DE102009030950B4 - Druckbehälter mit einer Dichtung - Google Patents

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Abstract

Druckbehälter (1) für ein gasförmiges Medium mit einer Entnahmevorrichtung (2) und einer ringförmig umlaufenden Dichtung (4),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dichtung (4) einen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Dichtung (4) eine Ausnehmung (5) aufweist,
wobei die Ausnehmung (5) radial zum Inneren des Druckbehälters (1) weist,
wobei die Ausnehmung (5) vom Inneren des Druckbehälters (1) her mit Gasdruck beaufschlagt ist zum Erzeugen einer Dichtwirkung.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter für ein gasförmiges Medium mit einer Entnahmevorrichtung und einer ringförmig umlaufenden Dichtung.
  • In Kraftfahrzeugen finden moderne Antriebskonzepte unter Verwendung von Wasserstoff als Energieträger zunehmend Verbreitung. Gasförmiger Wasserstoff wird dabei in Druckbehältern mit bis zu 700 bar Arbeitsdruck im Kraftfahrzeug mitgeführt. Der Betankungsdruck kann sogar bis zu 875 bar betragen. Als Druckbehälter dienen bei niedrigen Drücken Flaschen aus Stahl und bei hohen Drücken Flaschen aus einem Faserverbundwerkstoff. Am Druckbehälter ist eine Entnahmevorrichtung wie ein Druck- oder Flaschenventil vorgesehen, wobei eine Abdichtung beispielsweise des Druckventils zum eigentlichen Druckbehälter über eine ringförmig umlaufende Dichtung wie ein O-Ring erfolgt.
  • Zum Erzeugen ausreichender Dichtkräfte wird das Flaschenventil üblicherweise mittels eines Gewindes in den Druckbehälter eingeschraubt, wobei der O-Ring in einer korrespondierenden Nut eingepresst wird.
  • Als nachteilig hierbei ist es anzusehen, dass bei schneller Gasentnahme aus dem Druckbehälter die Temperatur im Bereich des Flaschenventils beziehungsweise der ringförmig umlaufenden Dichtung unter –40°C fallen kann, so dass die Elastizität des O-Rings stark abnimmt und eine zuverlässige Abdichtung nicht mehr gewährleistet ist.
  • Die US 2007/0111579 A1 offenbart einen derartigen Druckbehälter mit einer Dichtung, wobei zusätzlich ein Bereich großer Härte an den Dichtflächen vorgesehen ist, um eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten. Ein solcher Abschnitt muss jedoch üblicherweise als separates Bauteil ausgebildet sein, so dass der Herstellungsaufwand wesentlich erhöht ist.
  • Die JP 200 2/144894 A offenbart einen Druckbehälter zur sicheren Aufbewahrung gasförmiger Medien bei hohen Temperaturen. Der Druckbehälter weist eine U-förmige Dichtung auf, wobei die Ausnehmung des „U” nach außen ausgerichtet ist. Zur weiteren Verbesserung der Abdichtung ist eine zweite Dichtung vorgesehen.
  • Weiterer relevanter Stand der Technik wird in den Druckschriften US 4 585 239 A und DE 39 23 988 A1 offenbart.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter der Eingangs genannten Art zu schaffen, der über eine Dichtung verfügt, die den Druckbehälter auch bei tiefen Temperaturen zuverlässig abdichtet.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einem derart ausgebildeten Druckbehälter ist eine Dichtung vorgesehen, die im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen U-förmig ausgebildet ist. Dabei ist bei der durchgehend umlaufenden, ringförmigen Dichtung der U-förmige Querschnitt im Wesentlichen derart ausgerichtet, dass eine Ausnehmung zwischen den beiden Schenkeln des „U” radial nach innen weist beziehungsweise das „U” nach innen offen ist. Die Ausnehmung ist vom Inneren des Druckbehälters her mit Gasdruck beaufschlagt.
