DE102014000617A1 - Compressed gas containers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter (1) mit einem von einer Innenhülle (2) aus Kunststoffmaterial und wenigstens einer Außenhülle (3) aus faserverstärktem Kunststoff umgebenen Speichervolumen, mit wenigstens einem an einem Ende des Speichevolumens angebrachten Endabschnitt (4), wobei in einer Bohrung (5) des Endabschnitts (4) eine Anschlusshülse (6) angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Innenhülle (2) direkt oder über eine geeignete Zwischenschicht (9) mit dem Material der Anschlusshülse (6) stoffschlüssig verbunden ist.The invention relates to a pressurized gas container (1) having a storage volume surrounded by an inner sheath (2) of plastic material and at least one outer sheath (3) of fiber-reinforced plastic, having at least one end section (4) attached to one end of the storage volume. 5) of the end portion (4) a connection sleeve (6) is arranged. The invention is characterized in that the material of the inner shell (2) is materially connected directly or via a suitable intermediate layer (9) with the material of the connecting sleeve (6).
Description
Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Druckgasbehälters gemäß Anspruch 10.The invention relates to a compressed gas container according to the preamble of
Druckgasbehälter, insbesondere sogenannte Typ-IV-Druckgasbehälter, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise in Fahrzeugen zur Speicherung von Wasserstoff unter hohen Drücken eingesetzt werden. Insbesondere bei Wasserstoff sind dabei Nenndrücke von 700 bar mittlerweile üblich. Höhere Drücke sind ebenso denkbar. Bei komprimiertem Erdgas, für welches derartige Druckgasbehälter ebenfalls sehr häufig eingesetzt werden, sind Drücke in der Größenordnung von 260 bar Nenndruck üblich.Compressed gas containers, in particular so-called type IV compressed gas containers, are known from the general state of the art. For example, they can be used in vehicles for storing hydrogen under high pressures. In the case of hydrogen in particular, nominal pressures of 700 bar are now common. Higher pressures are also conceivable. In compressed natural gas, for which such compressed gas containers are also very often used, pressures in the order of 260 bar nominal pressure are common.
Der Aufbau eines derartigen Typ-IV-Druckgasbehälters ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Der Druckgasbehälter besteht dabei aus wenigstens zwei Schichten, einer Innenhülle, dem sogenannten Liner, und einer Außenhülle. Die Innenhülle ist typischerweise aus einem für das zu speichernde Gas unter hohem Druck sehr dichten Material, beispielsweise einer ein- oder mehrlagigen Kunststoffschicht, gegebenenfalls auch mit metallischer Zwischenschicht oder -folie, ausgebildet. Die Aufgabe der Innenhülle besteht lediglich darin, den Druckgasbehälter gegen ein Entweichen des Gases bestmöglichst abzudichten. Die hohen Drücke des Gases in dem Druckgasbehälter werden dann von der nächsten Schicht, der Außenhülle, aufgenommen. Diese Außenhülle besteht aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial und kann beispielsweise durch Flechten oder Wickeln um die Innenhülle herum ausgebildet werden. An wenigstens einem, in den meisten Fällen an beiden Enden des Druckgasbehälters ist dabei ein meist metallischer Endabschnitt angebracht, welcher auch als Boss bezeichnet wird. Dieser Boss dient typischerweise zur Halterung und Lagerung des Tanks und zur Aufnahme von Ventileinrichtungen, insbesondere zur Aufnahme von Sicherheitsventilen oder eines sogenannten On-Tank-Valve (OTV).The structure of such a type IV gas cylinder is known from the general state of the art. The compressed gas container consists of at least two layers, an inner shell, the so-called liner, and an outer shell. The inner shell is typically formed of a material which is very dense for the gas to be stored under high pressure, for example a single-layer or multi-layer plastic layer, if appropriate also with a metallic intermediate layer or film. The task of the inner shell is merely to seal the compressed gas tank against escape of the gas as best as possible. The high pressures of the gas in the pressurized gas container are then absorbed by the next layer, the outer shell. This outer shell is made of a fiber-reinforced plastic material and may be formed, for example, by braiding or wrapping around the inner shell. At least one, in most cases at both ends of the gas cylinder, a mostly metallic end portion is attached, which is also referred to as a boss. This boss is typically used for mounting and storage of the tank and for receiving valve devices, in particular for receiving safety valves or a so-called on-tank valve (OTV).
Eine besondere Bedeutung kommt nun der dichten Anbindung der Innenhülle, also des Liners, an den Endabschnitt zu. Hier muss durch eine entsprechende Anbindung für eine ausreichende Dichtheit gesorgt werden. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, die Innenhülle außen um einen Teil des Endabschnitts herum zu führen und dann durch das Bewickeln mit Fasern der faserverstärkten Außenhülle an diesem abzudichten. Dies ist relativ aufwändig und im Ergebnis oft unzuverlässig.Of particular importance is now the tight connection of the inner shell, so the liner, to the end section. Here must be ensured by an appropriate connection for a sufficient tightness. It is known from the general state of the art to guide the inner shell around a part of the end section on the outside and then to seal it to the fiber-reinforced outer shell by winding it with fibers. This is relatively expensive and often unreliable as a result.
