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Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter mit einem Ventil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Druckgasbehälter sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die Behälter sind typischerweise im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und dienen zur Bevorratung von Gasen unter hohem Druck. Insbesondere können Druckgasbehälter zur Speicherung von Wasserstoff unter Drücken in der Größenordnung von 350 oder 700 bar eingesetzt werden.
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Die
DE 199 11 530 A1 beschreibt eine Sicherheitsvorrichtung für einen derartigen Druckgasbehälter. Die dort beschriebene Sicherheitsvorrichtung ist mittlerweile allgemein bekannt und üblich. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Berstkörper, welcher insbesondere in Form einer Glasampulle ausgebildet sein kann. Diese ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, welche einen sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Der Berstkörper hält ein Verschlusselement dichtend in einer ersten Position in einer Öffnung zur Druckentlastung des Druckgasbehälters, Kommt es nun zu einer thermischen Überhitzung im Bereich der Sicherheitsvorrichtung, so wird der Berstkörper durch den Innendruck, welcher sich im Bereich des Berstkörpers entwickelt, zerstört. Er gibt damit den Verschlusskörper frei, welcher von dem Innendruck in dem Druckgasbehälter aus der Leitung, welche er verschlossen hatte, bewegt wird. Durch geeignete Öffnungen im Bereich der Sicherheitsvorrichtung kann das Gas dann aus dem Druckgasbehälter abströmen und der Überdruck kann sich abbauen, bevor dieser eine potentielle Explosionsgefahr darstellt.
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Die Problematik bei diesem Aufbau liegt nun insbesondere darin, dass eine örtliche Verbindung zwischen der thermischen Belastung und der Sicherheitsvorrichtung gegeben sein muss. Wird ein Druckgasbehälter beispielsweise als Wasserstofftank in einem Fahrzeug eingesetzt, dann befindet sich typischerweise auf einer Seite des Druckgasbehälters ein Ventil zum Befüllen und Entnehmen des Gases und in dessen Bereich ist außerdem die Sicherheitsvorrichtung angeordnet. Kommt es nun beispielsweise zu einem Radbrand auf der dem Ventil abgewandten Seite des Druckgasbehälters, so können im Bereich des Druckgasbehälters extrem hohe Temperaturen entstehen, ohne dass der auf der gegenüberliegenden Seite angeordnete Berstkörper ausreichend erwärmt wird, um die Sicherheitsvorrichtung auszulösen.
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Um dieser Problematik abzuhelfen, schlägt die deutsche Patentschrift
DE 10 2006 009 537 B3 einen Druckgasbehälter insbesondere für Kraftstoffe vor. Dieser Druckgasbehälter enthält ein Entlastungsventil, welches mit einem entsprechenden Druck belastet wird, um es geschlossen zu halten. Der Druck liegt dann in einem Leitungselement, insbesondere einem Hochdruckschlauch, durch darin eingeschlossenes Medium an dem Entlastungsventil an. Im Bereich des Hochdruckschlauchs können ein oder mehrere thermische Auslöseeinheiten angeordnet werden, welche ihrerseits beispielsweise wiederum einen Berstkörper aufweisen. Kommt es nun im Bereich dieser Auslöseeinheiten zu einer entsprechenden Temperatursteigerung, so wird der jeweilige Berstkörper zerspringen und in der oben genannten Art das Medium aus dem Hochdruckschlauch freigeben. Dieses strömt in die Umgebung und gibt damit das Entlastungsventil frei, welches den Druckgasspeicher öffnet. Damit ist man in der Lage, eine Temperaturüberwachung nicht im Bereich des Ventils des Druckgasbehälters anzubringen, sondern auch über den Hochdruckschlauch in entfernter von dem Ventil liegenden Bereichen des Druckgasbehälters.
