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GEBIET
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Diese Anmeldung betrifft das Abdichten von Hochdrucksystemen und insbesondere verbesserte O-Ring/Stützring-Abdichtsysteme für Hochdruck-Wasserstoffspeichersysteme.
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HINTERGRUND
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Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie durch Verarbeitung eines ersten und zweiten Reaktanden. Typischerweise erfolgt dies durch Oxidation von Wasserstoff und Reduktion von Sauerstoff. Da eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, wenn sie in einen ”Stapel” konfiguriert sind, eine geeignete Spannung zum Antrieb eines Fahrzeugs bereitstellen kann, besteht ein fortwährender Bedarf nach verbesserten Wegen, Reaktanden an Kraftfahrzeug-Brennstoffzellen zu liefern.
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Hochdruck-Wasserstoffspeichersysteme stellen einen Weg dar, um diesen Bedarf zu erfüllen. Bei derartigen Systemen wird Wasserstoffgas auf 35 MPa (350 bar/5.000 psi) oder 70 MPa (700 bar/10.000 psi) komprimiert und in Stahltanks oder Tanks aus leichtem Verbundstoff gespeichert. Während eine Vielzahl von Speichersystemen für Gase bekannt ist (beispielsweise medizinische Gase, industrielle Gase, Erdgas und Unterwassertanks) besitzen Hochdruck-Wasserstoffspeichersysteme für Kraftfahrzeuganwendungen Herausforderungen. Beispielsweise müssen derartige Systeme Komponenten-Regler, Sensoren, Kopplungen, Ventile, Kraftstoffleitungen, Tanks, Verbinder und Abdichtsysteme dafür – aufweisen, die unter korrosiven Bedingungen unter hohem Druck, niedrigen Temperaturen, hohen Temperaturen (Speicherung erfolgt typischerweise unter der Fahrzeugkarosserie) und über eine lange Lebensdauer arbeiten. Zusätzlich müssen Komponenten einer Kraftfahrzeuganwendung in einen relativ begrenzten Raum passen, so dass Zwischenräume zwischen Komponenten eng sind und ein Austausch schwierig ist. Überdies müssen, da derartige Systeme sich in Fahrzeugen befinden, die Komponenten zuverlässig gegenüber Leckage von gasförmigen Kraftstoffen unter hohem Druck beständig sein.
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Ein Weg, um ein Regulieren einer Leckage von Hochdruckgasen zu unterstützen, besteht in der Verwendung von O-Ringen. Ein O-Ring ist typischerweise ein elastomeres Material, das in eine Nut, die in einem ersten Verbinderkörper (wie einer Zylinderoberfläche) geformt ist, eingesetzt und zwischen dem ersten Verbinderkörper und einer Oberfläche eines zweiten Verbinderkörpers (wie einer Innenoberfläche eines Gehäuses) komprimiert ist. Die Kompression und der wirkende Druck verformen den O-Ring und erzeugen eine Dichtung zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper. Jedoch können Druckkräfte, die auf den O-Ring wirken, sein Herausdrücken in Spalte bewirken, die zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper vorhanden sind. Derartige Spalte werden hauptsächlich durch Herstelltoleranzen und Konstruktionsanforderungen erzeugt, und der Grad an Herausdrücken ist eine Funktion der Härte des O-Rings, des Zwischenraums zusammenpassender Teile, des Fluidgasdrucks und der Temperatur.
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Da ein Herausdrücken des O-Rings eine übliche Ursache eines Dichtungsausfalls in druckbeaufschlagten Systemen ist, wird typischerweise auch ein Stützring, der aus einem relativ steifen Material besteht, in die Nut des ersten Verbinderkörpers eingesetzt. Der Stützring ist typischerweise an einem Abschnitt der Nut installiert, der der Druckquelle entgegengesetzt ist, und der O-Ring ist benachbart dazu am Nächsten zu der Druckquelle installiert. Bei einer derartigen Konfiguration wirkt der Druck auf den O-Ring, der eine Kraft auf den Stützring ausübt und eine Ausdehnung desselben über den Rand der Nut hinaus und in Kontakt mit dem zweiten Verbinderkörper bewirkt, wodurch Spalte zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper überbrückt und ein Herausdrücken des O-Rings in derartige Spalte verhindert werden. Bei den meisten Anwendungen können herkömmliche Stützringe relativ große Herstelltoleranzen zwischen den zusammenpassenden Oberflächen des ersten und zweiten Verbinderkörpers zulassen, da derartige Ringe den Spalt zwischen den zusammenpassenden Teilen überbrücken.