Aus der
Ein weiterer Aufbau in der genannten Art ist außerdem aus der
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen verbesserten Druckgasbehälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welcher insbesondere die genannten Nachteile vermeidet.The object of the present invention is now to provide an improved compressed gas container according to the preamble of
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Druckgasbehälter mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung für den Druckgasbehälter angegeben.According to the invention this object is achieved by a compressed gas container having the features in the characterizing part of
Der erfindungsgemäß aufgebaute Druckgasbehälter sieht es nun vor, dass das Material der Innenhülle direkt oder über eine geeignete Zwischenschicht mit dem Material der Anschlusshülse stoffschlüssig verbunden ist. Durch eine solche stoffschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Klebe- oder Schweißverbindung, der Innenhülle mit der Anschlusshülse entsteht ein sehr einfacher und hinsichtlich der Dichtheit sehr zuverlässiger Aufbau, bei welchem die Innenhülle so an die Anschlusshülse angebunden wird, dass eine zuverlässige Abdichtung des Speichervolumens in der Innenhülle gewährleistet ist. Dieser Aufbau aus Innenhülle und daran stoffschlüssig angebundener Anschlusshülse muss dann lediglich mit den Endabschnitten oder dem Endabschnitt zusammengefügt und beispielsweise durch Umflechten und/oder Umwickeln mit dem faserverstärkten Kunststoffmaterial durch die Außenhülle entsprechend ergänzt werden. Der Aufbau ist einfach, hat wenig Bauteile, ist sehr dicht und zuverlässig. Durch die stoffschlüssige Anbindung kann außerdem ein Lösen der Verbindung beispielweise durch Vibrationen oder dergleichen zuverlässig verhindert werden.The pressurized gas container constructed according to the invention now provides that the material of the inner shell is connected in a material-bonded manner directly or via a suitable intermediate layer to the material of the connecting sleeve. By such a cohesive connection, such as an adhesive or welded joint, the inner shell with the Connection sleeve creates a very simple and very reliable in terms of tightness construction, in which the inner shell is connected to the connection sleeve, that a reliable seal of the storage volume is ensured in the inner shell. This construction of inner shell and cohesively attached connection sleeve then has to be joined together only with the end sections or the end section and, for example, by braiding and / or wrapping with the fiber-reinforced plastic material through the outer shell to be completed accordingly. The structure is simple, has few components, is very dense and reliable. By cohesive connection also a release of the compound, for example, by vibrations or the like can be reliably prevented.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ist es dabei ferner vorgesehen, dass die Innenhülle mit der nach dem Inneren des Speichervolumens gewandten Stirnseite der Anschlusshülse verbunden ist. Ein solches Verbinden der Innenhülle lediglich mit der Stirnseite der Anschlusshülse stellt einen Aufbau bereit, welcher außerordentlich einfach in der weiteren Montage ist, da keine seitlich über die Innenhülse überstehenden Teile auftreten, welche bei der Montage der Innenhülse in dem Endabschnitt gegebenenfalls beschädigt werden können.In a further very advantageous embodiment of the compressed gas container according to the invention, it is further provided that the inner shell is connected to the facing to the interior of the storage volume end face of the connecting sleeve. Such a connection of the inner shell only with the end face of the connecting sleeve provides a structure which is extremely simple in the further assembly, since no laterally projecting beyond the inner sleeve parts occur, which may be damaged during assembly of the inner sleeve in the end portion.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist die stoffschlüssige Verbindung dabei vorzugsweise als Schweißverbindung ausgebildet.According to an advantageous development of the idea, the cohesive connection is preferably formed as a welded connection.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters sieht es ferner vor, dass die Anschlusshülse eine in Richtung des Inneren des Speichervolumens gerichtete Anschlusskontur mit wenigstens zwei unterschiedlichen Ebenen aufweist. Eine solche Anschlusskontor mit wenigstens zwei unterschiedlichen Ebenen, welche beispielsweise mit einer stirnseitig eingedrehten Nut, einer stufenförmigen Ausgestaltung der Stirnseite oder dergleichen realisiert werden kann, stellt eine höhere Oberfläche im Bereich der Stirnseite zur Verfügung, sodass eine sehr gute und zuverlässige stoffschlüssige Anbindung der Innenhülle an die Stirnseite der Anschlusshülse realisiert werden kann.Another very favorable embodiment of the compressed gas container according to the invention, it also provides that the connection sleeve has a directed towards the interior of the storage volume connection contour with at least two different levels. Such Anschlusskontor with at least two different levels, which can be realized for example with a frontally grooved groove, a step-shaped configuration of the front side or the like, provides a higher surface in the region of the front page available, so that a very good and reliable cohesive connection of the inner shell the front side of the connection sleeve can be realized.