DE102014202539A1 - Vorratstank für unter Druck stehende Medien und Verwendung des Vorratstanks - Google Patents

Vorratstank für unter Druck stehende Medien und Verwendung des Vorratstanks Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vorratstank (10; 10a) für unter Druck stehende Medien, insbesondere für Gase, mit einem aus mehreren, zumindest teilweise gleichen Elementen (11, 12) modulartig zusammengesetzten, aus Metall bestehenden Grundkörper (15), der wenigstens zwei miteinander verbundene erste Elemente (11) und wenigstens zwei, mit jeweils wenigstens einem ersten Element (11) verbundene Abschlusselemente als zweite Elemente (12) aufweist, wobei der Grundkörper (15) einen geschlossenen, druckdichten Vorratsspeicherraum (16) für das Medium ausbildet, und wobei zumindest die ersten Elemente (11) in Verbindungsbereichen (25) abgerundet ausgebildet sind. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die ersten und zweiten Elemente (11, 12) durch Schweißverbindungen (22) in den Verbindungsbereichen (25) miteinander gasdicht verbunden sind.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Vorratstank für unter Druck stehende Medien, insbesondere für Gase, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Vorratstanks.
  • Ein Vorratstank nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Form eines flachen Gastanks für Kraftfahrzeuge ist bereits bekannt (Quelle Internet: http://gastoday.com.au/news/rocket_scientists_invent_flat_lpg_tank/004429). Hierbei besteht der Vorratstank aus mehreren, modulartig ausgebildeten bzw. zusammensetzbaren Elementen, die über eine Rastverbindung miteinander gasdicht verbunden sind. Eine derartige Ausbildung des Vorratstanks ermöglicht es, durch die Verwendung von Gleichteilen die Fertigungs- bzw. Produktionskosten zu reduzieren, wobei der Vorratstank jeweils an vorhandene Einbauverhältnisse angepasst werden kann. Insbesondere kann die Größe des Vorratstanks durch die modulartigen Elemente relativ leicht verändert werden. Nachteilig dabei ist, dass die Sicherstellung einer derartigen, sowohl gas- als auch druckdichten Verbindung zwischen den einzelnen Elementen relativ aufwendig ausgebildete Rast- bzw. Aufnahmeelemente benötigt, die die Fertigung der jeweiligen Elemente relativ kostenintensiv gestaltet. Weiterhin wird durch die Rast- bzw. Aufnahmeelemente zusätzlicher Bauraum benötigt, der nicht zur Speicherung des unter Druck stehenden Mediums zur Verfügung steht.
  • Darüber hinaus ist aus der DE 10 2011 105 426 A1 ein Druckbehälter zum Aufnehmen und Speichern von Fluiden bekannt, der einen aus Metall bestehenden, einteiligen Innenmantel aufweist, der wiederum an seiner Außenseite vollflächig mit einer faserverstärkten Verstärkungsschicht versehen ist. Nachteilig dabei ist, dass für jeden Anwendungsfall ein speziell ausgebildeter, bzw. den jeweiligen Einbauverhältnissen angepasster Innenmantel bzw. Behälter gefertigt werden muss.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Vorratstank für unter Druck stehende Medien, insbesondere für Gase, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine besonders einfache und wirtschaftliche Herstellbarkeit bei maximalem Volumen (bezogen auf die Baugröße) des Vorratstanks für das Medium zur Verfügung steht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Vorratstank mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die ersten und zweiten Elemente (die den Grundkörper des Vorratstanks ausbilden) durch Schweißverbindungen in Verbindungsbereichen miteinander gasdicht verbunden sind. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass keine Rast- oder sonstige Formschlusselemente vorhanden sein müssen, die die einzelnen Elemente des Vorratstanks gasdicht miteinander verbinden. Stattdessen werden die Elemente im Bereich von Verbindungsbereichen miteinander gasdicht verschweißt, was den Vorteil hat, dass zum einen eine (gas-)dichte Ausbildung des Grundkörpers erzielbar ist, und dass zum anderen die Schweißnähte bzw. die Verbindungsbereiche die Baugröße des Vorratstanks maximal lediglich geringfügig vergrößern, so dass bezogen auf die Baugröße der Vorratstank ein maximal mögliches Speichervolumen für ein Medium aufweist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Vorratstanks für unter Druck stehende Medien sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • In