DE102011011034A1 - Optimierter Hochdruckbehälter - Google Patents

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Philip Klaus
Dieter Hasenauer
Ulrich Eberle
Andre Mack-Gardner
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Abstract

Es wird ein Behälter offenbart, wobei der Behälter einen Grundkörper umfasst, der einen Innenhohlraum aufweist, um darin ein Fluid aufzunehmen, wobei zumindest ein Abschnitt des Innenhohlraums ein darin angeordnetes Füllmaterial umfasst, das eine Ausflussrate des Fluids aus dem Grundkörper minimiert, wobei es sich bei dem Füllmaterial um ein Porenstrukturmaterial und/oder ein Granulat handelt.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft einen Behälter und im Spezielleren einen Hochdruckbehälter, wobei der Behälter einen Grundkörper umfasst, der einen Innenhohlraum definiert, wobei zumindest ein Abschnitt des Innenhohlraums ein darin angeordnetes Füllmaterial umfasst.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Es existiert derzeit eine Vielzahl von Behältern, die dafür bestimmt sind, verschiedene Fluide, wie beispielsweise komprimiertes Erdgas (CNG), Wasserstoffgas zur Verwendung in einer Brennstoffzelle und dergleichen zu fassen. Eine übliche Technik zum Speichern des Fluids besteht darin, es in einem leichtgewichtigen Hochdruckbehälter aufzubewahren. Hochdruckbehälter und Verfahren zu deren Herstellung sind gemäß dem Stand der Technik allgemein bekannt. Typischerweise wird der Hochdruckbehälter unter Verwendung eines herkömmlichen Formungsverfahrens, wie beispielsweise eines Schweißverfahrens, eines Rotationsformungsverfahrens, eines Spritzblasformungsverfahrens sowie jeder beliebigen Kombination aus diesen ausgebildet. Eine Art von Hochdruckbehälter wird durch Umwickeln eines dünnen, hohlen Grundkörpers oder Mantels mit einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet. Der Mantel ist typischerweise beispielsweise aus einem Kunststoff- oder Metallmaterial gefertigt.
  • Wenn Hochdruckbehälter in Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet werden, ist es wünschenswert, dass die Hochdruckbehälter schlagfest sind. Es ist außerdem wünschenswert, dass die Hochdruckbehälter für den Fall einer plötzlichen Freisetzung von Druck aus diesen mit energiemindernden Eigenschaften hergestellt werden.
  • Es wäre wünschenswert, einen Hochdruckbehälter mit einem darin angeordneten Füllmaterial zu entwickeln, bei welchem eine während einer plötzlichen Freisetzung von Druck entstehende Energie auf wirksame Weise abgeleitet wird.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung und übereinstimmend mit dieser ist überraschenderweise ein Hochdruckbehälter mit einem darin angeordneten Füllmaterial entdeckt worden, bei welchem eine während einer plötzlichen Freisetzung von Druck entstehende Energie auf wirksame Weise abgeleitet wird.
  • In einer Ausführungsform umfasst der Behälter: einen Grundkörper, der einen Innenhohlraum definiert, um darin ein Fluid aufzunehmen; und ein Füllmaterial, das in dem Innenhohlraum des Grundkörpers angeordnet ist und eine Ausflussrate des Fluids aus dem Grundkörper minimiert.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst der Behälter: einen Grundkörper, der einen Innenhohlraum definiert, um darin ein Druckfluid aufzunehmen, wobei der Grundkörper zumindest einen darin ausgebildeten Halsabschluss aufweist, der eine Öffnung in den Innenhohlraum des Grundkörpers hinein ausbildet; ein Füllmaterial, das in dem Innenhohlraum des Grundkörpers angeordnet ist und eine Ausflussrate des Druckfluids aus dem Grundkörper minimiert; und einen um den Grundkörper herum ausgebildeten Außenmantel.
  • In einer anderen Ausführungsform umfasst der Behälter: einen Grundkörper, der einen Innenhohlraum definiert, um darin ein Druckfluid aufzunehmen, wobei der Grundkörper zumindest einen darin ausgebildeten Halsabschluss aufweist, der eine Öffnung in den Innenhohlraum des Grundkörpers hinein ausbildet, wobei der zumindest eine Halsabschluss ein Behälterdurchdringungselement darin aufnimmt; einen Außenmantel, der um den Grundkörper herum ausgebildet ist; und ein Füllmaterial, das in zumindest einem Abschnitt des Innenhohlraums des Grundkörpers angeordnet ist, um eine Durchflussrate des Druckfluids durch eine unerwünschte Öffnung, die sich in dem Grundkörper und/oder dem Außenmantel gebildet hat, zu minimieren.
  • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die oben erwähnten, sowie auch weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf einfache Weise aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Lichte der beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • 1 eine fragmentarische, im Querschnitt dargestellte Seitenaufrissansicht eines Behälters mit einem darin angeordneten Füllmaterial gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, wobei es sich bei dem Füllmaterial um ein Porenstrukturmaterial handelt; und
  • 2 eine fragmentarische, im Querschnitt dargestellte Seitenaufrissansicht des in 1 veranschaulichten Behälters ist, wobei es sich bei dem Füllmaterial um ein Granulat handelt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene, beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen sollen es dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung zu realisieren und zu verwenden und es soll dadurch der Umfang der Erfindung keineswegs in irgendeiner Art beschränkt werden.
  • In 1 und 2 ist ein Behälter 10 mit einem ersten Ende 12 und einem zweiten Ende 14 veranschaulicht. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Behälter 10 einen hohlen Grundkörper 16. Es versteht sich, dass es sich bei dem Behälter 10 je nach Wunsch um jede beliebige Behälterart handeln kann, wie beispielsweise einen Metallbehälter, einen Behälter, der einen Metall-Grundkörper mit einem darauf angeordneten Verbund-Außenmantel umfasst, einen Behälter der einen Kunststoff-Grundkörper mit einem darauf angeordneten Verbund-Außenmantel umfasst, und einen Behälter, der aus einem Verbundmaterial gefertigt ist, handeln kann. Der Behälter 10 ist von im Wesentlichen zylindrischer Gestalt und dafür angepasst, ein Druckfluid (nicht gezeigt) zu fassen. Es versteht sich, dass der Behälter 10 jede gewünschte Form aufweisen kann und dass der Behälter 10 je nach Wunsch zusätzliche Schichten, wie beispielsweise eine Sperrschicht, eine Folienschicht, eine poröse Permeationsschicht und dergleichen umfassen kann. Bei dem Druckfluid kann es sich um jedes beliebige Fluid, wie beispielsweise Gas (z. B. Wasserstoffgas und Sauerstoffgas), eine Flüssigkeit, sowie um beides, eine Flüssigkeit und ein Gas, handeln. Wie gezeigt, ist der Grundkörper 16 aus einem formbaren Material, wie beispielsweise Polyethylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat (PET), Ethylen-Vinylalkohol, und einem Polyamid gebildet. Es versteht sich, dass der Grundkörper 16 je nach Wunsch aus jedem beliebigen Material, wie beispielsweise einem Metallmaterial, gebildet sein kann und je nach Wunsch durch jedes beliebige, herkömmliche Formungsverfahren, wie beispielsweise ein Schweißverfahren, ein Rotationsformungsverfahren, ein Spritzblasformungsverfahren, sowie durch jede beliebige Kombination aus diesen gebildet sein kann.
  • Zumindest ein Halsabschluss 20 bildet eine Öffnung in einen Innenraum 22 des Grundkörpers 16. In der gezeigten Ausführungsform ist der Abschluss 20 in dem Grundkörper 16 an dem ersten Ende 12 und dem zweiten Ende 14 des Behälters 10 ausgebildet. Es können je nach Wunsch zusätzliche oder auch weniger Halsabschlüsse 20 in dem Grundkörper 16 ausgebildet sein. Der Halsabschluss 20 nimmt ein Behälterdurchdringungselement (nicht gezeigt), wie beispielsweise ein Rohrverbindungsstück, ein Ventil, einen Sensor, eine Komponente eines geteilten runden Vorsprungs, einen Schlauch, eine Düse, eine Leitung und dergleichen darin auf. Wie gezeigt, ist eine Innenfläche 24 des Halsabschlusses 20 mit einem Gewinde versehen und nimmt eine Dichtung 26 darauf auf.