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Herkömmliche Stützringe sind in festen (nicht geschnittenen), einwendigen (schräger Schnitt) und mehrwendigen (Spiralschnitt) Konfigurationen verfügbar und Beispiele, wo derartige Stützringe typischerweise verwendet werden, umfassen Verbindungen von Anschlussstück zu Anschlussstück, Verbindungen von Anschlussstück zu Gehäuse, Verbindungen von Rohr zu Anschlussstück sowie Ventilanwendungen (wie Wechselventile, Kolbendichtungen, Ventilsitze und Ventilgehäuse).
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Hochdruck-Wasserstoffspeichersysteme für Kraftfahrzeuganwendungen und insbesondere Systeme für 70 MPa stellen eine relativ neue Technologie dar, bei der die Entdeckung einer Vielzahl spezieller Probleme und Herausforderungen während der Entwicklung andauert. Unter diesen ist die Entdeckung, dass herkömmliche O-Ring-Stützringsysteme, die breit in Anwendungen mit geringerem Druck und industriellen Hochdruckanwendungen verwendet sind, gegenüber einem Ausfall bei Kraftfahrzeuganwendungen unter 70 MPa anfällig sind. Ein derartiger Ausfall kann aufgrund eines Herausdrückens des O-Rings in Spalte entstehen, die zwischen einem herkömmlichen Stützring und dem Innenumfang einer Nut eines Verbinderkörpers vorhanden sind (d. h. ein Spalt in der Nut selbst anstatt zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper). Dieser Spalt ist unter anderem durch die Herstelltoleranzen des Verbinderkörperdurchmessers, des Innennutdurchmessers und der Stützringbreite bestimmt. Ein Herausdrücken des O-Rings dieses Typs stellt kein Problem dar, das bei industriellen Hochdruckanwendungen auftritt, bei denen das Verhältnis von Dichtungsfläche und Spaltgröße im Vergleich zu dem von Kraftfahrzeuganwendungen vergleichsweise groß ist. Ein Herausdrücken des O-Rings dieses Typs stellt auch kein Problem dar, das in Anwendungen mit geringerem Druck auftritt, bei denen breitere Herstelltoleranzen akzeptabel sind.
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Angesichts des vorher Erwähnten besteht ein Bedarf nach neuen Wegen zum Abdichten zwischen zwei Verbinderkörpern, einschließlich denen von Hochdruck-Kraftfahrzeugsystemen. Insbesondere existiert ein demonstrierter Bedarf nach O-Ring-Stützring-Abdichtsystemen, die Nachteile des Standes der Technik lösen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Anmeldung offenbart O-Ring/Stützring-Abdichtsysteme, die zur Verwendung in Hochdruckanwendungen geeignet sind, die Hochdruck-Kraftfahrzeuganwendungen aufweisen. Unter den verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Offenbarung enthalten sind, sind ein Stützring zur Verwendung mit einem O-Ring, um eine Dichtung zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper zu bilden; ein Hochdruck-Gasspeichersystem, das ein derartiges bereitgestelltes O-Ring/Stützring-Abdichtsystem umfasst; und ein Verfahren zum Abdichten einer Verbindung in einem Hochdruck-Wasserstoffspeichersystem, das ein derartiges bereitgestelltes O-Ring/Stützring-Abdichtsystem verwendet, vorgesehen.
