4 mit einer äußeren Fläche 5 und einer inneren Fläche 6. Die innere Fläche 6 der Verbundschicht 4 definiert einen innen liegenden Hohlraum 8 des Druckbehälters 2. Die Verbundschicht 4 ist typischerweise aus einem Material gebildet, welches eine ausreichende Dicke und mechanische Festigkeit aufweist, um ein Druckfluid wie z. B. mit Druck beaufschlagtes Wasserstoffgas in dem Druckbehälter 2 aufzunehmen. Die Verbundschicht 4 stellt auch eine Stoßfestigkeit bereit. Die Verbundschicht 4 ist allgemein aus einem geeigneten Verbundwerkstoff wie z. B. einem Kunststoffverbund, einem Glasverbund, einem Kohlefaserverbund und einer Kombination davon gebildet. Ein Fachmann sollte einsehen, dass andere Werkstoffe verwendet werden können, wie gewünscht. Der Verbundwerkstoff ist allgemein gewickelt, um die Verbundschicht 4 zu bilden, wie z. B. in der gemeinsam anhängigen US-Anmeldung Nr. 11/677 781 an Schlag offenbart, die hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
Der Druckbehälter 2 kann eine Auskleidung 10 umfassen, die benachbart zu der Verbundschicht 4 angeordnet ist. Die Auskleidung 10 ist eine Barriere, die ein Eindringen des Druckfluids von dem innen liegenden Hohlraum 8 des Druckbehälters 2 verhindert. Der Werkstoff der Auskleidung 10 ist langlebig in dem Bereich von Betriebstemperaturen, denen der Druckbehälter 2 während des Betriebes ausgesetzt ist. Die Auskleidung 10 ist typischerweise dünn, um einen leichtgewichtigen Druckbehälter 2 zu erhalten. Als ein nicht einschränkendes Beispiel beträgt die Dicke der Polymerauskleidung 10 weniger als etwa 10 mm und in speziellen Ausführungsformen weniger als etwa 5 mm. Falls gewünscht, können andere Dicken verwendet werden. In einer speziellen Ausführungsform ist die Auskleidung 10 aus einem Polymerwerkstoff wie z. B. einem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Nicht einschränkende Beispiele für thermoplastische Werkstoffe, die für die Polymerauskleidung 10 geeignet sind, umfassen Polyethylene, Nylons, Polyvinylchloride, Zellulosen, Vinylchloridcopolymere, Polyimide und Kombinationen davon. Ein geeigneter thermoplastischer Werkstoff umfasst Polyethylen hoher Dichte (HDPE von High Density Polyethylene). Ein Fachmann sollte einsehen, dass andere Polymerwerkstoffe verwendet werden können.
Der Druckbehälter 2 weist ein erstes Ende 12 und ein zweites Ende 14 auf. Ein erster Vorsprung 16 ist an dem ersten Ende 12 des Druckbehälters 2 angeordnet und bildet einen Durchgang durch die Verbundschicht 4. Der Durchgang steht in Verbindung mit dem Behälterhohlraum 8. Der erste Vorsprung 16 ist typischerweise eine Struktur, die verschiedene Komponenten wie Adapter, Ventile, Druckregler, Rohrleitungsverbinder, Überschussströmungsbegrenzer etc. beherbergt. Diese zusätzlichen Komponenten lassen zu, dass der Druckbehälter 2 mit dem Druckfluid wie z. B. Wasserstoffgas gefüllt wird, und lassen zu, dass das Druckfluid aus dem Druckbehälter 2 zu einem Brennstoffzellensystem ausgetragen wird. Es wird auch ein geeigneter Kleber, Dichtring oder dergleichen verwendet, um den ersten Vorsprung 16 zu dem Druckbehälter 2 hin abzudichten, um das Druckfluid zurückzuhalten. Der Kleber, Dichtring oder dergleichen sichert den Vorsprung 16 an der Verbundschicht 4. In speziellen Ausführungsform ist ein im Wesentlichen ähnlicher zweiter Vorsprung 18 an dem zweiten Ende 14 des Druckbehälters 2 angeordnet.
