DE102012023065A1 - Druckbehälter und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter (10) mit einem einen Innenraum (26) von einer Umgebung (28) abtrennenden Gehäuse (12) aus zumindest einer inneren Lage (14, 16) und einer äußeren Lage (18), wobei die äußere Lage (18) die innere Lage (14, 16) wenigstens bereichsweise umschließt und aus einem faserverstärkten Kunststoff ist und wobei die innere Lage (14, 16) eine Innenfläche (20) aufweist, die eine Grenzfläche zum Innenraum (26) darstellt. Es ist vorgesehen, dass das Gehäuse (12) zusätzliche Wärmeleitelemente aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug (40) mit zumindest einem erfindungsgemäßen Druckbehälter (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von unter Druck stehenden Betriebsmitteln und ein Kraftfahrzeug mit diesem Druckbehälter.
  • Druckbehälter zur Speicherung von hoch komprimierten Gasen, wie Erdgas oder Wasserstoff, sind bekannt. Dabei werden im Wesentlichen vier Typen dieser Behälter unterschieden. Typ 1 Druckbehälter bestehen aus rein monolithischen Metallstrukturen. Typ 2 Druckbehälter verfügen über einen lasttragenden metallischen Druckbehälter, der zumindest bereichsweise mit Fasern armiert ist. Bei Typ 3 Druckbehältern tragen eine innere Metalllage und eine äußere faserverstärkte Kunststofflage zusammen die Last. Die innere Metalllage fungiert als Permeationssperre. Bei Behältern der Kategorie 4 ist die innere Lage aus einem Kunststoff, der vernachlässigbare Strukturlasten trägt und ebenfalls auch als Permeationssperre dient. Eine äußere faserverstärkte Kunststofflage trägt die Last. Druckbehälter des Typs 4 weisen dabei das größte Leichtbaupotential auf.
  • Die Behälter der Typen 3 und 4 weisen aufgrund der Materialeigenschaften des verwendeten Kunststoffs allerdings nachteilig eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den anderen Typen auf. Bei einem Befüllungsvorgang werden die zu speichernden Betriebsmittel stark komprimiert, was eine hohe Wärmeentwicklung verursacht. Die in den Behältern zu speichernden Betriebsmittel müssen daher zum Teil vor dem Befüllen der Behälter aufwendig gekühlt werden, um einen schnellen Befüllungsvorgang zu realisieren, ohne dabei eine kritische Temperatur zu erreichen.
  • DE 601 30 787 T2 zeigt für dieses Problem einen Tank des Typs 4 aus Vollverbundmaterial, der eine innere Auskleidung aus Kunststoff aufweist. Diese ist dazu bestimmt, mit dem Gas in Kontakt zu sein. Die innere Auskleidung ist von einer Faserwicklung umschlossen, die in eine Harzmatrix getaucht ist, wobei zumindest das Kunststoffmaterial der inneren Auskleidung thermisch leitende Füllstoffe enthält.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Druckbehälter des Typs 3 oder 4 hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit zu verbessern und ein Kraftfahrzeug mit diesem Druckbehälter bereitzustellen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Druckbehälter nach Anspruch 1 und einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 13. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Druckbehälter mit einem einen Innenraum von einer Umgebung abtrennenden Gehäuse aus zumindest einer inneren Lage und einer äußeren Lage beschrieben. Die äußere Lage umschließt die innere Lage wenigstens bereichsweise und ist aus einem faserverstärkten Kunststoff. Die innere Lage weist eine Innenfläche auf, die eine Grenzfläche zum Innenraum darstellt. Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Druckbehälters weist zusätzliche Wärmeleitelemente auf.
  • Vorteilhaft ist mit der vorliegenden Erfindung ein Druckbehälter bereitgestellt, der als Typ 3 oder Typ 4 Druckbehälter ausgelegt werden kann und der gegenüber herkömmlichen Typ 3 und Typ 4 Druckbehältern eine bessere Wärmeabfuhr bietet. Die Notwendigkeit eines Vorkühlens bestimmter Betriebsmittel, mit denen der Druckbehälter befüllt werden soll, kann damit bei gleicher Dauer des Befüllungsvorgangs entfallen oder zumindest verringert werden beziehungsweise kann die Dauer des Befüllungsvorgangs bei gegebener Temperatur der einzufüllenden Betriebsmittel verringert werden. Damit kann vorteilhaft Energie, die zum Vorkühlen notwendig ist, und/oder Zeit beim Befüllen eingespart werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckbehälters ist vorgesehen, dass zumindest die äußere Lage Füllstoffpartikel als Wärmeleitelemente aufweist.