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Der hier offenbarte Stützring umfasst einen Basisabschnitt und einen Flanschabschnitt, wobei der Flanschabschnitt derart konfiguriert ist, mit dem O-Ring in Eingriff zu treten. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stützringen ist der bereitgestellte Stützring derart konfiguriert, ein Herausdrücken des O-Rings in Spalte zu verhindern, die zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper vorhanden sein können, wie auch ein Herausdrücken des O-Rings in Spalte zu verhindern, die zwischen dem Stützring und der Nut, in der der Stützring und der O-Ring angeordnet sind, vorhanden sein können. Da der bereitgestellte Stützring so ausgelegt ist, zwei Typen eines Herausdrückens des O-Rings zu verhindern, ist er zum Verhindern oder zumindest Reduzieren der Typen einer O-Ringabnutzung, die bei Kraftfahrzeug-Wasserstoffspeichersystemen bei 70 MPa auftritt, geeignet. Demgemäß sind auch verbesserte Wasserstoffspeichersysteme und Fahrzeuge, die derartige verbesserte Systeme umfassen, vorgesehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine vollständigere Erläuterung der vorliegenden Offenbarung und der vielen Ausführungsformen derselben werden leicht offensichtlich, da sie durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich werden, in welchen:
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1 ein Beispiel eines bereitgestellten Stützringes zeigt, wobei A eine Draufsicht eines Stützringes ist, der derart konfiguriert ist, dass er benachbart zu einem O-Ring angeordnet ist und mit diesem in Eingriff steht; und B eine Schnittansicht eines derartigen Stützringes entlang der Linie B-B zeigt, wobei der Basisabschnitt und die Flanschabschnitte leichter betrachtet werden können;
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2 ein Beispiel eines bereitgestellten O-Ring/Verdichtungsring-Abdichtsystems zum Abdichten zwischen zwei Verbinderkörpern zeigt, während zwei Typen eines Herausdrückens des O-Rings gesteuert werden; und
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3 ein anderes Beispiel eines bereitgestellten Stützringes zeigt, wobei A und B perspektivische Ansichten davon zeigen, C eine Schnittansicht eines derartigen Stützringes entlang der Linie C-C zeigt und D bestimmte getrennte Komponenten eines derartigen Stützringes zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es werden nun spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Die Erfindung kann jedoch in verschiedenen Formen ausgeführt werden und sei nicht als beschränkend für die hier dargestellten Ausführungsformen auszulegen. Vielmehr sind diese Ausführungsformen so vorgesehen, dass diese Offenbarung vollständig und komplett ist und den Schutzumfang der Erfindung dem Fachmann vollständig vermittelt.
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Bei verschiedenen Ausführungsformen sieht die vorliegende Offenbarung einen Stützring zur Verwendung mit einem O-Ring, um eine Dichtung zwischen dem ersten und dem zweiten Verbinderkörper zu bilden, ein Hochdruckgasspeichersystem, das einen derartigen bereitgestellten Stützring umfasst, sowie ein Verfahren zum Abdichten einer Verbindung in einem Hochdruck-Wasserstoffspeichersystem, das einen derartigen bereitgestellten Stützring verwendet, vor.
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Stützring
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Bei einigen der hier offenbarten verschiedenen Ausführungsformen ist ein Stützring zur Verwendung mit einem O-Ring vorgesehen, um eine Dichtung zwischen einem ersten und einem zweiten Verbinderkörper zu bilden, wobei der bereitgestellte Stützring einen Basisabschnitt und einen Flanschabschnitt umfasst. Der Basisabschnitt umfasst (i) eine naheliegende bzw. proximale Fläche, die zum Eingriff mit einem O-Ring konfiguriert ist; (ii) eine gegenüberliegende distale Fläche; und (iii) eine Innenfläche (oder Innenumfang), der (der) zum Eingriff mit einer Innenoberfläche (oder einem Innenumfang) einer Nut eines Verbinderkörpers konfiguriert ist. Der Flanschabschnitt ist an den inneren und proximalen Flächen des Basisabschnitts angeordnet, und der Flansch ist zum Eingriff mit einem O-Ring konfiguriert. Zur besseren Veranschaulichung der Ausführungsformen des bereitgestellten Stützringes wird Bezug auf 1 genommen. Wie gezeigt ist, umfasst der gezeigte Stützring 100 einen Basisabschnitt 101 mit einer proximalen Fläche 102, einer gegenüberliegenden distalen Fläche 103 und einer Innenfläche 104. Die proximale Fläche 102 ist zum Eingriff mit einem O-Ring (nicht gezeigt) konfiguriert, die distale Fläche 103 ist zum Eingriff mit einer Seite einer Nut (nicht gezeigt) in einem ersten Verbinderkörper konfiguriert, und die Innenfläche 104 ist zum Eingriff mit einem Umfang (oder Innenoberfläche) einer derartigen Nut (nicht gezeigt) konfiguriert. Um ein Herausdrücken eines O-Ringes in einen Spalt zu verhindern, der zwischen der Innenfläche 104 und dem Umfang einer derartigen Nut vorhanden sein kann, umfasst der Stützring 100 ferner einen Flanschabschnitt 105, der an den inneren 104 und proximalen Flächen 102 des Basisabschnitts 101 angeordnet ist. Wie gezeigt ist, ist der Stützring 100 diskontinuierlich mit einem Schnitt 106 durch den Basis-(101)- und Flansch-(105)-Abschnitt.