besonders bevorzugter konstruktiver bzw. geometrischer Ausgestaltung der Schweißverbindungen wird vorgeschlagen, dass die Verbindungsbereiche der Elemente im Bereich der Schweißverbindungen zumindest nahezu tangential aneinander anliegen, und dass die Schweißverbindungen an der dem Vorratsspeicherraum (d.h. dem Innenraum des Grundkörpers) abgewandten Außenseite des Grundkörpers ausgebildet sind. Eine derartige Ausbildung ermöglicht ein Verschweißen der einzelnen Elemente ohne einen Schweißspalt von außen her, so dass insbesondere die zum Verschweißen benötigten Schweißanlagen relativ einfach ausgeführt werden können bzw. konventionelle Schweißanlagen verwendet werden können. Darüber hinaus wird durch die tangentiale Anlage der Verbindungsbereiche im Bereich der Schweißverbindungen eine großflächige und in Bezug auf die Festigkeit optimale Schweißverbindung ermöglicht.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Schweißverbindungen in Form von Laserstrahlschweißnähten ausgebildet sind. Die Verwendung von Laserstrahlschweißnähten hat insbesondere den Vorteil, dass damit auch relativ schwierig zugängliche Bereiche, insbesondere bei tangential aneinander anliegenden Bereichen der Elemente, gut erreicht werden können. Darüber hinaus handelt es sich bei dem Laserstrahlschweißen um einen prozesstechnisch relativ einfach und gut überwachbaren Schweißprozess, so dass diesbezügliche Qualitätsanforderungen bzw. Normen der Schweißverbindungen relativ einfach erfüllt werden können.
  • Für die modulartig zusammensetzbaren bzw. miteinander verbindbaren ersten Elemente kommt eine Vielzahl von unterschiedlichen geometrischen Formen in Betracht. Mit Blick auf eine möglichst hohe Festigkeit bzw. geringe Verformbarkeit bei einem unter Druck stehendem Medium hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die ersten Elemente in Form von Kugelabschnitten, abgerundeten Würfeln, abgerundeten Quadern oder abgerundeten Zylindern ausgebildet sind und aus Gründen der Teilereduktion alle dieselbe Größe aufweisen.
  • Durch die modulartige Konstruktion lassen sich unterschiedlichste Formen von Grundkörpern, jeweils angepasst an den jeweiligen Einbauort bzw. die Verwendung und Erfordernisse, ausbilden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Grundkörpers, die bezogen auf die Baugröße ein maximales Speichervolumen für das Medium ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass der Grundkörper block- bzw. quaderförmig ausgebildet ist. Alternativ bzw. zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass der Grundkörper einen Freiraum aufweist. Ein derartiger Freiraum ermöglicht insbesondere die Anordnung von in dem Freiraum angeordneten, nicht dem Vorratstank zugeordneten Elementen bzw. Bauteilen, so dass trotz derartiger Elemente mit Blick auf den Einbauraum ein möglichst hohes Volumen des Vorratstanks erzielbar ist.
  • In ganz besonders bevorzugter konstruktiver Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Außenseite des Grundkörpers mit einer Verstärkungsschicht vollflächig umgeben ist. Die Erfindung macht sich dabei die Idee zunutze, dass ein derartiger Vorratstank somit aus zwei Elementen besteht, dem aus Metall bestehenden Grundkörper und der den Grundkörper an seiner Außenseite umgebenden Verstärkungsschicht. Funktionell dient der Grundkörper insbesondere der gasdichten Aufnahme des Mediums, während die Verstärkungsschicht die benötigte Festigkeit bzw. Druckfestigkeit sicherstellt. Dadurch ist es möglich, den Grundkörper aus relativ dünnen Blechen auszubilden, während die Verstärkungsschicht entsprechend den Festigkeitserfordernissen bzw. den Druckverhältnissen für die benötigte Festigkeit sorgt. Hierbei kann die Festigkeit der Verstärkungsschicht besonders einfach beispielsweise durch eine Erhöhung der Schichtdicke der Verstärkungsschicht eingestellt werden.
  • In Weiterbildung des zuletzt angeführten Erfindungsgedankens ist es von Vorteil, wenn die Verstärkungsschicht als Kunststoff- oder Metallschaum, als Organoblech oder als Kunststoffschicht ausgebildet ist. Die Verwendung des jeweiligen Materials für die Verstärkungsschicht hängt dabei insbesondere von den jeweils spezifischen Anforderungen ab und kann durch die vielfältige Variationsmöglichkeit unterschiedlichsten Anforderungen angepasst werden.