  • Mit Füllstoffen kann die Wärmeleitfähigkeit von Kunststofflagen verbessert werden. Erfindungsgemäß können in jeder Lage aus Kunststoff Füllstoffe angeordnet sein. Die Kunststofflagen weisen damit eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit auf. Eine Füllstoffe enthaltende Lage kann gleichzeitig auch als permeationsdichte Schicht fungieren.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckbehälters sind die Füllstoffpartikel aus Kohlenstoff, insbesondere aus Kohlenstoffnanoröhrchen.
  • Kohlenstoff und insbesondere Kohlenstoffnanoröhrchen weisen eine wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit als Kunststoff auf und lassen sich gut in den Herstellungsprozess einer Kunststofflage mit einbinden. Kohlenstoffpartikel zeichnen sich zudem durch ein verhältnismäßig geringes Gewicht aus.
  • Die Füllstoffpartikel sind in besonderer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Druckbehälters zudem aus Metall, insbesondere Aluminium und/oder Kupfer, und/oder aus Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid und/oder Bohrnitrid.
  • Metalle und Keramik weisen sehr gute Wärmeleiteigenschaften auf. Durch Füllstoffe aus Metall und/oder Keramik lässt sich die Wärmeleitfähigkeit von Kunststofflagen erheblich verbessern. Keramik kann zudem Vorteile hinsichtlich des Korrosionsschutzes oder des Brandschutzes gegenüber anderen Füllstoffen aufweisen. Zudem weisen keramische Partikel auch hinsichtlich des Gewichts einen Vorteil auf.
  • Die Füllstoffpartikel sind dabei insbesondere Pulverpartikel und/oder Plättchen.
  • Damit liegt die Partikelgröße der Füllstoffe aus Metall oder Keramik im μm-Bereich. Füllstoffe lassen sich dadurch vorteilhaft einfach in einen Herstellungsprozess einer Kunststofflage integrieren, beispielsweise in einen Spritzgussprozess. Bei der Herstellung einer faserverstärkten Kunststofflage kann es dem Harz beigemengt werden, welches zur Matrix des Werkstoffs aushärtet. Mit den Füllstoffen in Pulverform kann leichter eine homogenere Verteilung erreicht werden, wodurch auch die Wärmeleiteigenschaften der Lage homogener verteilt sind. Plättchen bieten daneben die Möglichkeit, die Wärmeleitfähigkeit gerichtet auszuprägen.
  • Erfindungsgemäß können die verschiedenen genannten Arten von Füllstoffpartikeln auch nebeneinander im beanspruchten Druckbehälter vorhanden sein und sich in ihren Eigenschaften und Vorteilen ergänzen.
  • Die Füllstoffpartikel weisen in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckbehälters einen Volumenanteil von bis zu 50% auf.
  • In diesem Bereich liegen die optimalen Werte, um eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, ohne übrige Eigenschaften des Werkstoffs zu stark zu beeinflussen.
  • Erfindungsgemäß kann die Innenfläche des Gehäuses des Druckbehälters metallisch sein und damit als Wärmeleitelement ausgebildet sein.
  • Damit weist die mit den eingefüllten Stoffen direkt in Kontakt stehende Fläche eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf. Wärme kann somit schnell abgeleitet werden. Auch eine Kombination mit Füllstoffen als Wärmeleitelemente ist möglich.
  • Zur Ausgestaltung der Innenfläche als metallisches Wärmeleitelement sind erfindungsgemäß zwei Varianten vorgesehen. In der ersten ist die innere Lage eine Metalllage und die Innenfläche ist von der inneren Metalllage selbst gebildet.
  • Diese Variante lässt sich relativ leicht und kostengünstig realisieren, da kein zusätzlicher Fertigungsschritt notwendig ist.
  • Alternativ zur inneren Metalllage kann die innere Lage erfindungsgemäß auch eine Kunststofflage sein. Die Innenfläche ist dabei eine metallische Beschichtung auf der inneren Kunststofflage. Die Beschichtung weist insbesondere eine Dicke von 1 μm bis 500 μm auf.
  • Damit ist vorteilhaft auch bei Kunststofflagen die Wärmeleitfähigkeit der Grenzfläche zum Innenraum verbessert. Die dünne Schicht macht lediglich einen sehr geringen Anteil am Bauteilgewicht aus. Ein geringes Baugewicht kann so mit guten Wärmeleiteigenschaften kombiniert werden. Zudem kann die Permeationsdichtheit einer Kunststofflage mit der Metallbeschichtung erhöht werden.