  • Dabei ist es im Rahmen der Erfindung mit umfasst, dass die beiden Schenkel des „U” im Wesentlichen parallel ausgerichtet und gleich lang sind oder dass die beiden Schenkel unterschiedlich lang sind und voneinander weg weisen oder aufeinander zulaufend angeordnet sind. Weiterhin kann der Fachmann an sich beliebige Materialien für die Dichtung wählen, bevorzugt jedoch die im Folgenden beschriebenen.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine Dichtwirkung nicht nur durch das Verpressen der Dichtung beispielsweise durch das Einschrauben des Flaschenventils in ein Gewinde erzeugt wird, sondern in erster Linie durch den Gasdrudk im Inneren des Druckbehälters selbst. Der Gasdruck steht von innen her an der Dichtung an, wobei die Ausnehmung des „U” vom Inneren des Druckbehälters her mit dem Gasdruck beaufschlagt ist. Somit wird die U-förmige Dichtung von innen her an verschiedene Dichtflächen des Druckbehälters oder der Entnahmevorrichtung wie einem Flaschenventil gedrückt. Durch den Gasdruck wird auch bei tiefen Temperaturen, bei denen ein herkömmlicher O-Ring seine Elastizität verlieren kann, das Material der Dichtung nach wie vor von Innen her gegen die Dichtflächen gepresst, so dass auch bei diesen tiefen Temperaturen eine zuverlässige Abdichtung des Druckbehälters gewährleistet ist.
  • Eine Vorspannung oder eine Grundanpresskraft der Dichtung kann in herkömmlicher Weise über ein Gewinde erzeugt werden. Die Anpresskräfte der Dichtung aufgrund des Gasdrucks wirken sowohl in radialer Richtung, das heißt auf den Grund der U-förmigen Ausnehmung der Dichtung, als auch in axialer Richtung, das heißt, dass der Gasdruck bestrebt ist, die beiden Schenkel der U-förmigen Dichtung auseinander zu drücken. Diese Anpresskräfte durch den Gasdruck sind im Wesentlichen temperaturunabhängig, so dass insbesondere auch bei Temperaturen unter –40°C eine ausreichende Dichtung erzielt wird.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist innerhalb der nutartigen Ausnehmung des U-förmigen Dichtungsprofils ein zusätzlicher Federring angeordnet, der derart ausgebildet ist, dass er die Schenkel der U-förmigen Dichtung auseinander drückt beziehungsweise zusätzlich an Dichtflächen des Druckbehälters und der Entnahmevorrichtung anpresst. Dieser zusätzliche Federring erzeugt bei niedrigen Gasdrücken innerhalb des Druckbehälters eine ausreichende Anpresskraft der Dichtung an umgebende Bauteile, um auch bei diesen geringen Drücken eine ausreichende Dichtwirkung zu erzielen. Es versteht sich, dass als Werkstoff für den Federring derartige Werkstoffe bevorzugt sind, die auch bei tiefen Temperaturen insbesondere unterhalb –40°C noch eine ausreichende Federkraft aufbringen.
  • In einfacher Weise kann die Dichtung aus einem Elastomer bestehen, wobei in Abhängigkeit des Gases innerhalb des Druckbehälters sowie der auftretenden Temperaturen vom Fachmann geeignete Elastomere gewählt werden können, um stets über eine ausreichende Elastizität zu verfügen.
  • Weiterhin ist vorgeschlagen, dass der Federring aus einem metallischen Werkstoff wie Federstahl besteht, um über einen großen Temperaturbereich eine ausreichende Elastizität und Federkraft aufzuweisen.