Der erste Vorsprung 16 umfasst eine erste Druckentlastungsvorrichtung (PRD) 20. Die erste PRD 20 steht typischerweise mit dem Behälterhohlraum 8 in Verbindung und öffnet, um das Druckfluid bei einer gesteuerten Rate durch eine PRD-Ablassleitung (nicht gezeigt) abzulassen. Im Speziellen wird die erste PRD 20 in dem Fall eines Ausgesetztseins gegenüber einer vorbestimmten Temperatur thermisch aktiviert. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann die PRD 20 beim Erreichen einer Temperatur von mehr als etwa 120°C aktiviert werden. In einigen Ausführungsformen umfasst die PRD 20 einen Mechanismus mit einer Lötlegierung (nicht gezeigt), die bei einer gewünschten oder kritischen Temperatur schmilzt. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die PRD 20 ein Glasgefäß, das mit einem Fluid (nicht gezeigt) gefüllt ist und bei der zuvor erwähnten Temperatur bricht. Das Schmelzen der Lötlegierung oder Zerbrechen des mit Fluid gefüllten Glasgefäßes bewirkt, dass sich die erste PRD 20 öffnet und damit den Inhalt des Druckbehälterhohlraumes 8 ablässt. Das zweite Ende 14 des Druckbehälters 2 kann eine im Wesentlichen ähnliche zweite PRD 22 umfassen. Es sollte einzusehen sein, dass andere PRD-Vorrichtungen, die den Inhalt des Druckbehälters 2 beim Erreichen einer ge wünschten Temperatur oder eines gewünschten Innendruckes ablassen, ebenfalls geeignet sind.
Der Druckbehälter 2 der vorliegenden Offenlegung umfasst ein wärmeleitfähiges Element 24. Das wärmeleitfähige Element 24 ist an der äußeren Fläche 5 der Verbundschicht 4 angeordnet. Das wärmeleitfähige Element 24 kann z. B. auf die äußere Fläche 5 aufgewickelt sein. Wie hierin verwendet, soll aufgewickelt eine lineare Aufbringung, wie z. B. im Wesentlichen parallel zu der Längsachse A des Druckbehälters 2, einbeziehen. Das wärmeleitfähige Element 24 ist geeignet, um Wärme von einer Wärmequelle benachbart zu der Verbundschicht 4 zu zumindest einer von der ersten PRD 20 und der zweiten PRD 22 zu transportieren. Die Wärmequelle kann lokal entlang einer Länge des Druckbehälters 2 zwischen dem ersten Ende 12 und dem zweiten Ende 14 liegen. Es sollte einzusehen sein, dass das wärmeleitfähige Element 24 verwendet wird, um zumindest eine von der ersten PRD 20 und der zweiten PRD 22 zu aktivieren, wenn eine lokale Erwärmung des Druckbehälters 2 stattfindet.
Ein Fachmann sollte einsehen, dass das wärmeleitfähige Element 24 aus jedem beliebigen geeigneten Werkstoff gebildet sein kann, der eine Wärmeleitfähigkeit besitzt, die größer ist als jene, welche die Verbundschicht 4 aufweist. Typischerweise ist das wärmeleitfähige Element 24 im Gegensatz zu einem Rohr oder einem ähnlichen hohlen Element im Wesentlichen massiv. In einer Ausführungsform ist die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitfähigen Elements 24 größer als etwa 5 W/m-K, in einer speziellen Ausführungsform größer als etwa 50 W/m-K und in einer ganz speziellen Ausführungsform größer als 100 W/m-K. Als nicht einschränkende Beispiele kann das wärmeleitfähige Element 24 ein Draht sein, der aus einem von Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Stahl, Titan, Zink und einer Legierung von einem oder mehreren davon gebildet ist. Ein/e einheitliche/s Drahtfi lament oder Drahtschnur mit mehr als einem Filament kann je nach Wunsch ebenfalls verwendet werden. Es können auch andere Werkstoffe verwendet werden, die eine geeignet Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Das wärmeleitfähige Element 24 ist allgemein entlang einer Länge der Verbundschicht 4 an den Seiten des Druckbehälters 2 von dem ersten Ende 12 zu dem zweiten Ende 14 angeordnet. Um den Transport von Wärme zu zumindest einer der PRDs 22, 24 zu optimieren, ist das wärmeleitfähige Element 24 ferner benachbart von zumindest einem der Vorsprünge 16, 18 angeordnet. In speziellen Ausführungsformen steht das wärmeleitfähige Element 24 mit zumindest einem der Vorsprünge 16, 18 in Kontakt. In einer weiteren Ausführungsform steht das wärmeleitfähige Element 24 mit zumindest einer der PRDs 22, 24 in Kontakt. Wie in 2 gezeigt, kann das zumindest eine wärmeleitfähige Element 24 eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen 24 umfassen, die allgemein parallel zu einer Längsachse A des Druckbehälters 2 angeordnet sind.
