DE102011052490A1 - Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck sowie Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung und Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck - Google Patents

Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck sowie Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung und Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck Download PDF

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Dragan Griebel
Thomas Lanzl
Alexander Oelschlegel
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Rehau Automotive SE and Co KG
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Rehau AG and Co
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck, sowie eine Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung und ein Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine geringere Anzahl von Dichtelementen bei einer gleichzeitig verbesserten und dauerhaften Gewährleistung der Dichtheit aus.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck aufweisend einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter aus Kunststoff, mindestens ein mit dem Medienbehälter verbundenes Ventilanschlusselement und mindestens ein mit dem Ventilanschlusselement verbindbares Ventilelement, wobei der Medienbehälter einen nach außen vorstehenden Kragen mit einer Kragenaußenwandung und einer Krangeninnenwandung aufweist. Das obere Ende des Kragens definiert dabei den freien Querschnitt einer Öffnung des Medienbehälters, wobei das Ventilanschlusselement im Bereich dieser Öffnung angeordnet und die Kragenaußenwandung von einer Innenwandung des Ventilanschlusselementes umschlossen ist.
  • Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der EP 2 115 343 B1 bekannt. Hierbei durchdringt ein Abschnitt des Ventilelements die Öffnung und wird von der Krageninnenwandung umschlossen. Um zu verhindern, dass das flüssige und/oder gasförmige Medium unter Druck aus dem Inneren des Medienbehälters aus Kunststoff entweichen kann, ist hierbei vorgesehen, dass im Bereich dieses Abschnittes O-Ring Dichtungen zwischen diesem Abschnitt und der Krageninnenwandung vorgesehen sind. Aufgrund der Verformungseigenschaften der O-Ringe soll ein Austreten des Mediums dauerhaft verhindern werden. Nachteilig ist hierbei, dass aufgrund der Dimensionierung der O-Ringe diese nur in einem sehr geringen, kreisförmig umlaufenden Bereich eine Abdichtung zwischen dem Abschnitt des Ventilelements und der Krageninnenwandung erzielen. Dem Dokument ist daher zu entnehmen, dass zur Vergrößerung dieser Dichtfläche mindestens ein zweiter O-Ring erforderlich ist, um eine dauerhafte Mediendichtheit zu gewährleisten. Die O-Ringe dichten zudem gegenüber der Krageninnenwandung des Medienbehälters, so dass eine dauerhafte Dichtheit der O-Ringe gegenüber einem Kunststoffmaterial gewährleistet sein muss, dessen Langzeitverformungen mit hoher Wahrscheinlichkeit zu Undichtigkeiten führen.
  • Die Druckschrift EP 0 821 194 B1 schlägt demgegenüber vor, dass ein Klemmring in das Ventilaufnahmeelement einschraubbar ist, welcher in einen kegelstumpfartigen Abschnitt übergeht. Der letztgenannte kegelstumpfartige Abschnitt presst dann die Innenwandung des Halsstückes eines Medienbehälters, welche mit einer zum Abschnitt korrespondierenden Anschrägung versehen ist, gegen die Innenwandung des Ventilaufnahmeelements. Nachteilig ist hierbei, dass die Anschrägung des kegelstumpfartigen Abschnittes und die Anschrägung der Innenwandung des Kragens sehr exakt aufeinander abgestimmt sein müssen, um eine ausreichende Dichtheit dahingehend zu gewährleisten, dass das unter Druck stehende Medium nicht zwischen dem Klemmring und der Innenwandung des Ventilanschlusselementes und infolgedessen zwischen der Innenwandung des Ventilanschlusselementes und der Kragenaußenwandung vorbei diffundiert bzw. vorbeifließt und aus dem Medienbehälter austritt. Die Erzielung einer dauerhaften Dichtheit ist insbesondere dann erschwert, wenn es sich – wie bei dem hier beschriebenen Liner – um einen einfachen Kunststoff-Medienbehälter handelt. Aufgrund der zwischen dem Kragen aus Kunststoff und dem kegelstumpfartigen Abschnitt anliegenden Schub-/Druckspannung neigt dieses Material in Folge dessen dazu der anliegenden Schub-/Druckspannung auszuweichen. Man spricht hierbei vom so genannten Fließen oder Kriechen des Kunststoffes. Dies hat zur Folge, dass die Verpressung nach und nach gelockert wird (relaxiert) und somit zwangsläufig eine Undichtheit entsteht. Die EP 0 821 194 B1 führt deswegen ferner aus, dass zur Verbesserung der Abdichtung in der Kontaktfläche zwischen dem Abschnitt des Klemmrings und der Krageninnenwandung ein hochelastisches Dichtmittel vorgesehen ist. Erst dann ist sichergestellt, dass insbesondere der kritische Übergangsbereich zwischen dem kegelstumpfartigen Abschnitt und dem Gewindeabschnitt des Klemmrings dauerhaft dicht ist.