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Während der Basisabschnitt 101 und der Flanschabschnitt 105 einen einheitlichen Aufbau haben können, können sie praktisch auch separate Komponenten sein, die miteinander verbunden sind. Ein derartiges Verbinden kann durch mechanische, chemische oder andere Mittel erfolgen. Beispielsweise kann der Flanschabschnitt 105 mit dem Basisabschnitt 101 durch Verwendung von Klebstoffen, Wärme oder einer Kombination daraus verbunden sein. Bei bestimmten Ausführungsformen sind der Basisabschnitt 101 und der Flanschabschnitt 105 aus verschiedenen Materialien aufgebaut, wobei die Auswahl des Materials von der jeweiligen Anwendung abhängt. Bei derartigen Ausführungsformen ist der Basisabschnitt 101 typischerweise aus einem relativ steifen Material aufgebaut, während der Flanschabschnitt 105 aus einem relativ flexiblen Material aufgebaut ist. Der Flanschabschnitt 105 sollte flexibel genug sein, um zwischen dem Stützring 100 sowie der inneren Nutoberfläche unter den Betriebsbedingungen der Dichtung abzudichten. Daher muss neben anderen Betrachtungen das gewählte Material zur Verwendung in dem Betriebstemperaturbereich des Systems geeignet sein. Als nicht beschränkende Beispiele sei angemerkt, dass der Basisabschnitt 101 aus Materialien aufgebaut sein kann, die aus Polyetheretherketon (PEEK); Polytetrafluorethylen (PTFE); Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW-PE); und anderen relativ steifen Materialien gewählt sein können, während der Flanschabschnitt 105 aus Materialien konstruiert sein kann, die aus Acrylnitril-Butadien (NBR); Fluorkohlenstoff (FKM); thermoplastischem Polyurethan; sowie Gummi/Kautschuk gewählt sind, wie Ethylen-Propylen-Dienmonomerkautschuk (EPDM), Chloroprenkautschuk (CR), Butylkautschuk (IIR) sowie Silikonkautschuk. Der Fachmann erkennt jedoch, dass andere Baumaterialien ebenfalls denkbar sind. Bei einigen Ausführungsformen kann der Flanschabschnitt 105 aus demselben Material wie ein O-Ring aufgebaut sein, der zur Verwendung mit dem bereitgestellten Stützring gewählt ist. Bei einigen Ausführungsformen kann der Flanschabschnitt 105 aus einem Material aufgebaut sein, das härter als der gewählte O-Ring ist.
