DE102011109149A1

DE102011109149A1 - Hochdruckverbindungsstück für wasserstoffanwendungen

Info

Publication number: DE102011109149A1
Application number: DE102011109149A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pechtold; Jörg Schulze
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2011-08-01
Publication date: 2012-02-09
Also published as: US20120032438A1; CN102374346B; CN102374346A; US8454058B2

Abstract

Es werden Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstücke vorgesehen. In einer Ausführungsform umfasst das Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück ein Rohr mit einem Flansch nahe einem Ende; eine Mutter, die das Rohr an einer Niederdruckseite des Flansches umfängt, wobei die Mutter ein Gegengewinde zu einem Gewinde an einem Ventilkörper aufweist; eine Lippendichtung, die das Rohr an einer Hochdruckseite des Flansches umfängt, wobei der Flansch die Lippendichtung lagert, wobei die Lippendichtung hin zum Ventilkörper zeigt, wobei die Lippendichtung eine zylindrische Abdichtfläche aufweist, wobei die zylindrische Abdichtfläche mit dem Ventilkörper in Eingriff steht; wobei bei Verbindung des Wasserstoff enthaltenden Rohrs mit einem Ventilkörper eine Dichtung bei einem Druck von bis zu etwa 87,5 MPa aufrechterhalten wird. Es werden auch Verfahren zum Abdichten eines Rohrs an einen Ventilkörper beschrieben.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Hochdruckrohre und insbesondere Verbindungsstücke, um Rohre mit Ventilkörpern zu verbinden.
Ein Verbindungsstück verbindet ein Rohr mit einem Körper, z. B. einer Ventilbaugruppe. Das Verbindungsstück dient auch als Dichtung, so dass das Material in dem Rohr/Körper nicht in die Umgebung entweichen kann.
Für Kraftfahrzeuganwendungen werden gegenwärtig Wasserstoffspeichersysteme entwickelt. Diese Speichersysteme haben mehrere wichtige Abdichtanforderungen, die aufgrund der kleinen Größe des Wasserstoffmoleküls eine Herausforderung darstellen. Das Verbindungsstück muss unter Bedingungen hohen Drucks, z. B. bis zu etwa 875 bar (87,5 MPa) einsatzfähig sein. Es muss auch bei niedrigen Temperaturen, z. B. bis hinunter zu etwa –40°C, sowie bei Temperaturen bis hinauf zu etwa 85°C einsatzfähig sein. Da das Verbindungsstück unter der Karosserie des Fahrzeugs eingebaut wird, ist es korrosiven Materialien ausgesetzt. Ferner sollte das Verbindungsstück mehrere Male geöffnet und geschlossen werden können. Es sollte auch einsatzfähig sein, wenn das Rohr und der Ventilkörper aus unterschiedlichen Materialien bestehen, z. B. wenn das Rohr aus Edelstahl besteht und der Ventilkörper aus Aluminium besteht.
WO 2009/100898 A1 beschreibt eine Art von Verbindungsstück für eine Ventilbaugruppe. Ein Ventilkörper 10 ist vorhanden. Mit dem Ventilkörper 10 ist ein Rohr 15 verbunden. An dem Rohr 15 ist durch eine Schweißnaht 25 ein Abdichtgehäuse 20 angebracht. Das Abdichtgehäuse 20 bildet einen Flansch um das Rohr 15, der die Dichtung 42 lagert. Die Mutter 30 passt in den Ventilkörper 10. Die Mutter 30 befindet sich an der Niederdruckseite des Flansches. Zwischen der Mutter 30 und dem Abdichtgehäuse 20 befindet sich eine Sicherungsscheibe 35. Die Dichtung 42 zwischen dem Ventilkörper 10 und dem Abdichtgehäuse 20 wird durch einen festen Ring aus Polyetheretherketon (PEEK) vorgesehen. Für Niedertemperaturanwendungen sind Dichtungen, die aus den meisten Elastomeren bestehen, nicht geeignet, da sie hart und spröde werden, und es müssen Kunststoffmaterialien wie etwa PEEK verwendet werden. Kunststoffmaterialien weisen aber eine beschränkte Elastizität auf, was zu der Gefahr vermehrter Lecks bei Temperaturen unter –40°C führt. Ferner ist die Kontaktfläche an dem Körper konisch, was es erschwert, enge Toleranzen einzuhalten.
Daher wäre es wünschenswert, ein Verbindungsstück zu haben, das auch bei niedrigen Temperaturen eine gute Dichtung für Wasserstoff bietet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung entspricht diesem Bedarf. Eine Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück. In einer Ausführungsform umfasst das Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück ein Rohr mit einem Flansch nahe einem Ende; eine Mutter, die das Rohr an einer Niederdruckseite des Flansches umfängt, wobei die Mutter ein Gegengewinde zu einem Gewinde an einem Ventilkörper aufweist; eine Lippendichtung, die das Rohr an einer Hochdruckseite des Flansches umfängt, wobei der Flansch die Lippendichtung lagert, wobei die Lippendichtung hin zum Ventilkörper zeigt, wobei die Lippendichtung eine zylindrische Abdichtfläche aufweist, wobei die zylindrische Abdichtfläche mit dem Ventilkörper in Eingriff steht; wobei bei Verbinden des Wasserstoff enthaltenden Rohrs mit einem Ventilkörper eine Dichtung bei einem Druck von bis zu etwa 87,5 MPa aufrechterhalten wird.