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Im Prinzip ist diese Funktionalität zu begrüßen. Der in der deutschen Patentschrift beschriebene Aufbau weist jedoch drei gravierende Nachteile auf. Er funktioniert über einen Druckabfall in der Hochdruckleitung. Ein Zerstören der Hochdruckleitung, ohne dass dies durch einen thermischen Notfall erfolgt ist, öffnet ebenfalls das Entlastungsventil und lässt das Gas aus dem Druckgasbehälter unkontrolliert und gegebenenfalls ungewünscht ab. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Hochdruckschlauch beispielsweise beim Einsatz in einem Fahrzeug, wenn es zu einem Unfall kommt, eingeklemmt werden kann. Damit ist eine Druckentlastung zwischen dem geklemmter Bereich und dem Entlastungsventil nicht mehr möglich, sofern der Hochdruckschlauch nicht zufällig in diesem Bereich zerstört wird. Liegt der Bereich des Einklemmens zwischen dem Entlastungsventil und der ersten Auslöseeinheit, dann kann es dazu kommen, dass die Auslöseeinheit nicht sicher und zuverlässig funktioniert und der Druckbehälter entgegen der gewünschten Wirkungsweise verschlossen bleibt. Die Sicherheitsvorrichtung gemäß der Patentschrift kann außerdem nur die Bereiche überwachen, in denen mit dem Hochdruckschlauch verbundene Berstkörper angeordnet werden. Soll der Bereich des Ventils zusätzlich überwacht werden, so ist hier eine weitere Sicherheitsvorrichtung, wie sie beispielsweise oben beschrieben worden ist, notwendig. Zur Überwachung eines Druckgasbehälters an zwei oder drei Stellen sind damit zwei oder drei Berstkörper mit den entsprechenden Verschlusselementen notwendig. Dies ist aufwändig, teuer und benötigt einen vergleichsweisen großen Baurraum.
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Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf die deutsche Offenlegungsschrift
DE 28 13 219 A1 hingewiesen werden. In dieser Schrift wird eine Auslösearmatur für einen Kohlesäurebehälter oder dergleichen beschrieben, welcher dazu dient, im Brandfall Fensterelemente nach einer thermischen Auslösung durch das in dem Kohlesäurebehälter befindliche Gas anzutreiben, um diese beispielsweise zu öffnen oder zu schließen. Um dieses Schließen auch unabhängig von einer unmittelbaren thermischen Einwirkung im Bereich des Kohlesäurebehälters auslösen zu können, ist eine Vorrichtung vorgesehen, über welche – elektrisch oder mechanisch von der Ferne aus – der diesen Druckgasbehälter verschließende Berstkörper zerstört werden kann, um so ein Auslösen der durch das Druckgas angetriebenen Einrichtungen bewerkstelligen zu können.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Sicherheit im Bereich eines Druckgasbehälters, und hier insbesondere im Bereich eines als Wasserstofftank eingesetzten Druckgasbehälters in einem Kraftfahrzeug, weiter zu verbessern und einfach, effizient, klein und kostengünstig eine sicher und zuverlässig arbeitende thermische Absicherung des Behälters bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Der Aufbau des Druckgasbehälters gemäß der Erfindung sieht ebenso wie der Druckgasbehälter im oben zuerst zitierten Stand der Technik eine Sicherheitsvorrichtung mit einer thermischen Auslöseeinheit vor. Außerdem ist