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Anschlusshülse zumindest auf ihrer dem Inneren des Speichervolumens zugewandten Stirnseite mit einer Zwischenschicht beschichtet oder umspritzt ist, wobei das Material der Innenhülle mit der Zwischenschicht verbunden ist. Eine solche Zwischenschicht kann insbesondere an die vorzugsweise metallisch ausgebildete Anschlusshülse durch Beschichtung oder Anspritzen aufgetragen sein. Die Zwischenschicht kann dann dafür sorgen, dass eine sehr gute Anbindung, beispielsweise eine sehr gute Schweißverbindung, zwischen dem Material der Innenhülle und der Zwischenschicht, welche wiederum entsprechend gut mit dem Material der Anschlusshülse verbunden ist, auftritt. Hierdurch kann die Anhaftung der Innenhülle an der Anschlusshülse weiter verbessert werden. Durch die Verbindung der Stirnseite der Anschlusshülse mit der Innenhülle lässt sich das Volumen für die Zwischenschicht deutlich reduzieren. Hierdurch ist es möglich, sehr hochwertige am Markt prinzipiell verfügbare und speziell für hybride Systeme, also Kunststoffmetall-Verbunde entwickelte Materialien einzusetzen. Wegen des vergleichsweise geringen Volumens spielen die hohen Kosten für derartige Materialien eine untergeordnete Rolle. Sie können jedoch die Anhaftung nochmals deutlich verbessern.In a particularly favorable and advantageous development of the compressed gas container according to the invention, it can now further be provided that the connecting sleeve is coated or overmolded with an intermediate layer at least on its end facing the interior of the storage volume, wherein the material of the inner shell is connected to the intermediate layer. Such an intermediate layer may in particular be applied to the preferably metallically formed connecting sleeve by coating or spraying. The intermediate layer can then ensure that a very good connection, for example, a very good weld, between the material of the inner shell and the intermediate layer, which in turn is correspondingly well connected to the material of the connecting sleeve, occurs. As a result, the adhesion of the inner shell to the connection sleeve can be further improved. By connecting the end face of the connection sleeve with the inner shell, the volume for the intermediate layer can be significantly reduced. This makes it possible to use very high-quality materials that are basically available on the market and specially developed for hybrid systems, ie plastic-metal composites. Because of the relatively small volume, the high cost of such materials play a minor role. However, they can significantly improve the attachment again.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckgasbehälter kann es nun gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung außerdem vorgesehen sein, dass die Anschlusshülse in die Bohrung des Endabschnitts eingeklebt ist. Eine solche in die Bohrung des Endabschnitts eingeklebte Anschlusshülse ist besonders einfach und effizient hinsichtlich der Montage. Durch den Verzicht auf einen Schraubvorgang kann die Belastung der gegebenenfalls schon hergestellten Verbindung zwischen der Anschlusshülse und der Innenhülle verringert werden, sodass eine sehr einfache und zuverlässige Montage möglich wird. Vorzugsweise weist die Anschlusshülse dabei eine Kontur mit konstantem äußerem Querschnitt auf, kann also sehr einfach in die Bohrung eingeschoben werden.In the pressurized gas container according to the invention, according to an advantageous development, it can now also be provided that the connection sleeve is glued into the bore of the end section. Such a connection sleeve glued into the bore of the end section is particularly simple and efficient in terms of assembly. By dispensing with a screwing the burden of possibly already established connection between the ferrule and the inner shell can be reduced, so that a very simple and reliable installation is possible. Preferably, the connection sleeve has a contour with a constant outer cross-section, so it can be very easily inserted into the bore.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters sieht es nun ferner vor, dass die Bohrung in dem Endabschnitt auf der dem Speichervolumen abgewandten Seite einen Bund aufweist. Ein solcher Aufbau ist ideal hinsichtlich der Montage. Die Anschlusshülse kann durch die Bohrung, welche vorzugsweise bereits mit Kleber versehen ist, vom späteren Inneren des Druckgasbehälters in Richtung des Äußeren eingeschoben werden. Der Kleber kann aktiviert werden und die Klebeverbindung kann ausgebildet werden. Durch den in dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorhandenen Bund wird außerdem eine mechanische Sicherung der Anschlusshülse in dem Endabschnitt erzielt, da diese durch den Bund festgehalten wird, und von dem später im Druckgasbehälter herrschenden Druck nicht in Richtung nach außen hin verschoben werden kann. Der Aufbau wird so außerordentlich einfach in der Montage und ist dennoch sehr zuverlässig und aufgrund der einfach zu montierenden Teile und ihrer geringen Anzahl sehr kostengünstig.Another very favorable embodiment of the compressed gas container according to the invention, it now further provides that the bore has a collar in the end portion on the side facing away from the storage volume. Such a construction is ideal in terms of assembly. The connection sleeve can be inserted through the bore, which is preferably already provided with adhesive, from the later interior of the compressed gas container in the direction of the exterior. The adhesive can be activated and the adhesive bond can be formed. Due to the existing in this advantageous embodiment of the invention covenant also a mechanical assurance of the connection sleeve is achieved in the end portion, as this is held by the federal government, and can not be moved by the pressure prevailing in the pressure gas container later in the direction of pressure. The structure is so extremely easy to install and yet very reliable and very cost-effective due to the easy-to-install parts and their small number.