  • Der erfindungsgemäße Druckbehälter ist in allen Ausgestaltungen bevorzugt in einem Kraftfahrzeug integriert.
  • Die Vorteile des Druckbehälters kommen somit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug zugute. Das Kraftfahrzeug lässt sich schneller und sicherer betanken im Vergleich zu herkömmlichen Typ 3 oder Typ 4 Behältern. Zudem weist es gegenüber Kraftfahrzeugen mit Typ 1 oder Typ 2 Druckbehältern ein geringeres Gewicht auf, was Energie spart und der Agilität des Kraftfahrzeugs zuträglich ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen erfindungsgemäßen Druckbehälter in einer Gesamtansicht,
  • 2 ein Gehäusequerschnitt eines erfindungsgemäßen Druckbehälters des Typs 3,
  • 3 bis 8 Gehäusequerschnitte erfindungsgemäßer Druckbehälter des Typs 4 in unterschiedlichen Ausführungen und
  • 9 ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
  • Die 1 zeigt beispielhaft einen erfindungsgemäßen Druckbehälter 10. Der Druckbehälter 10 umfasst ein Gehäuse 12 mit zumindest einer Befüll- beziehungsweise Entnahmevorrichtung, insbesondere mit einem Ventil 30. Das Gehäuse 12 trennt in einem Betriebszustand einen Innenraum 26 gasdicht von einer Umgebung 28 ab.
  • Die 2 skizziert beispielhaft einen Querschnitt des Gehäuses 12. In der in 2 gezeigten Ausgestaltung weist das Gehäuse 12 eine innere Metalllage 14 und eine äußere Lage 18 aus einem faserverstärkten Kunststoff auf. Der in 2 gezeigte Druckbehälter 10 ist nach üblicher Einteilung dem Typ 3 zuzuordnen.
  • Das Gehäuse 12 weist zumindest zwei Lagen auf, eine äußere Lage 18 und eine innere Metalllage 14. Die äußere Lage 18 ist eine Lage aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere aus Kohlefaser-verstärktem Kunststoff. Die äußere Lage 18 weist im Ausführungsbeispiel der 2 Füllstoffpartikel 22 zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der äußeren Lage 18 auf.
  • Die Füllstoffpartikel 22 sind in allen Ausführungsbeispielen entsprechend den 2 bis 8 aus Metall und/oder aus Keramik und/oder aus Kohlenstoff. Als Metalle werden dabei insbesondere Aluminium und/oder Kupfer eingesetzt. Als keramische Werkstoffe sind Aluminiumoxid und Bohrnitrid erfindungsgemäß bevorzugt.
  • Die metallischen und keramischen Füllstoffpartikel 22 sind dabei bevorzugt in Pulverform und/oder Plättchenform vorhanden mit einer Partikelgröße im Bereich von 1 μm bis 500 μm, insbesondere in einem Bereich von 1 μm bis 150 μm. Die Kohlenstoffpartikel weisen bevorzugt Größen in einem Bereich von 2 nm bis 500 μm auf, insbesondere in einem Bereich von 2 nm bis 9 μm. Bevorzugt sind die Kohlenstoffpartikel als Nanoröhrchen ausgeführt. Die Füllstoffpartikel 22 weisen einen Volumenanteil von bis zu 50% auf.
  • Die innere Lage, im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 die innere Metalllage 14, weist an ihrer zum Innenraum 26 gerichteten Seite eine Innenfläche 20 auf. Die Innenfläche 20 stellt die Grenzfläche zwischen dem Gehäuse 12 und dem Innenraum 26 dar. Im befüllten Druckbehälter 10 tritt die Innenfläche 20 also in direkten Kontakt mit den eingefüllten Stoffen. Die Innenfläche 20 kann erfindungsgemäß metallisch sein. Im in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Innenfläche 20 durch die innere Metalllage 14 selbst gebildet.
  • Die 3 bis 8 zeigen jeweils beispielhaft einen erfindungsgemäßen Druckbehälter 10. Gezeigt ist jeweils auch hier skizzenhaft ein Querschnitt seines Gehäuses 12. Das Gehäuse 12 trennt auch hier den Innenraum 26 von der Umgebung. Die in den 3 bis 8 gezeigten Ausgestaltungen des Druckbehälters 10 weisen einheitlich ein Gehäuse 12 aus einer inneren Kunststofflage 16 und einer äußeren Lage 18 aus einem faserverstärkten Kunststoff auf. Die in den 3 bis 8 gezeigten Druckbehälter 10 sind gemäß der gängigen Kategorisierung dem Typ 4 zuzuordnen.
