DE102015014611A1 - Druckgasbehälter mit einer Hülle - Google Patents

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Ulli Kunstfeld
Eduard Kessler
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter (1) mit einer Hülle (2), die zumindest eine Schicht aus faserverstärktem Material umfasst, und mit Anbauteilen (3) an zwei gegenüberliegenden Bereichen der Hülle (2), welche über eine Zugstange oder über ein Zugrohr (5) mit Öffnungen in der Rohrwand (6) miteinander verbunden sind. Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) an zwei axial gegenüberliegenden Bereichen Öffnungen (4) aufweist, wobei die Anbauteile (3) im Bereich der Öffnungen (4) von außen auf die Hülle (2) aufgesetzt sind und über die Öffnungen (4) zumindest teilweise in die Hülle (2) ragen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckgasbehälter mit einer Hülle, die zumindest eine Schicht aus faserverstärktem Material umfasst, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • Druckgasbehälter mit einer Hülle, die zumindest eine Schicht aus faserverstärktem Material umfasst, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Druckgasbehälter, welche insbesondere mit einem sogenannten Liner aus Kunststoff oder Metall ausgebildet sein können, welcher von einer faserverstärkten Kunststoffschicht zur Erhöhung der Stabilität umgeben ist, werden insbesondere zur Speicherung von komprimierten Erdgas oder komprimiertem Wasserstoff, beispielsweise zu Verwendung als Treibstoff in einem Fahrzeug eingesetzt.
  • Ein gattungsgemäßer Druckgasbehälter ist dabei aus der US 5,758,796 A bekannt. Bei diesem Druckgasbehälter ist es so, dass er, wie es bei Druckgasbehältern allgemein bekannt und üblich ist, Anbauteile aufweist, welche typischerweise an den beiden axial gegenüberliegenden Enden des Druckgasbehälters bzw. seiner Hülle angeordnet sind. Um die Kraftübertragung nicht ausschließlich über die Hülle bewerkstelligen zu müssen, ist es in der genannten gattungsgemäßen Patentschrift vorgesehen, dass eine Zugstange oder ein perforiertes Zugrohr die beiden Anbauteile miteinander verbindet. Nachdem die Anbauteile miteinander verbunden sind, wird anschließend eine Hülle, im dargestellten Ausführungsbeispiel aus mehreren diskreten Schichten, aufgebaut und dabei so um entsprechende Ausnehmungen und Vorsprünge der Anbauteile gelegt, dass diese mechanisch fest mit der Hülle verbunden sind und somit ein Teil der Zugkräfte zwischen den Anbauteilen auch über die Hülle übertragen werden kann. Außerdem ermöglicht dies die Abdichtung zwischen dem Material der Anbauteile, typischerweise Metall, und der Hülle, beispielsweise faserverstärkter Kunststoff.
  • Der Nachteil bei diesem Aufbau besteht, wie auch bei vergleichbaren Aufbauten ohne die Zugstange, darin, dass die Anbauteile fest mit der Hülle integriert sein müssen. Dies macht den Herstellungsprozess entsprechend aufwändig, da zuerst die Anbauteile entsprechend positioniert und gegebenenfalls in eine vordefinierte Winkellage zueinander gebracht werden müssen. Anschließend wird dann die Hülle in einen oder, wie in der gattungsgemäßen Schrift beschrieben, in mehreren Schichten um die miteinander verbundenen Anbauteile herum aufgebracht, was die Herstellung entsprechend aufwändig, komplex und teuer macht.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Druckgasbehälter anzugeben, welcher den gattungsgemäßen Behälter weiterbildet und dabei die genannten Nachteile vermeidet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Druckgasbehälter mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 7 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung für einen derartigen Druckgasbehälter angegeben.