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters kann es nun vorgesehen sein, dass die Anschlusshülse aus einem metallischen Material, insbesondere aus Stahl oder Edelstahl, hergestellt ist. Eine solche Anschlusshülse aus Stahl oder Edelstahl ist sehr resistent im Bereich ihres Gewindes, sodass auch bei mehrfachem Ein- und Ausschrauben einer Ventileinrichtung oder ähnlichem nicht die Gefahr eines Fressens und damit einer Undichtheit oder einer Beschädigung entsteht. According to an advantageous development of the compressed gas container according to the invention, it can now be provided that the connecting sleeve is made of a metallic material, in particular of steel or stainless steel. Such a connection sleeve made of steel or stainless steel is very resistant in the region of its thread, so that even with multiple screwing and unscrewing a valve device or the like, there is no danger of seizure and thus leakage or damage.
Ferner ist es so, dass durch den Einsatz einer Anschlusshülse aus Stahl oder Edelstahl das Material des Endabschnitts, welcher die Anschlusshülse aufnimmt, annähernd beliebig gestaltet werden kann. So ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung denkbar, diesen, wie bisher auch, aus Aluminium auszugestalten. Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters kann es jedoch auch vorgesehen sein, stattdessen ein Faserverbundmaterial für den Endabschnitt einzusetzen. Ein solches Faserverbundmaterial erhält im Bereich des Gewindes durch die Anschlusshülse die notwendige Festigkeit gegenüber Verschleiß und Fressen, und kann mit dem größten Teil seines Volumens aus dem leichten und stabilen Faserverbundmaterial hergestellt werden. Der Aufbau des Druckgasbehälters an sich wird dadurch sehr viel leichter, was ein entscheidender Vorteil, insbesondere beim Einsatz in mobilen Systemen wie beispielsweise Fahrzeugen, ist.Furthermore, the use of a connecting sleeve made of steel or stainless steel allows the material of the end section, which accommodates the connecting sleeve, to be designed approximately as desired. Thus, it is conceivable according to an advantageous development to design this, as before, from aluminum. However, according to a particularly favorable and advantageous embodiment of the compressed gas container according to the invention, it may also be provided instead to use a fiber composite material for the end section. Such a fiber composite material obtains the necessary resistance to wear and seizing in the area of the thread through the connecting sleeve, and can be produced with the largest part of its volume from the light and stable fiber composite material. The construction of the compressed gas container per se is thereby much easier, which is a decisive advantage, especially when used in mobile systems such as vehicles.
Wie bereits erwähnt lässt sich der erfindungsgemäße Druckgasbehälter sehr einfach und effizient herstellen und ist dabei außerordentlich zuverlässig und sicher. Er eignet sich insbesondere für Anwendungen, in denen entsprechend große Stückzahlen mit gleichzeitig sehr hohen Anforderungen an die Sicherheit des Druckgasbehälters realisiert werden müssen. Eine solche Anwendung kann insbesondere die Speicherung von Wasserstoff oder Erdgas in einem Fahrzeug ein. Die besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters liegt daher in der Speicherung von Wasserstoff oder komprimiertem Erdgas in einem Fahrzeug, beispielsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, welches die Gase als Brennstoff nutzt.As already mentioned, the compressed gas container according to the invention can be produced very simply and efficiently and is extremely reliable and safe. It is particularly suitable for applications in which correspondingly large quantities must be realized with very high demands on the safety of the compressed gas tank at the same time. Such an application may include, in particular, the storage of hydrogen or natural gas in a vehicle. The particularly preferred use of the pressurized gas container according to the invention therefore lies in the storage of hydrogen or compressed natural gas in a vehicle, for example in a fuel cell vehicle or a vehicle with an internal combustion engine, which uses the gases as fuel.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the compressed gas container according to the invention will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Das Material der Innenhülle
Die in den Endabschnitt
Die Anschlusshülse
Ferner ist es möglich, den Endabschnitt
Im Prinzip bei jedem Aufbau des Endabschnitts
Für den Fall der Ausgestaltung des Endabschnitts
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