  • Um die Dichtung unter eine Vorspannung zu setzen, kann beispielsweise die Entnahmevorrichtung in Form eines Flaschenventils in herkömmlicher Weise über ein Gewinde oder eine Verschraubung am eigentlichen Druckbehälter festgelegt werden. Dabei sind am Druckbehälter und der Entnahmevorrichtung entsprechende Dichtflächen ausgebildet, zwischen die die Dichtung eingespannt und über das Einschrauben vorgespannt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Dichtung eine abgeschrägte Kante aufweisen. Dabei weisen die beiden Schenkel vorzugsweise voneinander weg und die Dichtung hat im Querschnitt gesehen eine ungefähr dreieckige Ausgestaltung. Wird eine derartig abgeschrägte Dichtung zwischen Druckbehälter und Entnahmevorrichtung mit jeweils korrespondierend ausgebildeten Dichtflächen eingesetzt, so wirken Kräfte, die durch das Verschrauben in einem Gewinde auftreten, nicht unmittelbar auf die Dichtung selbst, eine Abdichtung erfolgt lediglich über den Gasdruck aus dem Inneren des Druckbehälters und über den zusätzlichen Federring. Somit ist insbesondere eine Beschädigung der Dichtung während der Montage ausgeschlossen, da beispielsweise das Flaschenventil nur so weit eingeschraubt werden kann, dass die Dichtung nicht gequetscht wird.
  • Weiterhin kann an der Dichtung eine Montagehilfe vorgesehen sein, mit der die Dichtung passgenau beispielsweise an einer Anschlagsfläche des Druckbehälters eingesetzt und ausgerichtet werden kann.
  • Vorzugsweise besteht eine solche ringförmige Montagehilfe aus Metall, wobei die Dichtung aus Elastomer beispielsweise an den Metallring angeklebt werden kann.
  • Schließlich ist vorgeschlagen, dass die Dichtung einen abgerundeten Querschnitt aufweist, wobei die beiden Schenkel des U-förmigen Profils jeweils einen Bogenabschnitt bilden. Innerhalb dieser beispielsweise dreiviertel-kreisförmigen Dichtung kann ein zusätzlicher Federring, der ebenfalls als Kreisbogen ausgebildet ist, angeordnet werden. Ein von innen auf den Federring bzw. die Dichtung wirkender Gasdruck presst diese Dichtung im Wesentlichen gleichmäßig an die die Dichtung umgebenden Dichtflächen an.
  • Weitere Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele sowie den einzelnen Patentansprüchen entnommen werden.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 einen Druckbehälter mit Dichtung in schematischer Darstellung,
  • 2 eine weitere Ausführungsform der Dichtung und
  • 3 eine dritte Ausführungsform der Dichtung.
  • In den 1 bis 3 ist jeweils ein Druckbehälter 1, vorzugsweise ein Wasserstofftank in einem Kraftfahrzeug, mit einer Entnahmevorrichtung 2, beispielsweise ein Flaschenventil, schematisch abgebildet. Die jeweils dargestellten Objekte sind rotationssymmetrisch, wie durch die Rotationsachse R angedeutet. Der Druckbehälter 1 wird mit der Entnahmevorrichtung 2 über ein Gewinde 3 verschraubt, so dass auf eine Dichtung 4 Kompressionskräfte K ausgeübt werden, wie durch die beiden Pfeile in 1 veranschaulicht.
  • Die Dichtung 4 weist einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf, wobei das „U” zur Seite gekippt und nach innen offen angeordnet ist. Innerhalb der nutartigen Ausnehmung 5 ist ein vorzugsweise metallischer Federring 6 angeordnet.
  • Im befüllten Zustand des Druckbehälters 1 wirkt Gasdruck G von innen her auf die Dichtung 4 beziehungsweise den Federring 6 ein wie durch den Pfeil G verdeutlicht, so dass die Schenkel 7, 7a der Dichtung 4 an Dichtflächen (8, 8a) am Druckbehälter 1 beziehungsweise der Entnahmevorrichtung 2 angepresst und abgedichtet werden. Sinkt der Gasdruck im Inneren des Druckbehälters sorgt der Federring 6 für eine ausreichende Abdichtung, wobei die Federkraft oder Elastizität des Federrings 6 derart gewählt ist, dass auch ohne zusätzlichen inneren Gasdruck die Schenkel 7, 7a gegen die Dichtflächen 8, 8a gepresst werden.