In einer Ausführungsform, die in den 3 und 4 gezeigt ist, ist das wärmeleitfähige Element 24 auf der Verbundschicht 4 unter einem Winkel allgemein in Bezug auf die Längsachse A des Druckbehälters 2 angeordnet. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das wärmeleitfähige Element 24 derart auf die Verbundschicht 4 aufgewickelt sein, um ein allgemein spiralförmiges Muster vorzusehen. Das Aufwickeln kann umfassen, dass das wärmeleitfähige Element 24 entlang der Seiten des Druckbehälters 2 und um das erste Ende 12 und das zweite Ende 14 des Druckbehälters 2 herum gewickelt wird. Die längs verlaufenden Passagen des wärmeleitfähigen Elements 24 sind wünschenswerterweise Seite an Seite aufgebracht und decken die Verbundschicht 4 mit dem wärmeleitfähigen Element 24 im Wesentlichen ab. Es kann eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen 24 oder ein einziges wärmeleitfähiges Element 24 verwendet werden, um die Verbundschicht 4 im Wesentlichen abzudecken. In einer speziellen Ausführungsform ist das einzige wärmeleitfähige Element 24 kontinuierlich auf den Druckbehälter 2 aufgewickelt, um die Verbundschicht 4 im Wesentlichen abzudecken. Wenn mehr als ein wärmeleitfähiges Element 24 von einem Ende des Druckbehälters 2 zu einem weiteren aufgebracht sind, können die Enden der einzelnen Elemente 24 miteinander verbunden werden, um kontinuierlich aufgewickelte wärmeleitfähige Elemente 24 zu bilden, die zulassen, dass die Streifen eine Last des Druckbehälters 2 tragen. Weitere geeignete Aufwickelmuster umfassen auch ein Wickeln in Umfangsrichtung oder eine Reifenwicklung der Verbundschicht 4 mit dem wärmeleitfähigen Element 24 unter einem Winkel, der im Wesentlichen rechtwinklig zu der Längsachse des Druckbehälters 2 steht. Es sollte einzusehen sein, dass auch alternative Aufwickelmuster und Kombinationen davon verwendet werden können, wie gewünscht.
Es sollte einzusehen sein, dass, wenn der Druckbehälter 2 eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, ein Winkel α des wärmeleitfähigen Elements 24, das entlang der Seiten des Druckbehälters 2 angeordnet ist, im Wesentlichen konstant sein kann. Der wünschenswerte Winkel α kann z. B. mithilfe einer Finite-Elemente-Berechnung gewählt werden. Die Finite-Elemente-Berechnung kann ein Aufbringen des wärmeleitfähigen Elements 24 mit oder ohne Reibung berücksichtigen, wie gewünscht. Der Winkel α kann auch mit dem Clairault'schen Gesetz abgeschätzt werden, wobei eine minimale Reibung angenommen wird, wenn das wärmeleitfähige Element 24 auf den Druckbehälter 2 aufgebracht wird. Die Abschätzung unter dem Clairault'schen Gesetz kann als Teil der Finite-Elemente-Berechnung eingesetzt werden, um den endgültigen gewünschten Winkel α des aufzubringenden wärmeleitfähigen Elements 24 zu erhalten. Der gewünschte Winkel α kann berechnet werden, um eine optimale lasttra gende Effizienz für einen gegebenen Außendurchmesser des Druckbehälters 2 vorzusehen.