  • Nachteilig am Stand der Technik ist daher, dass insbesondere zur dauerhaften Gewährleistung einer Dichtheit zwischen dem Ventilanschlusselement und dem Kragen des Medienbehälters aufwändige und insbesondere zusätzliche Dichtelement notwendig sind.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck derart weiterzuentwickeln, dass diese bei einer geringeren Anzahl von Dichtelementen eine verbesserte und dauerhafte Dichtheit gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck aufweisend:
    • – einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter aus einem vernetzten thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise aus vernetztem Polyethylen,
    • – mindestens ein mit dem Medienbehälter verbundenes Ventilanschlusselement,
    • – mindestens ein mit dem Ventilanschlusselement verbindbares Ventilelement,
    wobei der Medienbehälter einen nach außen vorstehenden Kragen mit einer Kragenaußenwandung einer Krageninnenwandung aufweist, wobei das obere Ende des Kragens den freien Querschnitt einer Öffnung des Medienbehälters definiert, wobei das Ventilanschlusselement im Bereich dieser Öffnung angeordnet und die Kragenaußenwandung von einer Innenwandung des Ventilanschlusselementes umschlossen ist, und wobei das Ventilelement einen Verpressungsabschnitt aufweist, der die Öffnung durchdringt und von der Krageninnenwandung umschlossen ist, und wobei der Außendurchmesser des Verpressungsabschnitts vor der Ventilelementmontage größer als der Durchmesser der Krageninnenwandung ist, sodass bei der Montage des Ventilelements sowohl zwischen dem Verpressungsabschnitt und der Krageninnenwandung als auch zwischen der Kragenaußenwandung und der Innenwandung des Ventilanschlusselementes ein dauerhafter Presssitz entsteht, der das unter Druck stehende Medien abdichtet. Durch das Vorsehen eines vernetzten thermoplastischen Kunststoffes bleibt der durch das Übermaß des Verpressungsabschnittes gegenüber dem Innendurchmesser der Krageninnenwandung gebildete Presssitz und die hiermit verbundene Schub- und/oder Druckspannung dauerhaft erhalten, da ein derart vernetzter thermoplastischer Kunststoff keine bzw. vernachlässigbar geringe Fließvorgänge (Kriechen) zeigt und sich weitgehend rein elastisch verhält. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei die Verwendung von vernetztem Polyethylen erwiesen. Als Vernetzung hat sich hierbei insbesondere die Vernetzung des Polyethylens unter erhöhter Temperatur durch radikal bildende Peroxide (PE-Xa) als vorteilhaft erwiesen. Darüber hinaus kann auch eine silanische Vernetzung von Polyethylen (PE-Xb) oder eine Strahlenvernetzung von Polyethylen (PE-Xc) angewendet werden. Der Vernetzungsgrad des thermoplastischen Kunststoffs bzw. des Polyethylens kann gemäß der vorliegenden Erfindung 5% bis 95%, bevorzugt 15% bis 90% und besonders bevorzugt 50% bis 85% betragen. Prinzipiell bezeichnet man das Ventilelement auch als On-Tank-Valve (kurz OTV). Das unter Druck stehende Medium kann insbesondere Wasserstoff (H2) sein. Die Vorrichtung dient dann zur Speicherung und Abgabe von flüssigem und/oder gasförmigem Wasserstoff unter Druck.
  • Das Ventilelement kann mehrteilig aufgebaut sein. Das Ventilelement kann aus mehreren Segmenten bestehen. Der Verpressungsabschnitt kann insbesondere an einem separaten ersten Segment des Ventilelements angeordnet sein. Das separate erste Segment kann insbesondere hülsenförmig ausgebildet sein. Der mehrteilige Aufbau ist vorteilhaft für den Fall einer Wartung oder Reparatur der erfindungsgemäßen Vorrichtung, da ggf. nur ein Teil bzw. ein Segment des Ventilelements ausgetäuscht oder gewartet werden muss.