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Abgesehen von den spezifischen Baumaterialien, die gewählt sind, sind die bereitgestellten Stützringe derart konfiguriert, mit einem O-Ring in Eingriff zu treten und gemeinsam eine Dichtung zwischen einem ersten und einem zweiten Verbinderkörper zu bilden. Typischerweise umfasst der erste Verbinderkörper eine Nut, in die der O-Ring und der Stützring zumindest teilweise eingesetzt sind. Insbesondere sind der O-Ring und der Stützring in einer Nut angeordnet, die in dem Außenumfang des ersten Verbinderkörpers geformt ist, und der zweite Verbinderkörper ist um den ersten Verbinderkörper, den O-Ring und den Stützring angeordnet, wodurch eine Dichtung gebildet wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stützringen ist jedoch der bereitgestellte Stützring derart konfiguriert (i) ein Herausdrücken des O-Ringes in einen Spalt, der zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper vorhanden sein kann; und (ii) ein Herausdrücken des O-Ringes in einen Spalt zu verhindern, der zwischen der Innenfläche (oder Innenumfang) des Stützringes und dem inneren Nutumfang (oder inneren Oberfläche) vorhanden sein kann. Da der bereitgestellte Stützring so ausgelegt ist, dass er zwei Typen eines Herausdrückens des O-Rings verhindert, ist er zum Verhindern oder zumindest Reduzieren der Typen einer O-Ringabnutzung geeignet, die in Wasserstoffspeichersystemen bei 70 MPa auftreten. Während die vorliegende Offenbarung insbesondere zur Verwendung mit derartigen Systemen in Brennstoffzellen- und Hybridfahrzeugen anwendbar ist, erkennt der Fachmann, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf derartige Systeme beschränkt ist. Beispielsweise können die bereitgestellten Stützringe auch zur Verwendung in Wasserfahrzeuganwendungen, Luftfahrtanwendungen, Raumfahrtanwendungen, Anwendungen für industrielle Hochdrucksysteme sowie Anwendungen mit stationärer Leistung geeignet sein.
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Hochdruck-Gasspeichersystem
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Bei einigen der verschiedenen Ausführungsformen ist auch ein Hochdruck-Gasspeichersystem vorgesehen, das einen bereitgestellten Stützring umfasst. Bei einigen Ausführungsformen kann ein derartiges System ein Wasserstoffspeichersystem für 35 MPa oder 70 MPa für Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeuge sein. Zur weiteren Veranschaulichung von Ausführungsformen eines derartigen Systems und des bereitgestellten Stützrings wird Bezug auf 2 genommen, die einen Querschnitt eines Abschnitts eines abgedichteten Systems zeigt. Wie gezeigt ist, umfasst das System 200 einen ersten Verbinderkörper 201 mit einem Außenumfang 202, der eine Nut 203 umfasst. Der Körper 201 kann, ist jedoch nicht erforderlich, zylindrisch sein. Die Nut 203 umfasst eine naheliegende bzw. proximale Seite 204, die zu einer Quelle einer Hochdruckströmung (nicht gezeigt) am Nächsten ist. Zusätzlich umfasst die Nut 203 eine gegenüberliegende distale Seite 205 und eine innere Oberfläche 206, die zwischen der proximalen 204 und distalen 205 Seite angeordnet ist. Das System 200 umfasst ferner einen zweiten Verbinderkörper 207 mit einer Innenfläche 208, die derart konfiguriert ist, den Außenumfang 202 des ersten Verbinderkörpers 201 eng zu umschließen. Demgemäß kann die Innenfläche 208 zylindrisch sein. Bei dem bereitgestellten System 200 können der erste 201 und zweite 207 Verbinderkörper Abschnitte eines Druckreglers, eines Überstrombegrenzers, eines Absperrventils, eines Rückschlagventils, eines Strömungsventils oder eines Rohranschlussstücks sein. Dem Fachmann sei angemerkt, dass zwischen dem ersten 201 und zweiten 207 Verbinderkörper unter anderem aufgrund von Herstelltoleranzen ein Spalt 209 vorhanden sein kann.
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In dem bereitgestellten System 200 ist ein O-Ring 210 zumindest teilweise in der Nut 203 angeordnet. Wie dem Fachmann angemerkt sei, hängen die Abmessungen des O-Ringes 210, der verwendet wird, von der jeweiligen Anwendung ab. Demgemäß können Faktoren einschließlich Umfang der inneren Nutoberfläche 206, des Außenumfangs 202 des ersten Verbinderkörpers 201 und der Größe des Spalts 209 betrachtet werden. Der Fachmann erkennt auch, dass das Baumaterial des O-Rings 210, der verwendet wird, von der jeweiligen Anwendung abhängt. Nicht beschränkende Beispiele in Betracht gezogener Materialien eines Aufbaus eines O-Rings 210 umfassen Nitrile, wie Acrylnitril-Butadien (NBR), hydrogeniertes Nitril (HNBR) und carboxyliertes Nitril (XNBR); Gummi/Kautschuk, wie Ethylen-Propylen-Dienmonomer (EPDM), Ethylenpropylenkautschuk, Chloroprenkautschuk (CR), Butylkautschuk (IIR) und Silikonkautschuk; Fluorkohlenstoff (FKM); Fluorsilikon (FVMQ); Perfluorelastomer (FFKM); Tetrafluorethylenpropylen (FEPM); Ethylenacrylat (AEM); Polyacrylat und thermoplastisches Polyurethan.