Wenn sich das wärmeleitfähige Element 24 einem von dem ersten und dem zweiten Ende 12, 14 nähert, weicht der Winkel von α ab und steigt bis zu etwa neunzig Grad (90°) in Bezug auf die Längsachse A in der Nähe eines von dem ersten und dem zweiten Vorsprung 16, 18 an. Der Winkel steigt in der Kuppel an den Enden 12, 14 des Druckbehälters 2 kontinuierlich an, bis er einen Wendepunkt bei dem Winkel von neunzig Grad (90°) erreicht und sich zurück in Richtung der Seiten des Druckbehälters 2 fortsetzt. Bei der Bewegung zu den Seiten des zylindrischen Druckbehälters 2 kehrt der Winkel zu α zurück. Der Winkel des wärmeleitfähigen Elements 24 kann auch Kreuzungspunktkontakte mit darunter liegenden Verbundstreifen der Verbundschicht 4 bilden, die unter einem verschiedenen Winkel in Bezug auf die Längsachse A aufgebracht wurden. Die Kreuzungspunktkontakte können den Transport von Wärme von der lokalen Wärmequelle zu einer der PRDs 22, 24 erleichtern.
Das wärmeleitfähige Element 24 kann ferner eine Beschichtung umfassen, die geeignet ist, um die Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitfähigen Elements 24 zu optimieren. Die Beschichtung kann z. B. ein wärmeleitfähiges Metall sein. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das wärmeleitfähige Element 24 auch ein Stahldraht (etwa 50 W/m-K) sein, der mit einem weiteren, wärmeleitfähigeren Metall wie z. B. Silber (etwa 400 W/m-K) beschichtet ist. Es sollte einzusehen sein, dass solch eine Konstruktion kostengünstig sein und eine gewünschtes Wärmeleitfähigkeitsniveau bereitstellen kann, als es mit dem unbeschichteten Draht allein möglich ist. Es können auch andere Beschichtungen verwendet werden, welche die gewünschte Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Das wärmeleitfähige Element 24 kann ferner innerhalb einer wärmeleitfähigen Schicht wie z. B. einer wärmeleitfähigen Polymerschicht gebildet sein, wie gewünscht.
Der Druckbehälter 2 kann ferner eine Isolierschicht (nicht gezeigt) umfassen, die zwischen dem wärmeleitfähigen Element 24 und der Verbundschicht 4 angeordnet ist. Die Isolierschicht ist geeignet, um einer Übertragung von Wärme von der lokalen Wärmequelle auf die Verbundschicht 4 und das Druckfluid innerhalb des innen liegenden Hohlraumes 8 entgegenzuwirken. Geeignete Werkstoffe für die Isolierschicht können gewählt werden, wie gewünscht.
Die vorliegende Offenlegung umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters 2. Das Verfahren umfasst zuerst den Schritt, dass die Verbundschicht 4 mit der äußeren Fläche 5 und einer inneren Fläche 6 vorgesehen wird, wobei die innere Fläche 6 den innen liegenden Hohlraum 8 darin zum Speichern des Druckfluids definiert. Das zumindest eine wärmeleitfähige Element 24 wird dann auf die Verbundschicht aufgewickelt, wie hierin beschrieben.
Der Schritt zum Aufwickeln des wärmeleitfähigen Elements 24 auf die äußere Fläche der Verbundschicht 4 kann ferner den Schritt umfassen, dass ein spiralförmiges Muster mit dem wärmeleitfähigen Element 24 auf der äußeren Fläche 5 der Verbundschicht 4 gebildet wird. Das spiralförmige Muster kann gebildet werden, indem das wärmeleitfähige Element 24 unter einem Winkel allgemein in Bezug auf eine Längsachse A des Druckbehälters 2 gewickelt wird. Eigene Streifen des wärmeleitfähigen Elements 24 können auf der Verbundschicht 4 angeordnet und später verbunden werden, um ein kontinuierliches wärmeleitfähiges Element 24 zu bilden. In einer speziellen Ausführungsform kann ein einziges wärmeleitfähiges Element 24 kontinuierlich auf die Verbundschicht 4 aufgewickelt werden, bis die äußere Fläche 5 im Wesentlichen abgedeckt ist. Die äußere Fläche 5 der Verbundschicht 4 kann vor dem Schritt zum Aufwickeln des zumindest einen wärmeleitfähigen Elements 24 auf die Verbundschicht 4 auch mit der Isolierschicht umwickelt werden.