  • In 2 ist eine weitere Ausführungsform abgebildet, wobei die beiden Schenkel 7, 7a der Dichtung 4 nicht parallel zueinander ausgerichtet sind sondern im Wesentlichen dreieckig angeordnet sind. Weiterhin verfügt die Dichtung über eine abgeschrägte Kante 10, die mit einer korrespondierenden Dichtfläche 8a am Druckbehälter 1 zusammenwirkt. Durch die Verschraubung des Gewindes 3 werden hier keine Halte- oder Kompressionskräfte K auf die Dichtung 4 ausgeübt, so dass deren Beschädigung während der Montage ausgeschlossen ist. Eine Abdichtung erfolgt ausschließlich durch den Gasdruck G beziehungsweise den zusätzlichen Federring 6. Weiterhin ist an einem der Schenkel 7 der Dichtung 4 eine Montagehilfe 9 vorzugsweise in Form eines mit dem Schenkel 7 verklebten Metallrings vorgesehen. Die Montagehilfe 9 kann an einer entsprechenden Anschlagsfläche 11 beispielsweise an der Entnahmevorrichtung 2 angesetzt und ausgerichtet werden. Somit ist eine passgenaue Ausrichtung der Dichtung 4 zwischen Entnahmevorrichtung 2 und Druckbehälter 1 gewährleistet.
  • Schließlich ist in 3 eine weitere Ausgestaltung der Dichtung 4 abgebildet, wobei hier die Dichtung 4 gebogen ausgebildet ist und vorzugsweise die Form eines dreiviertel Kreises aufweist. Auch hier ist ein zusätzlicher ebenfalls kreisbogenförmig ausgebildeter Federring 6 vorgesehen, der die Dichtung 4 zusätzlich aufspreizt A, wie durch den Doppelpfeil A veranschaulicht. Durch diese Ausgestaltung wirkt der Gasdruck G im Wesentlichen jeweils senkrecht auf die Dichtflächen 8, 8a, so dass eine optimale Abdichtung des Druckbehälters 1 erzielt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckbehälter
    2
    Entnahmevorrichtung
    3
    Gewinde
    4
    Dichtung
    5
    Ausnehmung
    6
    Federring
    7, 7a
    Schenkel
    8, 8a
    Dichtfläche
    9
    Montagehilfe
    10
    abgeschrägte Kante
    11
    Anschlagsfläche
    R
    Rotationsachse
    K
    Kompressionskraft
    G
    Gasdruck
    A
    Aufspreizen

Claims (9)

  1. Druckbehälter (1) für ein gasförmiges Medium mit einer Entnahmevorrichtung (2) und einer ringförmig umlaufenden Dichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) einen U-förmigen Querschnitt aufweist und die Dichtung (4) eine Ausnehmung (5) aufweist, wobei die Ausnehmung (5) radial zum Inneren des Druckbehälters (1) weist, wobei die Ausnehmung (5) vom Inneren des Druckbehälters (1) her mit Gasdruck beaufschlagt ist zum Erzeugen einer Dichtwirkung.
  2. Druckbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung (5) der Dichtung (4) ein Federring (6) angeordnet ist.
  3. Druckbehälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) aus einem Elastomer besteht.
  4. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federring (6) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
  5. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) über ein Gewinde (3) vorgespannt ist.
  6. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) eine abgeschrägte Kante (10) aufweist.
  7. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Dichtung (4) eine Montagehilfe (9) vorgesehen ist.
  8. Druckbehälter (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagehilfe (9) aus einem metallischen Werkstoff besteht.
  9. Druckbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (4) einen abgerundeten Querschnitt aufweist
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