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Bei Hochdruckanwendungen ist es nicht unüblich, dass ein O-Ring in einen Spalt, der zwischen einem ersten und einem zweiten Verbinderkörper vorhanden ist, herausgedrückt wird. Um dies zu verhindern, umfasst das bereitgestellte System 200 ferner einen Stützring 211, der zumindest teilweise in der Nut 203 angeordnet ist. Die bereitgestellten Stützringe 211 sind bevorzugt diskontinuierliche Ringe, wodurch ermöglicht wird, dass sie während der Montage um den Außenumfang 202 des ersten Verbinderkörpers 201 und in der Nut 203 vorliegen können. Der bereitgestellte Stützring 211 besitzt (i) einen Basisabschnitt 212, der (a) eine distale Fläche 213, die zum Eingriff mit der distalen Seite 205 der Nut konfiguriert ist; (b) eine gegenüberliegende proximale Fläche 214, die zum Eingriff mit dem O-Ring 210 konfiguriert ist; und (c) eine Innenfläche 215 umfasst, die zum Eingriff mit der inneren Oberfläche 206 der Nut konfiguriert ist; und (ii) einen Flanschabschnitt 216, der an der inneren 215 und proximalen 214 Fläche angeordnet ist. Der Flanschabschnitt 216 umfasst eine Lippe 217, die mit dem O-Ring 210 in Eingriff steht. Bei Hochdruck-Wasserstoffspeichersystemen für Kraftfahrzeuge ist entdeckt worden, dass O-Ringe in einen Spalt 218, der zwischen der Innenfläche (oder Innenumfang) eines herkömmlichen Stützringes und der inneren Nutoberfläche (oder Innenumfang) vorhanden ist, herausgedrückt werden können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Stützringen ist der bereitgestellte Stützring 211 derart konfiguriert, mit dem O-Ring 210 in Eingriff zu treten und gemeinsam eine Dichtung zwischen dem ersten 201 und zweiten 207 Verbinderkörper zu bilden und bei Kontakt mit einem positiven Druck (i) ein Herausdrücken des O-Ringes 210 in einen Spalt 209 zwischen dem ersten 201 und zweiten 207 Verbinderkörper; und (ii) ein Herausdrücken des O-Rings 210 in einen Spalt 218 zwischen der Innenfläche 215 des Stützringes 211 und der inneren Nutoberfläche 206 zu verhindern.
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Zur weiteren Veranschaulichung von Ausführungsformen des bereitgestellten Stützringes wird Bezug auf den in 3 gezeigten beispielhaften Ring genommen. Wie gezeigt ist, besitzt der Ring 300 separate Abschnitte der Basis 301 und des Flansches 302, die miteinander verbunden sind, wie in A–C gezeigt ist. Zur weiteren Veranschaulichung bestimmter Aspekte eines derartigen Ringes 300 zeigt D die Abschnitte der Basis 301 und des Flansches 312 als getrennt. Der Basisabschnitt 301 umfasst eine proximale Fläche 303, eine gegenüberliegende distale Fläche 304 und eine Innenfläche 305. Der Flanschabschnitt 302 umfasst eine proximale Fläche 306, eine proximale Lippe 307, eine distale Fläche 308, eine distale Lippe 309 und eine Innenfläche 310. Die proximale Fläche 306 und die proximale Lippe 307 des Flanschabschnittes 302 sind derart konfiguriert, mit einem benachbarten O-Ring (nicht gezeigt) in Eingriff zu stehen. Die distale Fläche 308 ist derart konfiguriert, mit der proximalen Fläche 303 des Basisabschnitts 301 in Eingriff zu treten, und die distale Lippe 309 ist derart konfiguriert, mit zumindest einem Abschnitt der Innenfläche 305 des Basisabschnitts 301 in Eingriff zu treten. Die Innenfläche 310 des Flanschabschnitts 302 ist zum Eingriff mit einem Umfang (oder inneren Oberfläche) einer Nut (nicht gezeigt) in einem Verbinderkörper (nicht gezeigt) konfiguriert und verhindert in Kombination mit den proximalen 307 und distalen 309 Lippen ein Herausdrücken eines benachbarten O-Rings (nicht gezeigt) in einen Spalt, der zwischen der Innenfläche 305 des Basisabschnitts 301 und einem derartigen Nutumfang oder einer inneren Oberfläche vorhanden sein kann.