  • Als vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass oberhalb des Kragens ein Dichtungselement, vorzugsweise ein O-Ring vorgesehen ist, welches das Ventilanschlusselement gegen das Ventilelement abdichtet. Vorteilhafterweise erfolgt die Abdichtung somit zwischen dem Ventilanschlusselement und dem Ventilelement und nicht zwischen dem Ventilanschlusselement und der Außenwandung des Kragens bzw. zwischen dem Ventilelement und der Innenwandung des Kragens. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Ventilanschlusselement und das Ventilelement aus einem metallischen Werkstoff gebildet sind. Derartige Werkstoffe neigen bei den Einsatztemperaturen der Vorrichtung nicht zum Kriechen, sodass durch die direkte Abdichtung dieses metallischen Ventilanschlusselements gegen das metallische Ventilelement mittels eines Dichtelements eine zusätzliche dauerhafte Dichtung gewährleistet ist. Das Dichtelement kann durch ein Stützelement (z.B. einen Stützring) lagefixiert sein. Das Stützelement verhindert eine Lageveränderung des Dichtelements hinein in den Spalt zwischen Ventilelement und Ventilanschlusselement im oder während des Gebrauch der Vorrichtung. Das Stützelement kann zudem ein Lösen des Dichtelements aus seiner Aufnahme (z.B. umlaufende Ringnut innerhalb des Ventilelements) an dem Ventilelement verhindern. Das Stützelement befindet sich vorzugsweise in derselben Aufnahme wie das Dichtelement.
  • Für den Fall eines mehrteiligen Aufbaus des Ventilelementes ist das Dichtungselement vorzugsweise an einem separaten zweiten Segment des Ventilelements angeordnet. Das Dichtungselement kann dann vorteilhaft leichter gewechselt bzw. gewartet werden.
  • Vorzugsweise liegt der Quotient aus der Differenz des Außendurchmessers des Verpressungsabschnitts und des Durchmessers der Krageninnenwandung in Bezug zu dem Durchmesser der Krageninnenwandung in einem Bereich zwischen 0,005 und 0,04, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,025, weiter vorzugsweise zwischen 0,013 und 0,018.
  • Dieser als Übermaß bezeichenbare Quotient weist für diese Bereiche einen optimierten Wert auf. Diese optimierten Werte gewährleisten akzeptable Montagekräfte des Ventilelements bei einem die Dichtheit dauerhaft gewährleistenden Presssitz.
  • Durch die Ausbildung eines dauerhaften Presssitzes bei der Montage des Ventilelements sowohl zwischen dem Verpressungsabschnitt und der Krageninnenwandung als auch zwischen der Kragenaußenwandung und der Innenwandung des Ventilanschlusselementes kann im Bereich des Verpressungsabschnittes und/oder der Kragenaußenwandung kein separates Dichtungselement vorgesehen sein. In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Vorrichtung in diesem Bereich auf ein zusätzliches Dichtungselement, im Gegensatz zu Vorrichtungen des Standes der Technik, vollständig verzichtet werden.
  • Der Verpressungsabschnitt kann eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Geometrie aufweisen. Insbesondere eine zylindrische Geometrie hat sich bei der Fertigung derartiger Vorrichtungen als besonders bevorzugt erwiesen, da die hierbei einzuhaltenden Toleranzen am einfachsten realisiert und eingehalten werden können. Zudem weist eine zylindrische Geometrie einen gleichmäßigen Presssitz und eine gleichmäßige Druckspannungsverteilung entlang der gesamten Kontaktfläche (Dichtfläche) zwischen Verpressungsabschnitt und Krageninnenwandung auf. Im Fall einer kegelstumpfförmigen Geometrie ist der jeweilige Außendurchmesser des Verpressungsabschnitts vor der Ventilelementmontage größer als der jeweilige – im Montagezustand dann korrespondierende bzw. dann gegenüberliegende – Durchmesser der Krageninnenwandung.
  • Das Ventilanschlusselement kann mindestens eine definierte Unregelmäßigkeit aufweisen. Diese Unregelmäßigkeit bewirkt eine punktuelle und/oder linienförmige Erhöhung der Druckspannung und ermöglicht eine weitere Verbesserung der Dichtwirkung. Diese Unregelmäßigkeit kann insbesondere eine Oberflächenunregelmäßigkeit sein. Beispielhaft für eine definierte Oberflächenunregelmäßigkeit sind gezielt eingestellte Rauheitswerte, ein definiert eingebrachtes Fischgrätmuster, Rippen oder andere Ausformungen auf der Innenwandung oder Ausnehmungen in der Innenwandung.