  • Der Innenraum 22 des Grundkörpers 16 umfasst ein darin angeordnetes Füllmaterial 28. Wie in 1 gezeigt, kann es sich bei dem Füllmaterial 28 um ein Porenstrukturmaterial wie beispielsweise einen Schaumstoff (d. h. beispielsweise um einen Metallschaum, einen Polymerschaum, einen Kohlenstoffschaum und dergleichen) handeln. Bei dem Füllmaterial 28 kann es sich, wie in 2 gezeigt, auch um ein Granulat, wie beispielsweise ein mikroporöses Granulat (d. h. eine Mehrzahl von mikroporösen Kügelchen) handeln. Bei dem Füllmaterial 28 kann es sich je nach Wunsch auch um jede beliebige Kombination aus einem Porenstrukturmaterial und einem Granulat handeln. Es versteht sich, dass das Füllmaterial 28 je nach Wunsch jede beliebige Porosität aufweisen kann. Es versteht sich weiterhin, dass das Füllmaterial 28 je nach Wunsch jede beliebige Oberflächenbehandlung, wie beispielsweise eine Beschichtung, aufweisen kann.
  • Wie gezeigt, füllt das Füllmaterial 28 im Wesentlichen den gesamten Innenraum 22 des Grundkörpers 16 aus. Es versteht sich jedoch, dass das Füllmaterial 28 je nach Wunsch auch in einem Abschnitt des Innenraums 22 des Grundkörpers 16 angeordnet sein kann. Durch das Füllmaterial 28 wird eine Energie minimiert, die von dem Behälter 10 freigesetzt wird, während eine plötzliche Freisetzung von Druck aus dem Behälter 10 erfolgt, und wird eine Ausflussrate des Fluids aus dem Grundkörper 16 des Behälters 10 minimiert. Wenn sich beispielsweise eine unerwünschte Öffnung in einem Hochdruckbehälter bildet, ist typischerweise ein die Öffnung umgebender Bereich einer hohen Spannungskonzentration unterworfen, da ein in dem Behälter angeordnetes Fluid unter Druck steht und eine Durchflussrate des Fluids durch die Öffnung maximiert ist. Folglich breiten sich ausgehend von der Öffnung Bruchstellen aus, was zu einer Zersplitterung des Grundkörpers des Behälters führt.
  • Wenn sich eine unerwünschte Öffnung in dem Behälter 10 bildet, minimiert jedoch das Füllmaterial 28 die der Öffnung unterworfene Spannungskonzentration, indem es die Durchflussrate des Fluids durch die Öffnung minimiert. Weiterhin absorbiert das Füllmaterial 28 Energie, die von einer Expansionswelle erzeugt wird, welche durch die Bildung der unerwünschten Öffnung in dem Behälter begünstigt wird. Insbesondere wird Energie durch einen äußeren Abschnitt des Füllmaterials 28 absorbiert, und die Absorption setzt sich nach innen hinein fort, bis eine vollständige Umwandlung oder Zerstörung des Füllmaterials 28 eingetreten ist. Beispielsweise wird ein Metallschaum an einem äußeren Abschnitt davon plastifiziert und setzt sich die Plastifizierung nach innen hinein fort, bis eine vollständige Plastifizierung des Metall-Schaumstoffs eingetreten ist. Eine Umwandlung des Füllmaterials 28 muss erfolgen, noch bevor eine Zersplitterung des Behälters 10 eintreten kann. Zusätzlich wird durch das umgewandelte oder zerstörte Füllmaterial 28 die Ausflussrate des Fluids aus dem Grundkörper 16 minimiert. Demgemäß wirkt das Füllmaterial 28 einer umfangreichen Zersplitterung des Behälters 10 während der plötzlichen Freisetzung von Druck aus diesem entgegen. Zusätzlich wird durch das umgewandelte oder zerstörte Füllmaterial 28 Energie, die als Ergebnis der plötzlichen Freisetzung von Druck aus dem Behälter 10 erzeugt wird, abgeleitet. Beispielsweise ist Energie erforderlich, um das umgewandelte oder zerstörte Füllmaterial 28 zu beschleunigen.
  • In der gezeigten Ausführungsform ist ein Außenmantel 30 um zumindest einen Abschnitt des Grundkörpers 16 herum ausgebildet. Ein Abschnitt des Außenmantels 30 ist an dem zumindest einen Halsabschluss 20 angeordnet. Der Außenmantel 30 ist typischerweise durch ein Faserwickel- und Aushärteverfahren gebildet. Wenn der Außenmantel 30 durch ein Faserwickel- und Aushärteverfahren gebildet ist, kann der Außenmantel 30 beispielsweise aus einer Kohlenstofffaser, einer Glasfaser, eine Verbundfaser und einer Faser mit Kunstharzüberzug gebildet sein. Es versteht sich, dass der Außenmantel 30 je nach Wunsch auch durch andere Verfahren gebildet sein kann.