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Verfahren zum Abdichten einer Verbindung
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Bei einigen der verschiedenen Ausführungsformen sind zusätzlich Verfahren zum Abdichten einer Verbindung in einem Hochdruck-Wasserstoffspeichersystem, das einen bereitgestellten Stützring verwendet, vorgesehen. Ein derartiges System kann ein Wasserstoffspeichersystem für 35 MPa oder 70 MPa für Brennstoffzellen- oder Hybridfahrzeuge sein. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines ersten Verbinderkörpers mit einem Außenumfang, der eine Nut umfasst, wobei die Nut (i) eine Seite proximal zu einer Hochdruckquelle; (ii) eine gegenüberliegende distale Seite und (iii) eine dazwischen angeordnete innere Oberfläche umfasst. Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen eines zweiten Verbinderkörpers mit einer Innenoberfläche, die derart konfiguriert ist, den Außenumfang des ersten Verbinderkörpers eng zu umschließen. Der erste und zweite Verbinderkörper können Abschnitte eines Druckreglers, eines Überstrombegrenzers, eines Absperrventils, eines Rückschlagventils, eines Strömungsventils oder eines Rohranschlussstückes sein.
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Das Verfahren umfasst auch das Bereitstellen eines O-Ringes, der zumindest teilweise in der Nut des ersten Verbinderkörpers angeordnet ist. Typischerweise wird der O-Ring über den Außenumfang des ersten Verbinderkörpers gedehnt und ist in der Nut angeordnet. Die Materialien zum Aufbau und die Abmessungen des bereitgestellten O-Ringes hängen von der bestimmten Anwendung ab, wobei Faktoren wie Umfang der inneren Nutoberfläche, Außenumfang des ersten Verbinderkörpers und Größe des Spalts zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper berücksichtigt werden. Nicht beschränkende Beispiele von O-Ringmaterialien zum Aufbau umfassen Nitrile, wie Acrylnitril-Butadien (NBR), hydrogeniertes Nitril (HNBR) und carboxyliertes Nitril (XNBR); Gummi/Kautschuk, wie Ethylen-Propylen-Dienmonomer (EPDM), Ethylenpropylenkautschuk, Chloroprenkautschuk (CR), Butylkautschuk (IIR) und Silikonkautschuk; Fluorkohlenstoff (FKM); Fluorsilikon (FVMQ); Perfluorelastomer (FFKM); Tetrafluorethylenpropylen (FEPM); Ethylenacrylat (AEM); Polyacrylat und thermoplastisches Polyurethan.
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Das Verfahren umfasst ferner das Bereitstellen eines Stützringes, der zumindest teilweise in der Nut angeordnet ist. Typischerweise ist der Stützring diskontinuierlich, wodurch seine Anordnung um den Außenumfang des ersten Verbinderkörpers und seine Platzierung in der Nut benachbart dem O-Ring unterstützt wird, so dass der O-Ring näher an der Druckquelle bleibt. Bevorzugt ist der Stützring unter einem Winkel zwischen 12°–20°C diskontinuierlich (oder ”geschnitten”). Jedoch sind andere Winkel im Bereich von 10° bis 90° ebenfalls denkbar. Während diskontinuierliche Stützringe bevorzugt sind, sind auch kontinuierliche Ringe denkbar. Der Fachmann erkennt jedoch, dass ein derartiger Ring relativ flexiblere und nachgiebigere Baumaterialien erfordern würde, um eine Dehnung über den Außenumfang des ersten Verbinderkörpers zu ermöglichen. Die Verwendung eines diskontinuierlichen Ringes erlaubt die Verwendung steiferer Baumaterialien.