  • Darüber hinaus ist es bei der Verwendung einer Verstärkungsschicht von Vorteil, wenn die Verstärkungsschicht auf der dem Grundkörper abgewandten Außenseite zumindest eine ebene Außenfläche aufweist. Durch die Ausbildung einer derartigen ebenen Außenfläche findet insbesondere eine besonders gute Verstärkung des Grundkörpers in den Bereichen statt, in denen die Verbindungsbereiche des Grundkörpers angeordnet sind, da diese bildlich gesprochen nach innen eingezogen sind und somit im Bereich der Verbindungsbereiche die Verstärkungsschicht (bei einer ebenen Außenfläche) eine besonders große Dicke und somit Festigkeit aufweist.
  • Die Erfindung umfasst auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Vorratstanks für gasförmige Medien für mobile oder stationäre Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen oder zur Stromerzeugung.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
  • Diese zeigt in:
  • 1 einen Teilbereich eines blockförmigen Grundkörpers zur Ausbildung eines Vorratstanks für unter Druck stehende Medien in teilweise geschnittener, perspektivischer Darstellung,
  • 2 einen gegenüber 1 abgewandelten Grundkörper mit einem Freiraum, in perspektivischer Darstellung,
  • 3 einen Teilbereich eines Grundkörpers eines Vorratstanks in Schnittdarstellung und
  • 4 ein Detail der 3 im Verbindungsbereich zweier Grundelemente zur Erläuterung der Anordnung und Ausbildung der Schweißverbindung.
  • Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Nachfolgend wird ein Vorratstank für unter Druck stehende Medien beschrieben, insbesondere für Gase, mit einem aus mehreren, zumindest teilweise gleichen Elementen modulartig zusammengesetzten, aus Metall bestehenden Grundkörper, der wenigstens zwei miteinander verbundene erste Elemente und wenigstens zwei, mit jeweils wenigstens einem ersten Element verbundene Abschlusselemente als zweite Elemente aufweist, wobei der Grundkörper einen geschlossenen, druckdichten Vorratsspeicherraum für das Medium ausbildet. Vorzugsweise sind die ersten Elemente in Verbindungsbereichen abgerundet ausgebildet. Ferner ist es vorgesehen, dass die ersten und zweiten Elemente durch Schweißverbindungen in den Verbindungsbereichen miteinander gasdicht verbunden sind.
  • In der 1 ist ein erster erfindungsgemäßer Vorratstank 10 zur Speicherung für unter Druck stehende Medien, insbesondere für Gase, dargestellt. Der Vorratstank 10 findet vorzugsweise Verwendung als Speichertank in Kraftfahrzeugen, beispielsweise bei ausschließlich gasbetriebenen Kraftfahrzeugen, oder in Hybridfahrzeugen. Darüber hinaus kann der Vorratstank 10 auch für stationäre Anlagen, beispielsweise bei Generatoren zur Stromerzeugung oder ähnlichem eingesetzt werden.
  • Der im Ausführungsbeispiel gemäß der 1 blockförmig ausgebildete Vorratstank 10 besteht aus einer Vielzahl von jeweils gleich oder gleichartig ausgebildeten ersten Elementen 11, die modulartig zusammengefügt werden können, um über die Anzahl und die Anordnung der ersten Elemente 11 die Größe bzw. das Speichervolumen des Vorratstanks 10 zu definieren. Die ersten Elemente 11 sind zumindest teilweise mit zweiten Elementen 12 verbunden, die dazu dienen, die ersten Elemente 11 nach außen hin abzuschließen bzw. insgesamt gesehen einen gasdichten Grundkörper 15 auszubilden, dessen Innenraum einen Vorratsspeicherraum 16 für das Medium (Gas) ausbildet.
  • Sowohl die ersten Elemente 11 als auch die zweiten Elemente 12 bestehen insbesondere aus dünnwandigem Blech (z. B. aus Stahl oder Aluminium), das sich insbesondere durch eine relativ einfache bzw. gute Schweißbarkeit auszeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten Elemente 11 jeweils als abgerundete Würfel 17 bzw. Würfelabschnitte ausgebildet, jedoch sind auch andere Formen denkbar. Die zweiten Elemente 12 sind demgegenüber kugelabschnittsförmig ausgebildet.
  • Der in der 2 dargestellte, gegenüber der 1 modifizierte Vorratstank 10a besteht ebenfalls aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen ersten Elementen 11 und zweiten Elementen 12, die in Form eines liegenden „U“ angeordnet sind. Dadurch ergibt sich zwischen den beiden Schenkeln 18, 19 des Vorratstanks 10a ein Freiraum 20, der beispielsweise dazu dient, in einem Kraftfahrzeug befindliche Bauteile bzw. Elemente aufzunehmen bzw. anzuordnen.