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Ab dichten eines Rohrs an einen Ventilkörper. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren das Vorsehen eines Rohrs mit einem Flansch nahe einem Ende, einer Mutter, die das Rohr an einer Niederdruckseite des Flansches umfängt, wobei die Mutter ein Gegengewinde zu einem Gewinde an dem Ventilkörper hat, und einer Lippendichtung, die das Rohr an einer Hochdruckseite des Flansches umfängt, wobei der Flansch die Lippendichtung lagert, wobei die Lippendichtung hin zu dem Ventilkörper zeigt, wobei die Lippendichtung eine zylindrische Abdichtfläche aufweist; und Einführen des Rohrs in den Ventilkörper und Ineingriffbringen des Gewindes an der Mutter mit dem Gewinde an dem Ventilkörper, wobei die zylindrische Abdichtfläche mit dem Ventilkörper in Eingriff steht, um eine Dichtung zu bilden, wobei die Dichtung ohne Austreten von Wasserstoff einem Druck von bis zu etwa 87,5 MPa standhalten kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Wasserstoffverbindungsstücks des Stands der Technik.
2A–C sind Veranschaulichungen von Verbindungsstücken gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Veranschaulichung einer anderen Ausführungsform eines Wasserstoffverbindungsstücks.
4A–B sind Veranschaulichungen von Verbindungsstücken gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie in 2A–C gezeigt ist ein Ventilkörper 110 mit einem Rohr 115, das damit zu verbinden ist, vorhanden. Das Abdichtgehäuse 120a ist durch eine Schweißnaht 125 an dem Rohr 115 angebracht. Das Abdichtgehäuse bildet einen Flansch um das Rohr, der wie nachstehend erläutert zum Lagern der Dichtung dient. Die Mutter 130 wird in den Ventilkörper eingesetzt und befindet sich auf der Niederdruckseite des Flansches. Zwischen der Mutter 130 und dem Abdichtgehäuse 120 befindet sich eine Sicherungsscheibe 135. Die Sicherungsscheibe trägt dazu bei, ein Drehen der Mutter zu verhindern, sobald diese sitzt.
Die Dichtung zwischen dem Ventilkörper 110 und dem Abdichtgehäuse 120 wird durch eine federvorgespannte Lippendichtung 140a vorgesehen. Die federvorgespannte Lippendichtung 140a weist eine zylindrische Abdichtfläche auf. An zylindrischen Abdichtflächen ist es einfacher als an konischen Abdichtflächen, enge Toleranzen einzuhalten.
In dieser Ausführungsform weist die federvorgespannte Lippendichtung einen Lippendichtungsabschnitt und einen unteren Abschnitt auf. Abhängig von der jeweiligen Anwendung könnten aber andere Anordnungen von Lippendichtungen verwendet werden.
Der Lippendichtungsabschnitt zeigt hin zu dem Ventilkörper. Sowohl der Lippendichtungsabschnitt als auch der untere Abschnitt weisen zylindrische Abdichtflächen auf.
Die federvorgespannte Lippendichtung 140a besteht aus einem Kunststoffmaterial. Die Wahl des Kunststoffs hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Der Kunststoff sollte über dem Solltemperaturbereich einsatzfähig sein, ohne zu hart zu werden, und sollte biegsam genug sein, um bei den Betriebstemperaturen abzudichten. Geeignete Kunststoffmaterialien umfassen Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polyethylen ultrahohen Molekulargewichts (UHMWPE), sind aber nicht darauf beschränkt. Die Elastizität wird durch eine separate Feder vorgesehen.
Das andere Abdichtprinzip der Lippendichtung beeinflusst das erforderliche Drehmoment zum Abdichten. Wenn das Drehmoment an dem Gewinde des Verbindungsstücks hoch ist, wie bei WO2009/100898 , können die Aluminiumgewinde beschädigt werden oder die Häufigkeit, mit der das Verbindungsstück angezogen werden könnte, könnte sehr beschränkt sein. Mit der Lippendichtung kann das Drehmoment aber relativ gering sein, was die Haltbarkeit verbessern würde.
Die in 2A gezeigte Lippendichtung 140a unterscheidet sich von der Lippendichtung 140b von 2B, da der untere Abschnitt der Lippendichtung 140a breiter als der untere Abschnitt der Lippendichtung 140b ist. Das Abdichtgehäuse 120a in 2A endet an der Lippendichtung 140a, während das Abdichtgehäuse 120b in 2B an dem Ventilkörper 110 endet. Ein Abschnitt des Flansches in Eingriff steht mit der Oberfläche des Ventilkörpers, wie in 2B gezeigt ist, während er dies in 2A nicht tut.
Weitere optionale Merkmale betreffen den Korrosionsschutz für das Verbindungsstück. Wenn der Ventilkörper zum Beispiel aus Aluminium besteht und das Rohr aus Edelstahl besteht, kann Korrosionsschutz erforderlich sein. An dem Außenende des Verbindungsstücks (an dem gegenüberliegenden Ende des Gewindes von dem Abdichtgehäuse und der Sicherungsscheibe) kann eine Korrosionsschutzdichtung 150 hinzugefügt werden. Die Korrosionsschutzdichtung 150 ist dafür ausgelegt, ein Eindringen von Korrosion verursachenden Stoffen in den Verschraubungsbereich des Verbindungsstücks zu verhindern.