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Der bereitgestellte Stützring umfasst (i) einen Basisabschnitt, der (a) eine distale Fläche, die zum Eingriff mit der distalen Größe der Nut konfiguriert ist; (b) eine gegenüberliegende proximale Fläche, die zum Eingriff mit dem O-Ring konfiguriert ist; und (c) eine Innenfläche umfasst, die zum Eingriff mit der inneren Nutoberfläche konfiguriert ist; und (ii) einen Flanschabschnitt, der an den inneren und proximalen Flächen angeordnet ist. Während der Basisabschnitt und der Flanschabschnitt einen kontinuierlichen Aufbau besitzen können, können bei bestimmten Ausführungsformen der Basisabschnitt und der Flanschabschnitt einen diskontinuierlichen Aufbau besitzen, bei dem der Flanschabschnitt durch mechanische oder chemische Mittel mit dem Basisabschnitt verbunden ist. Beispiele einer derartigen Verbindung umfassen Klebstoffe, Wärme oder eine Kombination daraus. Bei derartigen Ausführungsformen ist der Basisabschnitt typischerweise aus einem relativ steifen Material aufgebaut, während der Flanschabschnitt aus einem relativ flexiblen Material aufgebaut ist. Als nicht beschränkende Beispiele sei angemerkt, dass der Basisabschnitt aus Materialien aufgebaut sein kann, die aus Nitrilen, Polyetheretherketon (PEEK); Polytetrafluorethylen (PTFE); Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht (UHMW-PE); Polyurethan; Fluorkohlenstoff (FKM); und anderen relativ steifen Materialien gewählt ist. Es ist auch denkbar, dass der Flanschabschnitt aus Materialien aufgebaut sein kann, die aus Nitrilen; Acrylnitril-Butadien (NBR); Fluorkohlenstoff (FKM); thermoplastischem Polyurethan; und Gummi/Kautschuk gewählt ist, wie Ethylenpropylenkautschuk, Ethylen-Propylen-Dienmonomer (EPDM); Chloroprenkautschuk (CR), Butylkautschuk (IIR) und Silikonkautschuk. Dem Fachmann sei jedoch angemerkt, dass auch andere Baumaterialien denkbar sind.
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Das bereitgestellte Verfahren umfasst ferner, dass der erste und zweite Verbinderkörper zusammen mit dem O-Ring und dem Stützring zusammengebaut werden, um eine abgedichtete Verbindung zu bilden, und die abgedichtete Verbindung hohem Druck ausgesetzt wird. Beispielsweise ist die abgedichtete Verbindung Drücken von zumindest 35 MPa oder 70 MPa ausgesetzt. Die bereitgestellten Stützringe sind derart konfiguriert, mit dem O-Ring in Eingriff zu treten und gemeinsam eine Dichtung zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper zu bilden und bei Kontakt zu hohen Drücken (i) ein Herausdrücken des O-Ringes in einen Spalt, der zwischen dem ersten und zweiten Verbinderkörper vorhanden ist; und (ii) ein Herausdrücken des O-Ringes in einen Spalt, der zwischen der Innenfläche des Stützringes und der inneren Nutoberfläche vorhanden ist, zu verhindern.
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Diese Anmeldung sei nicht auf die spezifischen Figuren und Beispiele, wie hier beschrieben ist, beschränkt zu betrachten, sondern es sei vielmehr zu verstehen, dass alle Aspekte der Erfindung abgedeckt sind. Verschiedene Modifikationen, äquivalente Prozesse wie auch zahlreiche Strukturen und Vorrichtungen, auf die die vorliegende Offenbarung anwendbar ist, sind dem Fachmann leicht offensichtlich. Der Fachmann versteht, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können, der nicht auf das, was in der Beschreibung beschrieben ist, beschränkt zu betrachten ist.
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Sofern es nicht anderweitig definiert ist, besitzen alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hier verwendet sind, dieselbe Bedeutung, wie es dem Fachmann, den diese Erfindung betrifft, üblicherweise verständlich ist. Die in der Beschreibung der Erfindung verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht zur Beschränkung der Erfindung beabsichtigt. Wie in der Beschreibung und den angefügten Ansprüchen verwendet ist, sind die Singularformen ”ein/eine/r/s/m/n” und ”der/die/das” dazu bestimmt, genauso die Pluralformen einzuschließen, sofern es der Kontext nicht anderweitig angibt.