  • Alternativ oder in Kombination kann auch der Kragen bzw. die Kragenaußenwandung mindestens eine definierte Unregelmäßigkeit aufweisen. Diese Unregelmäßigkeit bewirkt eine punktuelle und/oder linienförmige Erhöhung der Druckspannung und ermöglicht eine weitere Verbesserung der Dichtwirkung. Diese Unregelmäßigkeit kann insbesondere eine Oberflächenunregelmäßigkeit sein. Beispielhaft für eine definierte Oberflächenunregelmäßigkeit sind gezielt eingestellte Rauheitswerte, ein definiert eingebrachtes Fischgrätmuster, Rippen oder andere Ausformungen oder Ausnehmungen auf oder in der Kragenaußenwandung und/oder Krageninnenwandung.
  • Vorzugsweise ist der Medienbehälter außerhalb des Bereiches des Kragens mit dem Ventilanschlusselement fest verbunden. Um sich den Vorteil eines möglichst flächig anliegenden Presssitzes zu erhalten, ist es besonders vorteilhaft, die Verbindung zwischen dem Medienbehälter und dem Ventilanschlusselement nur außerhalb des Bereichs des Kragens zu realisieren. Hierzu kann vorgesehen sein, dass der Medienbehälter mittels einer Schraubverbindung und/oder mittels einer Klebstoffschicht mit dem Ventilanschlusselement fest verbunden ist.
  • Der Medienbehälter kann von einer, vorzugsweise gewickelten oder geflochtenen, Armierungsschicht umgeben sein. Insbesondere zur Realisierung von Drücken des Mediums innerhalb des Medienbehälters im typischen Bereich von mehreren hundert bar ist eine Armierungsschicht zwingend erforderlich. Die Armierungsschicht kann Filamente in Form von z.B. Fäden oder Fasern aufweisen. Die Filamente können aus Kohlenstoff, Glas, Polyamid, Mineralwerkstoffen oder einer Kombination der vorgenannten Werkstoffe gebildet sein.
  • Teil der Erfindung ist ferner eine Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit, mindestens einer Medienverbindungsleitung, mindestens einem Druckminderer und mindestens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei kann die Medienverbindungsleitung die Vorrichtung mit der Brennstoffzelleneinheit medienleitend verbinden und der Druckminderer kann in Medienflussrichtung vor der Brennstoffzelleneinheit angeordnet sein.
  • Weiterhin Teil der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 15.
  • Weiterhin Teil der Erfindung ist ein Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter aus einem vernetzten thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise aus vernetztem Polyethylen, mindestens ein Ventilanschlusselement, mindestens ein mit dem Ventilanschlusselement verbindbares Ventilelement, wobei der Medienbehälter einen nach außen vorstehenden Kragen mit einer Kragenaußenwandung und einer Krageninnenwandung aufweist und das obere Ende des Kragens den freien Querschnitt einer Öffnung des Medienbehälters definiert, wobei das Ventilanschlusselement im Bereich dieser Öffnung angeordnet und die Kragenaußenwandung dabei von einer Innenwandung des Ventilanschlusselementes umschlossen wird, und wobei das Ventilelement einen Verpressungsabschnitt aufweist, der die Öffnung durchdringt und von der Krageninnenwandung umschlossen ist, und wobei der Verpressungsabschnitt aufgrund eines Übermaßes in die Öffnung eingepresst wird, sodass sowohl zwischen dem Verpressungsabschnitt und der Krageninnenwandung als auch zwischen der Kragenaußenwandung und dem Ventilanschlusselement ein dauerhafter Presssitz entsteht, der gegen das unter Druck stehende Medium abdichtet.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen axialen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung vor der Montage des Ventilelements,
  • 2 einen axialen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach der Montage des Ventilelements,
  • 3 eine Detaildarstellung des axialen Längsschnittes durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung nach der Montage des Ventilelements aus 2,
  • 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung,
  • 5 einen axialen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vor der Montage des Ventilelements,
  • 6 einen axialen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung nach der Montage des Ventilelements.