eine Fernauslösevorrichtung zum alternativen Betätigen der Auslöseeinheit mit der Sicherheitsvorrichtung verbunden. Die erfindungsgemäße Losung sieht nun vor, dass die Fernauslösevorrichtung wenigstens einen Seilzug aufweist, welcher unter Vorspannung von wenigstens einem Berstkörper in Position gehalten ist. Ein Bersten des Berstkörpers löst so eine Bewegung des Seilzugs aus, welche die Auslöseeinheit zumindest mittelbar betätigt. Der Seilzug, welcher vorzugsweise als ummantelter Seilzug, als sogenannter Bowdenzug ausgebildet ist, wird unter Vorspannung gegen den Berstkörper gedrückt. Der Berstkörper halt also den Seilzug unter Spannung. Kommt es zu einer Temperaturerhöhung im Bereich des Berstkörpers, welcher an beliebigen Stellen positioniert werden kann, beispielsweise auf der der Ausleseeinheit gegenüber liegenden Seite des Druckgasspeichers, dann wird der Berstkörper platzen und ein gewisses Wegstück des Bowdenzugs gegen die Vorspannung freigeben. Dieses Wegstück kann dann zumindest mittelbar die Auslöseeinheit auslösen, beispielsweise indem ein Auslöser betätigt wird, welcher einen federbelasteten Bolzen und/oder eine Sprengkapsel im Bereich der Auslöseeinheit auslöst, welche darin wiederum einen beispielsweise im Bereich der Auslöseeinheit angeordneten Berstkörper zerstört und so das Ausströmen des Gases ermöglicht.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ist es dabei vorgesehen, dass der wenigstens eine Seilzug aus temperaturbeständigem Material ausgebildet ist. Unter einem solchen temperaturbeständigen Material kann dabei jedes Material verstanden werden, welches ohne nennenswerte Verformungen Temperaturen standhält, welche etwas höher als die gewünschte Auslösetemperatur sind. Diese Ausbildung des Seilzugs aus einem temperaturbeständigen Material stellt sicher, dass dieser auch dann noch auslösen kann, wenn in seinem Bereich die Auslösetemperatur aufgetreten ist. Dadurch wird die Auslösung nicht durch ein temperaturbedingtes Blockieren des Seilzugs verhindert.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ist es dabei vorgesehen, dass die Auslöseeinheit einen Verschlusskörper und einen diesen in einer verschlossenen Position haltenden Berstkörper aufweist. Dieser an sich bekannte Aufbau hat sich als Sicherheitsvorrichtung beziehungsweise als Auslöseeinheit für eine solche Sicherheitsvorrichtung in Ventilen bei Druckgasbehältern bewährt. Er ist am Markt verfügbar und kann daher entsprechend kostengünstig bezogen werden. Dieser an sich bekannte Aufbau wird dann erfindungsgemäß um die Fernauslösevorrichtung erweitert. Er ermöglicht so ein einfaches Auslösen der Sicherheitsvorrichtung durch ein zumindest mittelbares mechanisches Zerstören des Berstkörpers aufgrund des in der Fernauslösevorrichtung auftretenden Druckanstiegs im Falle einer thermischen Belastung im Bereich der Fernauslösevorrichtung. Außerdem ist die herkömmliche Funktionalität im Falle einer thermischen Belastung im Bereich der Sicherheitsvorrichtung selbstverständlich weiterhin gegeben. Insbesondere kann der im Bereich der Auslöseeinheit eingesetzte Berstkörper baugleich mit dem wenigstens einen Berstkörper im Bereich des vorgespannten Seilzugs ausgebildet sein.