  • Die Verbindung der ersten Elemente 11 untereinander sowie der ersten Elemente 11 mit den zweiten Elementen 12 erfolgt entsprechend der Darstellung der 4 durch Schweißverbindungen in Form von durchgehenden Schweißnähten 22, die mittels eines in der 4 erkennbaren Laserstrahls 23 erzeugt werden. Wesentlich dabei ist, dass der Verbindungsbereich 25 zwischen zwei Elementen 11 bzw. zwischen einem ersten Element 11 und einem zweiten Element 12 durch nahezu tangential anliegende, gekrümmt ausgebildete Abschnitte 26, 27 der ersten Elemente 11 bzw. der zweiten Elemente 12 gebildet werden. Der Laserstrahl 23 wirkt dabei von der Außenseite der ersten Elemente 11 und der zweiten Elemente 12 auf diese ein und schmilzt das Material der Elemente 11, 12 im Verbindungsbereich 25 auf, derart dass nach Abschalten des Laserstrahls 23 eine gasdichte Verbindung zwischen den Elementen 11, 12 ausgebildet ist.
  • Ein derartiger, durch Schweißverbindungen hergestellter und aus den ersten Elementen 11 sowie den zweiten Elementen 12 bestehender Grundkörper 15 wird anschließend an der Außenseite des Grundkörpers 15 mit einer dem Grundkörper 15 vorzugsweise vollflächig umgebenden Verstärkungsschicht 30 versehen. Bei der Verstärkungsschicht 30 handelt es sich beispielsweise um einen Kunststoff- oder Metallschaum, um ein Organoblech oder um eine Kunststoffschicht, insbesondere aus faserverstärkten Kunststoffen. Wie anhand der Darstellung der 3 erkennbar ist, bildet sowohl die Unterseite als auch die Oberseite der Verstärkungsschicht 30 ebene Außenflächen 31, 32 aus, so dass die Dicke der Verstärkungsschicht 30 im Bereich der Verbindungsbereiche 25 am größten ist.
  • Der soweit beschriebene Vorratstank 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht aus modulartig miteinander verbundenen bzw. zusammengesetzten Elementen 11, 12, die mittels Schweißverbindungen miteinander verbunden und an ihrer Außenseite mit einer Verstärkungsschicht 30 verstärkt sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011105426 A1 [0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • http://gastoday.com.au/news/rocket_scientists_invent_flat_lpg_tank/004429 [0002]

Claims (10)

  1. Vorratstank (10; 10a) für unter Druck stehende Medien, insbesondere für Gase, mit einem aus mehreren, zumindest teilweise gleichen Elementen (11, 12) modulartig zusammengesetzten, aus Metall bestehenden Grundkörper (15), der wenigstens zwei miteinander verbundene erste Elemente (11) und wenigstens zwei, mit jeweils wenigstens einem ersten Element (11) verbundene Abschlusselemente als zweite Elemente (12) aufweist, und wobei der Grundkörper (15) einen geschlossenen, druckdichten Vorratsspeicherraum (16) für das Medium ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Elemente (11, 12) durch Schweißverbindungen (22) in den Verbindungsbereichen (25) miteinander gasdicht verbunden sind.
  2. Vorratstank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsbereiche (25) im Bereich der Schweißverbindungen (22) zumindest nahezu tangential aneinander anliegen, und dass die Schweißverbindungen (22) an der dem Vorratsspeicherraum (16) abgewandten Außenseite des Grundkörpers (15) ausgebildet sind.
  3. Vorratstank nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindungen (22) in Form von Laserstrahlschweißnähten ausgebildet sind.
  4. Vorratstank nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elemente (11) in Form von Kugelabschnitten, abgerundeten Würfeln, abgerundeten Quadern oder abgerundeten Zylindern ausgebildet sind und alle dieselbe Größe aufweisen.
  5. Vorratstank nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (15) blockförmig ausgebildet ist.
  6. Vorratstank nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (15) einen Freiraum (20) aufweist.
  7. Vorratstank nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Grundkörpers (15) mit einer Verstärkungsschicht (30) vollflächig umgeben ist.
  8. Vorratstank nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (30) als Kunststoff- oder Metallschaum, als Organoblech oder als Kunststoffschicht ausgebildet ist.
  9. Vorratstank nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsschicht (30) auf der dem Grundkörper (15) abgewandten Außenseite zumindest eine ebene Außenfläche (31, 32) aufweist.
  10. Verwendung eines Vorratstanks (10; 10a) für gasförmige Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für mobile oder stationäre Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen oder zur Stromerzeugung.
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