  • In den 1 bis 3 ist ein axialer Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung vor und nach der Montage des Ventilelements 3 dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck weist dabei einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter 1 aus Kunststoff auf. Der Medienbehälter 1 ist vorzugsweise in einem Blasformverfahren oder in einem Rotationsverfahren oder in einem Thermoumformverfahren hergestellt. Mit dem Medienbehälter 1 ist ein Ventilanschlusselement 2 verbunden. Die Vorrichtung weist ferner ein mit dem Ventilanschlusselement 2 verbindbares Ventilelement 3 auf (vgl. 1). Der Medienbehälter 1 weist dabei einen nach außen vorstehenden Kragen 4 mit einer Kragenaußenwandung 5 und einer Krageninnenwandung 6 auf. Das obere Ende 7 des Kragens 4 definiert den freien Querschnitt einer Öffnung 8 des Medienbehälters. Das Ventilanschlusselement 2 ist im Bereich dieser Öffnung 8 angeordnet und die Kragenaußenwandung 5 von einer Innenwandung 9 des Ventilanschlusselements 2 umschlossen. Das Ventilelement 3 weist einen Verpressungsabschnitt 10 auf. Dieser ist dafür vorgesehen, die Öffnung 8 zu durchdringen und von der Krageninnenwandung 6 umschlossen zu werden. Der Medienbehälter 1 besteht aus einem vernetzten thermoplastischen Kunststoff, in diesem Ausführungsbeispiel aus vernetztem Polyethylen des Typs PE-Xa. Der Außendurchmesser D des Verpressungsabschnitts 10 ist vor der Ventilelementmontage größer als der Durchmesser d der Krageninnenwandung 6 (vgl. 1). Bei bzw. nach der Montage des Ventilelements 3 (vgl. 2 und 3) entsteht somit sowohl zwischen dem Verpressungsabschnitt 10 und der Krageninnenwandung 6 als auch zwischen der Kragenaußenwandung 5 und der Innenwandung 9 des Ventilanschlusselements 2 ein dauerhafter Presssitz, der das unter Druck stehende Medium abdichtet. Oberhalb des Kragens ist ein Dichtelement 11 in Form eines O-Rings 11 vorgesehen, welches das Ventilanschlusselement 2 gegen das Ventilelement 3 abdichtet. Der O-Ring 11 ist durch einen Stützring (hier nicht näher dargestellt) lagefixiert. Der Stützring verhindert ein herein drücken des O-Rings 11 in den Spalt zwischen Ventilelement 3 und Ventilanschlusselement 2 bzw. ein herausfallen des O-Ring aus seiner umlaufenden Ringnut innerhalb des Ventilelements 3.
  • Der Stützring befindet sich in derselben umlaufenden Ringnut. Der Quotient (D-d) / d aus der Differenz (D-d) des Außendurchmessers D des Verpressungsabschnitts 10 und des Durchmessers d der Krageninnenwandung 6 in Bezug zu (=Division durch) dem Durchmesser d der Krageninnenwandung 6 liegt in einem Bereich zwischen 0,013 und 0,018. Im Bereich des Verpressungsabschnitts 10 und im Bereich der Kragenaußenwandung 5 ist kein separates Dichtungselement vorgesehen. Der Verpressungsabschnitt 10 weist eine zylindrische Geometrie auf. Oberhalb des Kragens 4 ist eine Verschraubung 12 zwischen dem Ventilelement 3 und dem Ventilanschlusselement 2 (vgl. 3) vorgesehen. Die Innenwandung 9 des Ventilanschlusselements 2 weist eine definierte Unregelmäßigkeit in Form eines Fischgrätmusters (hier nicht näher dargestellt) auf. Der Medienbehälter 1 ist außerhalb des Bereichs des Kragens 4 mit dem Ventilanschlusselement 2 fest verbunden. Hierbei ist der Medienbehälter 1 mittels einer Schraubverbindung 13a und mittels einer Klebstoffschicht 13b mit dem Ventilanschlusselement 2 fest verbunden. Der Medienbehälter 1 ist von einer gewickelten bzw. geflochtenen Armierungsschicht 14 umgeben. Die Armierungsschicht 14 weist Filamente z.B. aus Fäden oder Fasern auf. Die Filamente sind in diesem Ausführungsbeispiel aus Kohlenstoff gebildet. Denkbare weitere Werkstoffe der Filamente sind Glas, Polyamid, Mineralwerkstoffe oder auch eine Kombination aller vorgenannten Werkstoffe. Das in den 1 bis 3 dargestellte Ventilelement 3 ist einstückig aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Die das Medium aus dem Medienbehälter 1 nach außen führenden Durchführungen durch das Ventilelement 3 liegen außerhalb der axialen Schnittebene der 1 bis 3, so dass diese hier nicht erkennbar sind. Prinzipiell bezeichnet man das Ventilelement 3 auch als On-Tank-Valve (kurz OTV).