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Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter ermöglicht einen sehr hohen Sicherheitsstandard gegenüber thermischen Überlastungen und gewährleistet sicher, schnell und zuverlässig einen Druckabbau, bevor es zu einer Überlastsituation kommt, welche mit einem Zerbersten des Druckgasbehälters einhergehen könnte, und welche ein hohes Sicherheitsrisiko darstellt. Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter kann daher insbesondere zur Speicherung von Gasen unter sehr hohem Druck eingesetzt werden. Da Wasserstoff aufgrund der geringen Energiedichte typischerweise unter sehr hohem Druck, beispielsweise unter Drücken in der Größenordnung von 700 bar in Druckgasbehältern gespeichert wird, liegt die bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters in der Speicherung von Wasserstoff. Um die sehr hohen Sicherheitsanforderungen zu erfüllen, welche insbesondere in Fahrzeugen gegeben sind, kann eine besonders bevorzugte Verwendung des Druckgasspeichers insbesondere als Wasserstofftank in einem mit Wasserstoff angetriebenen Fahrzeug liegen. Solche Wasserstofftanks in mit Wasserstoff angetriebenen Fahrzeugen, welcher beispielsweise in einem Verbrennungsmotor verbrannt, insbesondere jedoch in einer Brennstoffzelle zusammen mit Luftsauerstoff in elektrische Energie umgesetzt wird, stellt eine bevorzugte Verwendung für den erfindungsgemäßen Druckgasspeicher dar. Dieser erfüllt sehr hohe Sicherheitsstandards, sodass dieser auch in Fahrzeugen, welche gegebenenfalls in Unfälle verwickelt werden und dadurch den Druckgasbehälter besonderen Belastungen aussetzen, sicher und zuverlässig eingesetzt werden. Auch die typischerweise in der Nähe befindlichen Passagiere eines mit einem solchen Druckgasbehälter als Wasserstofftank ausgestatteten Fahrzeugs bleiben von einer thermischen Überlastung des Druckgasbehälters weitgehend ungefährdet, da der erfindungsgemäße Druckgasbehälter über eine sehr sichere und zuverlässige Sicherheitsvorrichtung verfügt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
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1 einen Druckgasbehälter gemäß der Erfindung;
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2 einen Teil der Fernauslösevorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;
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3 einen Teil der Fernauslösevorrichtung gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform;
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4 die Sicherheitsvorrichtung sowie einen Teil der Fernauslösevorrichtung gemäß der Erfindung in einem Bereitschaftszustand; und
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5 die Sicherheitsvorrichtung sowie einen Teil der Fernauslösevorrichtung gemäß der Erfindung in einem ausgelösten Zustand.
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In der Darstellung der 1 ist ein Druckgasbehälter 1 zu erkennen. Dieser soll insbesondere als Hochdruckwasserstofftank ausgebildet sein. Er weist auf einer seiner Stirnseiten ein Ventil 2 auf, welches in einem Bereich eine angedeutete Ventileinrichtung 3 zum Befüllen des Druckgasbehälters 1 und zum Entnehmen des in ihm gespeicherten Wasserstoffs aufweist. Das Ventil 2 weist außerdem eine Sicherheitsvorrichtung 4 auf, welche an sich bekannt ist, und welche bei einer thermischen Überlastung im Bereich des Ventils 2 eine Öffnung zum Abströmen des in dem Druckgasbehälter 1 gespeicherten Gases freigibt.
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In der Darstellung der 4 ist diese Sicherheitsvorrichtung 4 zu erkennen. Sie umfasst eine Auslöseeinheit 5, welche einen Berstkörper 6 sowie ein Verschlusselement 7 aufweist. Das Verschlusselement 7 verschließt dabei eine Leitung 8, welche mit dem Inneren des Druckgasbehälters 1 in Verbindung steht. Das Verschlusselement 7 wird durch den Berstkörper 6 in Position gehalten und dichtet die Leitung 8 im Betriebszustand ab. Kommt es nun zu einer hohen thermischen Belastung im Bereich der Sicherheitsvorrichtung 4, so wird der Berstkörper 6, welcher typischerweise als Glasampulle mit einer Flüssigkeit mit großer thermischer Ausdehnung gefüllt ausgebildet ist, zerbersten, da die Flüssigkeit im Inneren des Berstkörpers 6 einen so hohen Druck aufbaut, dass der Berstkörper 6 diesem nicht mehr standhalten kann. Wenn der Berstkörper 6 zerplatzt, drückt der im Druckgasbehälter 1 vorliegende Innendruck über die Leitung 8 das Verschlusselement 7 aus seiner Position. Über Öffnungen 9 im Bereich der Sicherheitsvorrichtung 4 kann sich der in dem Druckgasbehälter 1 befindliche Überdruck abbauen, um so beispielsweise eine Explosion des Druckgasbehälters 1 zu verhindern.
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Dieser Aufbau ist dabei, soweit er bisher beschrieben ist, aus dem Stand der Technik bekannt.