Das Vorhandensein der Korrosionsschutzdichtung 150 erzeugt zwischen der Lippendichtung 140a (die Hauptdichtung des Verbindungsstücks) und der Korrosionsschutzdichtung 150 ein Volumen. Wenn der Wasserstoff über einen langen Zeitraum unter hohem Druck steht, setzt die sehr geringe Permeation, die in allen Dichtungen besteht, das Volumen unter hohen Druck. Dies könnte die Korrosionsschutzdichtung herausdrücken. Wenn andererseits der Druck schnell verringert wird, könnte die Lippendichtung gezwungen werden, sich nach innen zu bewegen. Infolge dieser Probleme bestand die Empfehlung des Stands der Technik darin, nicht zwei Dichtungen in einer Reihe zu verwenden. Dies schließt aber das Verwenden einer Dichtung für Korrosionsschutz aus.
Für die Korrosionsschutzdichtung kann aber ein Material mit festgelegten Eigenschaften verwendet werden. Das Material sollte über einen breiten Bereich von Temperaturen (z. B. etwa –40°C bis etwa 85°C, bis zu etwa –80°C bis etwa 85°C) einsatzfähig sein, ein Eindringen von Wasser verhindern und wasserstoffdurchlässg sein. Wenn das Material diese Bedingungen erfüllt, baut sich zwischen den Dichtungen kein hoher Druck auf. Ein Beispiel für ein geeignetes Material ist Silikon. Es hat einen breiten Betriebstemperaturbereich, es verhindert Eindringen von Wasser und ist wasserstoffdurchlässig.
2A–C zeigen zwei unterschiedliche Arten von Korrosionsschutzdichtungen. In 2A–B wird ein O-Ring 150a verwendet, während in 2C eine flache Dichtung 150b verwendet wird. Es könnten auch Dichtungen mit anderen Formen verwendet werden, wie dem Fachmann bekannt ist.
Wenn ein Ventilkörper 110 ein Entlüftungsloch 145 umfasst, sollte diese Öffnung ebenfalls gegenüber Korrosion abgedichtet sein. Es kann ein Stopfen 155 verwendet werden. Der Stopfen sollte aus einem Material bestehen, das die vorstehend erläuterten Kriterien für die Korrosionsschutzdichtung erfüllt, z. B. Silikon.
Wünschenswerterweise ist das Verbindungsstück bei Temperaturbereichen von etwa –40°C bis etwa 85°C oder etwa –50°C bis etwa 85°C oder etwa –60°C bis etwa 85°C oder etwa –70°C bis etwa 85°C oder etwa –80°C bis etwa 85°C einsatzfähig.
Eine andere Ausführungsform eines Verbindungsstücks ist in 3 gezeigt. Der Ventilkörper 210 nimmt das Rohr 215 auf. Das Ende des Rohrs 215 ist eine gebildete Wulst, die einen Flansch 260 nahe dem Ende bildet. Zwischen dem Rohr/Flansch 215/260 und dem Ventilkörper 210 befindet sich eine O-Ring-Dichtung 242. Das Rohr lässt sich leicht formen und ist in Großserienproduktion kostengünstig. Die Dichtung ist ganz von dem Gasstrom entfernt. Die Anzahl an Teilen ist verringert und die Dichtung lässt sich leicht austauschen. Optional kann nach Bedarf in dieser Ausführungsform auch eine Sicherungsscheibe verwendet werden.
4A–B zeigen die Nutzung der Lippendichtung 240 und der Schutzdichtung 250 in der Ausführungsform von 3. In 4A endet der Flansch 260 an der Lippendichtung 140, während in 4B der Flansch 260 an dem Ventilkörper endet. Der untere Abschnitt der Lippendichtung 240a (4A) ist größer als der untere Abschnitt der Lippendichtung 240b (4B).
Zu beachten ist, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hierin nicht genutzt werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale ausschlaggeben, wesentlich oder auch wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Begriffe lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale betonen, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden können, aber nicht genutzt werden müssen.
Fr die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass der Begriff ”Vorrichtung” hierin genutzt wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten darzustellen, unabhängig davon, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Zum Beispiel kann eine erfindungsgemäße ”Vorrichtung” eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, etc. umfassen.
Für die Zwecke des Beschreibens und Darlegens der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hierin genutzt wird, um den inhärenten Grad an Unsicherheit darzustellen, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder einer anderen Darstellung zugeordnet sein kann. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hierin auch genutzt, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einem genannten Bezugswert abweichen kann, ohne zu einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstands zu führen.
Nach erfolgter ausführlicher Beschreibung der Erfindung unter Verweis auf bestimmte Ausführungsformen derselben versteht sich, dass Abwandlungen und Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Erfindung abzuweichen. Auch wenn im Einzelnen einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft bezeichnet sind, soll die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/100898 A1 [0004]
WO 2009/100898 [0017]