  • Ein Verfahren zur Montage einer in den 1 bis 3 dargestellten Vorrichtung umfasst eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
    • – einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter (1) aus Kunststoff,
    • – mindestens ein Ventilanschlusselement (2),
    • – mindestens ein mit dem Ventilanschlusselement (2) verbindbares Ventilelement (3),
    wobei der Medienbehälter (1) einen nach außen vorstehenden Kragen (4) mit einer Kragenaußenwandung (5) und einer Krageninnenwandung (6) aufweist und das obere Ende (7) des Kragens (4) den freien Querschnitt einer Öffnung (8) des Medienbehälters (1) definiert, wobei das Ventilanschlusselement (2) im Bereich dieser Öffnung (8) angeordnet und die Kragenaußenwandung (5) dabei von einer Innenwandung (9) des Ventilanschlusselementes (2) umschlossen wird, und wobei das Ventilelement (3) einen Verpressungsabschnitt (10) aufweist, der die Öffnung (8) durchdringt und von der Krageninnenwandung (6) umschlossen ist, und wobei der Medienbehälter (1) aus einem vernetzen thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise aus vernetztem Polyethylen, besteht und der Verpressungsabschnitt (10) aufgrund eines Übermaßes in die Öffnung (8) eingepresst wird, so dass sowohl zwischen dem Verpressungsabschnitt (10) und der Krageninnenwandung (6) als auch zwischen der Kragenaußenwandung (5) und dem Ventilanschlusselement (2) ein dauerhafter Presssitz entsteht, der gegen das unter Druck stehende Medium abdichtet.
  • Die 4 zeigt eine erfindungsgemäße Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung mit einer Brennstoffzelleneinheit 15, einer Medienverbindungsleitung 16, einem Druckminderer 17 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 18. Die Medienverbindungsleitung 16 verbindet die Vorrichtung 18 medienleitend mit der Brennstoffzelleneinheit 15. Das heißt, dass über die Medienverbindungsleitung 16 das in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 18 gespeicherte Medium, vorzugsweise Wasserstoff, zur Brennstoffzelle fließen kann. Da das unter Druck stehende Medium innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 18 unter einem stark erhöhten Druck (in diesem Ausführungsbeispiel Wasserstoff mit 750 bar) steht, ist in Medienflussrichtung vor der Brennstoffzelleneinheit 15 ein Druckminderer 17 angeordnet. Die in der Brennstoffzelle aus dem Kraftstoff (in diesem Fall Wasserstoff) umgewandelte elektrische Energie wird über elektrische Verbindungsleitungen 20 einem elektrischen Verbraucher 19 (z.B. ein Elektromotor) oder einem Energiespeicher 19 (z.B. Traktionsbatterie) zugeführt.
  • Das in den 5 und 6 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und / oder gasförmigen Medien unter Druck. Die Vorrichtung weist auf: einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter 1 aus Kunststoff, mindestens ein mit dem Medienbehälter 1 verbundenes Ventilanschlusselement 2, mindestens ein mit dem Ventilanschlusselement 2 verbindbares Ventilelement 3, 3a, 3b.
  • Der Medienbehälter 1 weist einen nach außen vorstehenden Kragen 4 mit einer Kragenaußenwandung 5 und einer Krageninnenwandung 6 auf. Das obere Ende 7 des Kragens 4 definiert den freien Querschnitt einer Öffnung 8 des Medienbehälters, wobei das Ventilanschlusselement 2 im Bereich dieser Öffnung 8 angeordnet und die Kragenaußenwandung 5 von einer Innenwandung 9 des Ventilanschlusselementes 2 umschlossen ist. Das Ventilelement 3, 3a weist einen Verpressungsabschnitt 10 auf, der die Öffnung 8 durchdringt und von der Krageninnenwandung 6 umschlossen ist. Das Ventilelement 3 ist mehrteilig aufgebaut. Der Verpressungsabschnitt 10 ist dabei an einem separaten ersten Segment 3a des Ventilelements 3 angeordnet. Ferner besteht der Medienbehälter 1 aus einem vernetzten thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise aus vernetztem Polyethylen. Der Außendurchmesser D des Verpressungsabschnitts 10 des ersten Segments 3a des Ventilelements 3 ist vor der Ventilelementmontage größer als der Durchmesser d der Krageninnenwandung 6, so dass bei der Montage des ersten Segments 3a des Ventilelements 3 sowohl zwischen dem Verpressungsabschnitt 10 und der Krageninnenwandung 6 als auch zwischen der Kragenaußenwandung 5 und der Innenwandung 9 des Ventilanschlusselements 2 ein dauerhafter Presssitz entsteht, der das unter