  • Bei dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die äußere Lage 18 Füllstoffpartikel 22 auf. Die innere Kunststofflage 16 ist dabei nicht mit zusätzlichen Füllstoffpartikeln 22 ausgestattet. Die Innenfläche 20 ist aus Kunststoff.
  • Zusätzlich zu der in der 3 gezeigten Variante umfasst die in der 4 gezeigte Ausführung eine metallische Beschichtung 24 der inneren Kunststofflage 16. Damit ist die Innenfläche 20 metallisch und damit besser Wärme leitend ausgeführt.
  • Bei dem in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die innere Kunststofflage 16 Füllstoffpartikel 22 auf. Die äußere Lage 18 ist dabei nicht mit zusätzlichen Füllstoffpartikeln 22 ausgestattet. Die Innenfläche 20 ist aus Kunststoff.
  • Zusätzlich zu der in der 5 gezeigten Variante umfasst die in der 6 gezeigte Ausführung eine metallische Beschichtung 24 der inneren Kunststofflage 16. Damit ist die Innenfläche 20 metallisch ausgeführt.
  • Bei dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die äußere Lage 18 und die innere Kunststofflage 16 Füllstoffpartikel 22 auf. Die Innenfläche 20 ist aus Kunststoff.
  • Zusätzlich zu der in der 7 gezeigten Variante umfasst die in der 8 gezeigte Ausführung eine metallische Beschichtung 24 der inneren Kunststofflage 16. Damit ist die Innenfläche 20 metallisch ausgeführt. Die Füllung beider Lagen 16, 18 in Kombination mit der Beschichtung 24 bietet den größten erfindungsgemäßen Vorteil.
  • Die 9 zeigt beispielhaft ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug 40 in einer Draufsicht mit einem Schnitt in der Kraftfahrzeughöhe, um die Anordnung der Druckbehälter 10 sichtbar zu machen. Das Kraftfahrzeug 40 umfasst zumindest einen Druckbehälter 10. In der 9 sind zwei Druckbehälter 10 dargestellt. Die Druckbehälter 10 sind dabei insbesondere unterflur im Heckbereich des Kraftfahrzeugs 40 untergebracht.
  • Die Druckbehälter 10 sind zur Speicherung von Betriebsmitteln vorgesehen, die einen Betrieb einer Maschine des Kraftfahrzeugs 40 ermöglichen. Die Maschine kann dabei eine Brennkraftmaschine und/oder eine Brennstoffzelle sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Druckbehälter
    12
    Gehäuse
    14
    innere Metalllage
    16
    innere Kunststofflage
    18
    äußere Kunststofflage
    20
    Innenfläche
    22
    Füllstoffpartikel
    24
    Beschichtung
    26
    Innenraum
    28
    Umgebung
    30
    Ventil
    40
    Kraftfahrzeug
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 60130787 T2 [0004]

Claims (13)

  1. Druckbehälter (10) mit einem einen Innenraum (26) von einer Umgebung (28) abtrennenden Gehäuse (12) aus zumindest einer inneren Lage (14, 16) und einer äußeren Lage (18), wobei die äußere Lage (18) die innere Lage (14, 16) wenigstens bereichsweise umschließt und aus einem faserverstärkten Kunststoff ist und wobei die innere Lage (14, 16) eine Innenfläche (20) aufweist, die eine Grenzfläche zum Innenraum (26) darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) zusätzliche Wärmeleitelemente aufweist.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die äußere Lage (18) Füllstoffpartikel (22) als Wärmeleitelemente aufweist.
  3. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel (22) aus Kohlenstoff sind.
  4. Druckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel (22) Nanoröhrchen sind.
  5. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel (22) aus Metall sind.
  6. Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel (22) aus Keramik sind.
  7. Druckbehälter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel (22) Pulverpartikel und/oder Plättchen sind.
  8. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstoffpartikel (22) einen Volumenanteil von bis zu 50% aufweisen.
  9. Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (20) als Wärmeleitelement ausgebildet und metallisch ist.
  10. Druckbehälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Metalllage (14) die innere Lage ist und die Innenfläche (20) von der inneren Metalllage (14) selbst gebildet ist.
  11. Druckbehälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine innere Kunststofflage (14) die innere Lage ist und die Innenfläche (20) eine metallische Beschichtung (24) auf der inneren Kunststofflage (16) ist.
  12. Druckbehälter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (24) eine Dicke von 1 μm bis 500 μm aufweist.
  13. Kraftfahrzeug (40) mit zumindest einem Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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