Claims

Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück, umfassend: ein Rohr mit einem Flansch nahe einem Ende; eine Mutter, die das Rohr an einer Niederdruckseite des Flansches umfängt, wobei die Mutter ein Gegengewinde zu einem Gewinde an einem Ventilkörper aufweist; eine Lippendichtung, die das Rohr an einer Hochdruckseite des Flansches umfängt, wobei der Flansch die Lippendichtung lagert, wobei die Lippendichtung hin zum Ventilkörper zeigt, wobei die Lippendichtung eine zylindrische Abdichtfläche aufweist, wobei die zylindrische Abdichtfläche mit dem Ventilkörper in Eingriff steht; wobei bei Verbindung des Wasserstoff enthaltenden Rohrs mit einem Ventilkörper eine Dichtung bei einem Druck von bis zu etwa 87,5 MPa aufrechterhalten wird.
Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück nach Anspruch 1, wobei die Lippendichtung einen Lippendichtungsabschnitt und einen unteren Abschnitt aufweist, wobei der Lippendichtungsabschnitt eine erste zylindrische Abdichtfläche aufweist und der untere Abschnitt eine zweite zylindrische Abdichtfläche aufweist.
Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück nach Anspruch 1, wobei ein Umfang des Flansches im Wesentlichen der gleiche wie ein Umfang der Lippendichtung ist.
Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück nach Anspruch 1, wobei ein Umfang des Flansches größer als ein Umfang der Lippendichtung ist und wobei ein Abschnitt des Flansches mit dem Ventilkörper in Eingriff steht.
Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück nach Anspruch 1, wobei die Lippendichtung aus Kunststoff besteht.
Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück nach Anspruch 1, welches weiterhin eine Korrosionsschutzdichtung an einem Außenrand des Gewindes der Mutter umfasst.
Hochdruckwasserstoff-Verbindungsstück nach Anspruch 6, wobei die Korrosionsschutzdichtung aus Silikon besteht.
Hochdruck-Wasserstoffverbindungsstück nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper ein Entlüftungsloch umfasst, wobei er weiterhin einen Schutzstopfen in dem Entlüftungsloch umfasst.
Verfahren zum Abdichten eines Rohrs an einen Ventilkörper, wobei das Rohr Wasserstoff befördert, umfassend: Vorsehen eines Rohrs mit einem Flansch nahe einem Ende, einer Mutter, die das Rohr an einer Niederdruckseite des Flansches umfingt, wobei die Mutter ein Gegengewinde zu einem Gewinde an dem Ventilkörper hat, und einer Lippendichtung, die das Rohr an einer Hochdruckseite des Flansches umfangt, wobei der Flansch die Lippendichtung lagert, wobei die Lippendichtung hin zu dem Ventilkörper zeigt, wobei die Lippendichtung eine zylindrische Abdichtfläche aufweist; und Einführen des Rohrs in den Ventilkörper und Ineingriffbringen des Gewindes an der Mutter mit dem Gewinde an dem Ventilkörper, wobei die zylindrische Abdichtfläche mit dem Ventilkörper in Eingriff steht, um eine Dichtung zu bilden, wobei die Dichtung ohne Austreten von Wasserstoff einem Druck von bis zu etwa 87,5 MPa standhalten kann.
Verfahren nach Anspruch 9, welches weiterhin das Einsetzen einer Korrosionsschutzdichtung an eine, Außenrand des Gewindes der Mutter umfasst.