Druck stehende Medium abdichtet. Oberhalb des Kragens 4 ist ein Dichtelement 11, vorzugsweise ein O-Ring 11 vorgesehen, welches das Ventilanschlusselement 2 gegen das Ventilelement 3, 3b abdichtet. Das Dichtungselement 11 ist an einem separaten zweiten Segment 3b des Ventilelements 3 angeordnet. Der Quotient (D-d) / d aus der Differenz (D-d) des Außendurchmessers D des Verpressungsabschnitts 10 des ersten Segments 3a des Ventilelements 3 und des Durchmessers d der Krageninnenwandung 6 in Bezug zu dem Durchmesser d der Krageninnenwandung 6 liegt in einem Bereich zwischen 0,013 und 0,018. Der Medienbehälter 1 ist von einer, vorzugsweise gewickelten oder geflochtenen, Armierungsschicht 14 umgeben. Die Armierungsschicht 14 weist Filamente, z. B. Fäden oder Fasern auf. Die Filamente sind in diesem Ausführungsbeispiel aus Glas bzw. einem Glaswerkstoff gebildet. Sowohl das erste Segment 3a als auch das zweite Segment 3b des Ventilelements 3 sind mittels einer Verschraubung 12a, 12b mit dem Ventilanschlusselement 2 verbindbar. Hierzu ist oberhalb des Kragens 4 eine erste Verschraubung 12a zwischen dem ersten Segment 3a und dem Ventilanschlusselement 2 und eine zweite Verschraubung 12b zwischen dem zweiten Segment 3b des Ventilelements 3 und dem Ventilanschlusselement 2 vorgesehen. Das erste Segment 3a des Ventilelements 3 weist eine Schlüsselaufnahme 26 für einen Innensechskantschlüssel auf, mittels welchem das erste Segment 3a über die Verschraubung 12a mit dem Ventilanschlusselement 2 verbindbar ist.
  • Das zweite Segment 3b des Ventilanschlusselements 3 weist eine Verlängerung 25 der medienführenden Ventildurchführung auf, über welche das Medium über das Ventilanschlusselement 3 bzw. 3b abgeführt werden kann. Die Verlängerung 25 ist so ausgebildet, dass diese eine durchgehende Ausnehmung des ersten Segments 3a des Ventilanschlusselements 3 durchdringt bzw. durchfasst und im montierten Zustand der Vorrichtung soweit in den Medienbehälter 1 hineinragt, dass eine thermische Belastung der Vorrichtung, insbesondere bei der Betankung des Medienbehälters 1, verringert ist. Hierzu ragt die Verlängerung 25 über das erste Segment 3a hinaus in den Medienbehälter hinein. Vorzugsweise ist im montierten Zustand der Vorrichtung das untere Ende 27 der Verlängerung 25 mindestens mit einem Abstand größer/gleich des Außendurchmessers D des ersten Segments 3a des Ventilanschlusselements 3 von dem ersten Segment 3a beabstandet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2115343 B1 [0002]
    • EP 0821194 B1 [0003, 0003]

Claims (17)

  1. Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck aufweisend: – einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter (1) aus einem vernetzen thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise aus vernetztem Polyethylen, – mindestens ein mit dem Medienbehälter (1) verbundenes Ventilanschlusselement (2), – mindestens ein mit dem Ventilanschlusselement (2) verbindbares Ventilelement (3, 3a, 3b), wobei der Medienbehälter (1) einen nach außen vorstehenden Kragen (4) mit einer Kragenaußenwandung (5) und einer Krageninnenwandung (6) aufweist, wobei das obere Ende (7) des Kragens (4) den freien Querschnitt einer Öffnung (8) des Medienbehälters (1) definiert, wobei das Ventilanschlusselement (2) im Bereich dieser Öffnung (8) angeordnet und die Kragenaußenwandung (5) von einer Innenwandung (9) des Ventilanschlusselementes (2) umschlossen ist, und wobei das Ventilelement (3, 3a) einen Verpressungsabschnitt (10) aufweist, der die Öffnung (8) durchdringt und von der Krageninnenwandung (6) umschlossen ist, und wobei der Außendurchmesser (D) des Verpressungsabschnitts (10) vor der Ventilelementmontage größer als der Durchmesser (d) der Krageninnenwandung (6) ist, so dass bei der Montage des Ventilelements (3) sowohl zwischen dem Verpressungsabschnitt (10) und der Krageninnenwandung (6) als auch zwischen der Kragenaußenwandung (5) und der Innenwandung (9) des Ventilanschlusselement (2) ein dauerhafter Presssitz entsteht, der das unter Druck stehende Medium abdichtet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (3) mehrteilig aufgebaut ist, wobei der Verpressungsabschnitt (10) an einem separaten, hülsenförmigen ersten Segment (3a) des Ventilelements (3) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Kragens (4) ein