  • Der zur Bildung des Behälters 10 dienende Grundkörper 16 ist durch ein beliebiges, herkömmliches Formungsverfahren ausgebildet. Nachdem der Grundkörper 16 ausgebildet worden ist, wird das Füllmaterial 28 je nach Wunsch durch ein beliebiges, herkömmliches Verfahren in zumindest einem Abschnitt des Innenhohlraums 22 angeordnet. Alternativ dazu kann der Grundkörper 16 je nach Wunsch auch um das Füllmaterial 28 herum ausgebildet werden. Optional wird anschließend der Außenmantel 30 unter Verwendung eines Faserwickel- und Aushärteverfahren um zumindest einen Abschnitt des Grundkörpers 16 herum ausgebildet. Nach dem Aushärten des Außenmantels 30 ist der Behälter 10 fertiggestellt. Anschließend wird der Grundkörper 16 des Behälters 10 mit dem Druckfluid befüllt.
  • Aus der vorangegangenen Beschreibung kann der Fachmann auf einfache Weise die wesentlichen Merkmale der Erfindung ermitteln und, ohne von der Wesensart und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, verschiedene Abänderungen und Modifikationen an der Erfindung vornehmen, um diese an unterschiedliche Verwendungszwecke und Bedingungen anzupassen.

Claims (10)

  1. Behälter, welcher umfasst: einen Grundkörper, der einen Innenhohlraum definiert, um darin ein Druckfluid aufzunehmen, und ein Füllmaterial, das in dem Innenhohlraum des Grundkörpers angeordnet ist und eine Ausflussrate des Fluids aus dem Grundkörper minimiert.
  2. Behälter nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial in zumindest einem Abschnitt des Innenhohlraums des Grundkörpers angeordnet ist.
  3. Behälter nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Füllmaterial um ein Porenstrukturmaterial und/oder um ein Granulat handelt.
  4. Behälter nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Füllmaterial um einen porösen Schaumstoff und/oder ein Schwammmaterial und/oder ein Keramikmaterial handelt.
  5. Behälter nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Füllmaterial um einen Metallschaum und/oder einen Kohlenstoffschaum und/oder einen Polymerschaum handelt.
  6. Behälter nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Füllmaterial um ein mikroporöses Granulat handelt.
  7. Behälter nach Anspruch 1, wobei das Füllmaterial die Durchflussrate des Fluids durch eine unerwünschte Öffnung, die sich in dem Grundkörper gebildet hat, minimiert.
  8. Behälter, welcher umfasst: einen Grundkörper, der einen Innenhohlraum definiert, um darin ein Druckfluid aufzunehmen, wobei der Grundkörper zumindest einen darin ausgebildeten Halsabschluss aufweist, der eine Öffnung in den Innenhohlraum des Grundkörpers hinein ausbildet; ein Füllmaterial, das in dem Innenhohlraum des Grundkörpers angeordnet ist und eine Ausflussrate des Druckfluids aus dem Grundkörper minimiert; und einen Außenmantel, der um den Grundkörper herum ausgebildet ist.
  9. Behälter nach Anspruch 8, wobei das Füllmaterial die Durchflussrate des Druckfluids durch eine unerwünschte Öffnung, die sich in dem Grundkörper und/oder dem Außenmantel gebildet hat, minimiert.
  10. Behälter, welcher umfasst: einen Grundkörper, der einen Innenhohlraum definiert, um darin ein Druckfluid aufzunehmen, wobei der Grundkörper zumindest einen darin ausgebildeten Halsabschluss aufweist, der eine Öffnung in den Innenhohlraum des Grundkörpers hinein ausbildet, wobei der zumindest eine Halsabschluss ein Behälterdurchdringungselement darin aufnimmt; einen Außenmantel, der um den Grundkörper herum ausgebildet ist; und ein Füllmaterial, das in zumindest einem Abschnitt des Innenhohlraums des Grundkörpers angeordnet ist, um eine Durchflussrate des Druckfluids durch eine unerwünschte Öffnung, die sich in dem Grundkörper und/oder dem Außenmantel gebildet hat, zu minimieren.
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