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Problematisch wird es nun, wenn der Druckgasbehälter 1 nicht im Bereich des Ventils 2 mit der erhöhten thermischen Belastung beaufschlagt wird, sondern in einem anderen Bereich, beispielsweise in dem von dem Ventil 2 abgewandten Bereich. Diese thermische Belastung ist in der Darstellung der 1 durch die mit 10 bezeichneten Pfeile angedeutet. Diese können beispielsweise beim bevorzugten Einsatz des Druckgasbehälters 1 als Wasserstofftank in einem Fahrzeug einen punktuellen Brand, beispielsweise den Brand eines Rades, darstellen. Der Druckgasbehälter 1 würde sich dann sehr stark erwärmen, bevor die Sicherheitsvorrichtung 4 soweit erwärmt wird, dass der Berstkörper 6 zerplatzt und das Verschlusselement 7 die Leitung 8 freigibt. Diesem kann nun entgegengewirkt werden, indem zumindest auf der dem Ventil 2 abgewandten Seite des Druckgasbehälters 1 wenigstens ein Berstkörper 11 angeordnet wird, welcher über einen Seilzug 12 mit dem Bereich der Sicherheitsvorrichtung 4 in Verbindung steht. Der Seilzug 12, welcher durch den wenigstens einen Berstkörper 11 in Position gehalten wird, bildet somit zusammen mit dem Berstkörper 11 eine Fernauslösevorrichtung 13 für die Sicherheitsvorrichtung 4, wie es nachfolgend beschreiben wird.
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Über den wenigstens einen Berstkörper 11, so wie er in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, wird eine Schlaufe 14 in Position gehalten, welche mit einem Seil 15 des Seilzugs 12, welcher vorzugsweise als Bowdenzug 12 ausgebildet ist, in Verbindung steht. Der Bowdenzug 12 beziehungsweise das Seil 15 ist an seinem anderen Ende, wie es in der Darstellung der 4 zu erkennen ist, gegen ein Federmittel 16 vorgespannt, sodass eine Zugkraft in Richtung des mit F bezeichneten Pfeils ausgeübt wird. Diese Zugkraft wird über das Seil 15 des Bowdenzugs 12 und die an dem Berstkörper 11 abgestützte Schlaufe 14 durch den Berstkörper 11 gehalten.
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Eine alternative Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Anstelle der Schlaufe 14 ist hier ein T-förmiges Endstück 17 am Seil 15 des Bowdenzugs 12 befestigt. Es stützt sich über zwei Berstkörper 11 ab. Ansonsten weist dieser Aufbau dieselbe Funktionalität wie der in 2 dargestellte Aufbau auf.
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Über das Federmittel 16 wird das Seil 15 des Bowdenzugs 12 also unter einer entsprechenden Vorspannung gehalten. Kommt es, wie oben erwähnt, zu einer thermischen Überlastung im Bereich der Berstkörper 11, wie durch die mit 10 bezeichneten Pfeile angedeutet, so werden die Berstkörper 11, welche vorzugsweise genau so wie der Berstkörper 6 aufgebaut sind, bei einer kritischen Temperatur zerspringen. Sie geben dann gegen die Vorspannung der Feder 16 eine gewisse Seillänge des Seils 15 des Bowdenzugs 12 frei. Die Feder 16 drückt dann einen um eine Achse 18 beweglich gelagerten Auslösehebel 19 im Bereich unterhalb der Drehachse 18 in der Darstellung der 4 nach rechts. Ein Nadelbolzen 20, welcher über ein Federelement 21 vorgespannt ist und bisher durch den Auslösehebel 19 in Position gehalten worden ist, kommt so frei und dringt durch die Öffnung 9 in die Sicherheitsvorrichtung 4 ein und zerstört dort den Berstkörper 6. Dieser gibt das Verschlusselement 7 frei und durch die Leitung 8 kann das unter Druck gespeicherte Gas ausströmen. Dies ist in der Darstellung der 5 im durch die Fernauslösevorrichtung 13 ausgelösten Zustand dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19911530 A1 [0003]
- DE 102006009537 B3 [0005]
- DE 2813219 A1 [0007]