Die Verwendung des wärmeleitfähigen Elements 24 lässt zu, dass die Wärme in einer Zeitspanne, die kürzer ist als jene, die mit herkömmlichen Verbunddruckbehältern beobachtet wird, von einer lokalen Wärmequelle zu einer von der ersten und der zweiten PRD 20, 22 transportiert wird. Darüber hinaus lässt das wärmeleitfähige Element 24 eine Vereinfachung der Konstruktion des Druckbehälters 2 zu, indem es die Verwendung einer einzigen PRD 20 anstelle der herkömmlichen ersten und zweiten PRDs 20, 22 an gegenüberliegenden Enden 12, 14 des Druckbehälters 2 ermöglicht. In einem Druckbehälter 2 gemäß der vorliegenden Offenlegung ist selbst die lokale Wärmequelle an einem Ende des Druckbehälters 2 gegenüber dem Ende, an dem die einzige PRD 20 angeordnet ist, wirksam, um die PRD 20 zu aktivieren. Das wärmeleitfähige Element 24 minimiert daher die Komplexität der Konstruktion des Druckbehälters 2 und stellt einen kostengünstigeren Ansatz im Vergleich zu bekannten Druckbehälterkonstruktionen dar.
Im Gegensatz zu bekannten Konstruktionen wie wärmeleitende Geflechte und Streifen, die auf den Druckbehälter 2 gewickelt sind, besitzt das wärmeleitfähige Element 24, wenn es kontinuierlich um den Druckbehälter 2 aufgewickelt ist, die zusätzliche Funktion, zumindest einen Teil der Last des Druckbehälters 2 zu tragen. Es sollte einzusehen sein, dass das kontinuierlich aufgewickelte wärmeleitfähige Element 24, wenn es um die Enden 12, 14 des Druckbehälters 2 herum gewickelt ist, einen besonderen lasttragenden Vorteil im Vergleich zu bekannten Geflechten und eigenen Streifen, die nur entlang der Seiten des Druckbehälters 2 angeordnet sind, bereitstellen kann.
Der Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit des wärmeleitfähigen Elements 24 können im Wesentlichen dem Elastizitätsmodul und der Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffes entsprechen oder größer sein als diese. Es sollte einzusehen sein, dass ein Abschnitt der Verbundschicht 4 durch das lasttragende wärmeleitfähige Element 24 ersetzt werden kann, um die Kosten des Druckbehälters 2 zu optimieren, wie wenn das wärmeleitfähige Element 24 ein Metall wie Stahl ist und die Verbundschicht 4 Kohlefaser umfasst. Geeignete Dimensionen und Konfigurationen des wärmeleitfähigen Elements 24, um den Wärmetransport zu zumindest einer der PRDs 20, 22 zu maximieren und ein entsprechendes Lasttragevermögen vorzusehen, können gewählt werden, wie gewünscht.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass das wärmeleitfähige Element 24 auch eine Steinschlagschutzfunktion bereitstellt. Kleine Steine können während eines Betriebes eines Fahrzeuges, das den Druckbehälter 2 umfasst, z. B. durch Reifen beschleunigt und gegen den Druckbehälter 2 geworfen werden. Ein Steinschlagschutz, der den Druckbehälter 2 abdeckt, wurde typischerweise aus diesem Grund verwendet. Die Verwendung des wärmeleitfähigen Elements 24 kann die Notwendigkeit eines separaten, eigenen Steinschlagschutzes eliminieren. Der Gebrauch des wärmeleitfähigen Elements kann daher eine Masse und ein Volumen des Druckbehälters 2 optimieren.
Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Offenlegung abzuwei chen, der in den nachfolgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6742554 [0004]

Claims

Druckbehälter, welcher umfasst: eine Verbundschicht mit einer äußeren Fläche und einer inneren Fläche, wobei die innere Fläche einen innen liegenden Hohlraum darin zum Speichern eines Druckfluids definiert; zumindest eine Druckentlastungsvorrichtung in fluidtechnischer Verbindung mit dem innen liegenden Hohlraum; und zumindest ein wärmeleitfähiges Element, das kontinuierlich auf die äußere Fläche der Verbundschicht aufgewickelt und geeignet ist, um eine Last zu tragen und Wärme von einer Wärmequelle benachbart zu der Verbundschicht zu der zumindest einen Druckentlastungsvorrichtung zu transportieren.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine wärmeleitfähige Element ein Draht ist.
Druckbehälter nach Anspruch 2, wobei der Draht aus einem von Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, Stahl, Titan, Zink und Legierungen davon gebildet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, ferner mit einem Vorsprung, der in der Verbundschicht an einem Ende des Druckbehälters angeordnet ist und die darin gebildete Druckentlastungsvorrichtung aufweist.
Druckbehälter nach Anspruch 4, wobei das wärmeleitfähige Element benachbart zu dem Vorsprung angeordnet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitfähige Element mit der Druckentlastungsvorrichtung in Kontakt steht.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitfähige Element entlang einer Länge der Verbundschicht von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Druckbehälters angeordnet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitfähige Element allgemein parallel zu einer Langsachse des Druckbehälters angeordnet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitfähige Element unter einem Winkel in Bezug auf eine Langsachse des Druckbehälters angeordnet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 9, wobei der Winkel zwischen den Enden des Druckbehälters im Wesentlichen konstant ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitfähige Element die äußere Fläche der Verbundschicht im Wesentlichen abdeckt.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitfähige Element eine Beschichtung aufweist, die geeignet ist, um die Wärmeleitfähigkeit desselben zu maximieren.
Druckbehälter nach Anspruch 1, ferner mit einer Isolierschicht, die zwischen dem wärmeleitfähigen Element und der Verbundschicht angeordnet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitfähige Element innerhalb einer wärmeleitfähigen Schicht gebildet ist.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine wärmeleitfähige Element eine Vielzahl von wärmeleitfähigen Elementen umfasst, die kontinuierlich auf die äußere Fläche der Verbundschicht aufgewickelt sind.
Druckbehälter nach Anspruch 1, wobei die Verbundschicht aus zumindest einem Verbundstreifen gebildet ist, der um den innen liegenden Hohlraum herum gewickelt ist, wobei das wärmeleitfähige Element kreuzende Kontaktpunkte zur Wärmeübertragung mit dem Verbundstreifen bildet.
Druckbehälter, welcher umfasst: eine Verbundschicht mit einer äußeren Fläche und einer inneren Fläche, wobei die innere Fläche einen innen liegenden Hohlraum darin zum Speichern eines Druckfluids definiert; zumindest eine Druckentlastungsvorrichtung in fluidtechnischer Verbindung mit dem innen liegenden Hohlraum; und zumindest ein im Wesentlichen massives wärmeleitfähiges Element, das kontinuierlich auf die äußere Fläche der Verbundschicht aufgewickelt und geeignet ist, um eine Last zu tragen und Wärme von einer Wärmequelle benachbart zu der Verbundschicht zu der zumindest einen Druckentlastungsvorrichtung zu transportieren.
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters, welches die Schritte umfasst, dass: eine Verbundschicht mit einer äußeren Fläche und einer inneren Fläche vorgesehen wird, wobei die innere Fläche einen innen liegenden Hohlraum darin zum Speichern eines Druckfluids definiert; und das zumindest eine wärmeleitfähige Element auf die äußere Fläche der Verbundschicht aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt zum Umwickeln der äußeren Fläche der Verbundschicht den Schritt umfasst, dass: das wärmeleitfähige Element in einem spiralförmigen Muster auf der äußeren Fläche der Verbundschicht gebildet wird, indem das wärmeleitfähige Element kontinuierlich unter einem Winkel allgemein in Bezug auf eine Längsachse des Druckbehälters aufgewickelt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, welches ferner den Schritt umfasst, dass: vor dem Schritt des Aufwickelns des zumindest einen wärmeleitfähigen Elements eine Isolierschicht auf die äußere Fläche der Verbundschicht gewickelt wird.