Dichtungselement (11), vorzugsweise ein O-Ring (11) vorgesehen ist, welches das Ventilanschlusselement (2) gegen das Ventilelement (3) abdichtet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (11) an einem separaten zweiten Segment (3b) des Ventilelements (3) angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus der Differenz (D-d) des Außendurchmessers (D) des Verpressungsabschnitts (10) und des Durchmessers (d) der Krageninnenwandung (6) im Bezug zu dem Durchmesser (d) der Krageninnenwandung (6) in einem Bereich zwischen 0,005 und 0,04, vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,025, weiter vorzugsweise zwischen 0,013 und 0,018 liegt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Verpressungsabschnitts (10) und/oder der Kragenaußenwandung (5) kein separates Dichtungselement vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verpressungsabschnitt (10) eine zylindrische oder kegelstumpfförmige Geometrie aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Kragens (4) eine Verschraubung (12) zwischen dem Ventilelement (3) und dem Ventilanschlusselement (2) vorgesehen ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung (9) des Ventilanschlusselementes (2) mindestens eine definierte Unregelmäßigkeit aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienbehälter (1) außerhalb des Bereichs des Kragens (4) mit dem Ventilanschlusselement (2) fest verbunden ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienbehälter (1) mittels einer Schraubverbindung (13a) und/oder mittels einer Klebstoffschicht (13b) mit dem Ventilanschlusselement (2) fest verbunden ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienbehälter (1) von einer, vorzugsweise gewickelten oder geflochtenen, Armierungsschicht (14) umgeben ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das die Armierungsschicht (14) Filamente, z.B. Fäden oder Fasern, aufweist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente aus Kohlenstoff, Glas, Polyamid, Mineralwerkstoffen oder einer Kombination der vorgenannten Werkstoffe gebildet sind.
  15. Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung mit – einer Brennstoffzelleneinheit (15), – mindestens einer Medien-Verbindungsleitung (16), – mindestens einem Druckminderer (17) und – mindestens einer Vorrichtung (18) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 14, wobei die Medien-Verbindungsleitung (16) die Vorrichtung (18) mit der Brennstoffzelleneinheit (15) medienleitend verbindet und der Druckminderer (17) in Medienflussrichtung vor der Brennstoffzelleneinheit (15) angeordnet ist.
  16. Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 14 oder mit einer Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 15.
  17. Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – einen das Medium aufnehmenden Medienbehälter (1) aus einem vernetzen thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise aus vernetztem Polyethylen, – mindestens ein Ventilanschlusselement (2), – mindestens ein mit dem Ventilanschlusselement (2) verbindbares Ventilelement (3), wobei der Medienbehälter (1) einen nach außen vorstehenden Kragen (4) mit einer Kragenaußenwandung (5) und einer Krageninnenwandung (6) aufweist und das obere Ende (7) des Kragens (4) den freien Querschnitt einer Öffnung (8) des Medienbehälters (1) definiert, wobei das Ventilanschlusselement (2) im Bereich dieser Öffnung (8) angeordnet und die Kragenaußenwandung (5) dabei von einer Innenwandung (9) des Ventilanschlusselementes (2) umschlossen wird, und wobei das Ventilelement (3) einen Verpressungsabschnitt (10) aufweist, der die Öffnung (8) durchdringt und von der Krageninnenwandung (6) umschlossen ist, und wobei der Verpressungsabschnitt (10) aufgrund eines Übermaßes in die Öffnung (8) eingepresst wird, so dass sowohl zwischen dem Verpressungsabschnitt (10) und der Krageninnenwandung (6) als auch zwischen der Kragenaußenwandung (5) und dem Ventilanschlusselement (2) ein dauerhafter Presssitz entsteht, der gegen das unter Druck stehende Medium abdichtet.
DE102011052490A 2011-08-08 2011-08-08 Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck sowie Kraftstoffenergieumwandlungsvorrichtung und Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Druck Withdrawn DE102011052490A1 (de)

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