  • Ähnlich wie bei dem Druckgasbehälter in der gattungsgemäßen US-Schrift ist es auch bei dem Druckgasbehälter gemäß der Erfindung vorgesehen, dass eine Zugstange oder ein Zugrohr mit Öffnungen in der Rohrwand zwei Anbauteile an axial gegenüberliegenden Bereichen der Hülle miteinander verbindet. Anders als bei dem Druckgasbehälter im Stand der Technik ist es bei dem erfindungsgemäßen Druckgasbehälter nun jedoch vorgesehen, dass die Hülle an zwei axial gegenüberliegenden Bereichen Öffnungen aufweist und dass die Anbauteile von außen im Bereich der Öffnungen auf die Hülle aufgesetzt und über das Zugrohr bzw. die Zugstange miteinander verbunden sind. In dem Aufbau des erfindungsgemäßen Druckgasbehälters findet also keine bauliche Integration der Anbauteile in die Hülle des Druckgasbehälters statt. Vielmehr kann die Hülle unabhängig von den Anbauteilen ausgeführt werden. Dies ist hinsichtlich der Herstellung der Hülle von entscheidendem Vorteil. Durch die Öffnungen an den axialen Enden der Hülle wird dann ein beispielsweise mit einem Zugrohr verbundenes Anbauteil eingesetzt und ragt teilweise in die Öffnung. Von der gegenüberliegenden Seite wird durch die dort liegende Öffnung das andere Anbauteil eingesetzt und beispielsweise mit dem Zugrohr verschraubt. Die beiden Anbauteile lassen sich also nachträglich auf der Hülle montieren. Sie können dementsprechend auch außerordentlich einfach wieder von der Hülle entfernt werden, beispielsweise zu Wartungszwecken, für einen Austausch, ein Recycling der Hülle oder dergleichen. Dies stellt einen weiteren erheblichen Vorteil des Druckgasbehälters gemäß der Erfindung gegenüber dem gattungsgemäßen Aufbau dar.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Anbauteile im montierten Zustand über Bünde an den die Öffnungen umgebenden Bereichen der Hülle außen anliegen. Über solche umlaufenden Bünde an den Anbauteilen kann eine Anlage der Anbauteile an der Hülle realisiert werden. Die Anbauteile sind dabei durch das Innere der Hülle hindurch über eine Zugstange oder besonders bevorzugt über ein Zugrohr, welches einzelne Öffnungen in der Rohrwandung aufweist, miteinander verbunden. Das einströmende und abströmende Gas kann dann durch das Zugrohr in den Bereich der Anbauteile gelangen und von dort beispielsweise in ein mit dem Anbauteil verschraubtes Ventil. Die Anlage der Hülle an den Bünden der Anbauteile ermöglicht eine sichere und zuverlässige mechanische Anlage einerseits und erlaubt eine sehr gute Abdichtung andererseits. Typischerweise wird die Elastizität der Hülle nämlich etwas größer sein als die des Zugrohrs bzw. Zugankers. Wird der Druckgasbehälter nun mit Gas befüllt, welches unter einem entsprechend hohen Druck steht, beispielsweise Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa, dann weitet sich die Hülle etwas auf und wird dadurch in axialer Richtung länger und drückt sich so gegen die Bünde der Anbauteile. Hierdurch wird eine sehr gute Abdichtung erzielt. Gleichzeitig kann bei entleertem Druckgasbehälter eine einfache Demontage der Anbauteile erfolgen. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn beispielsweise im Rahmen der Montage eines Ventils oder dergleichen eines der Anbauteile beschädigt wird, beispielsweise im Bereich seines Gewindes. Früher hätte der gesamte Druckgasbehälter ausgetauscht werden müssen. Bei dem erfindungsgemäß aufgebauten Druckgasbehälter reicht es nun aus, das beschädigte Anbauteil zu entfernen und durch ein neues zu ersetzen, um so den Druckgasbehälter in seiner Gesamtheit weiter verwenden zu können.
  • Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass zwischen zumindest einem der Anbauteile und der Hülle axiale Dichtelemente vorgesehen sind, welche zwischen dem Anbauteil und der äußeren Oberfläche der Hülle liegen. Insbesondere bei der Ausgestaltung des oder der Anbauteile mit einem Bund können die axialen Dichtelemente beispielsweise in Form von einem oder mehreren Dichtringen in den Bund integriert werden. Die Hülle wird dann in der oben beschriebenen Art und Weise gegen den Bund und damit gegen das Dichtelement gedrückt und sorgt so für eine ideale Abdichtung. Ergänzend oder alternativ dazu ist es auch denkbar, zwischen wenigstens einem der Anbauteile und der Hülle radiale Dichtelemente vorzusehen. Solche radialen Dichtelemente wären dann im Bereich der Öffnung zwischen dem durch die Öffnung ragenden Teil der Anbauteils und der Hülle angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Hülle einstückig ausgebildet ist. Eine solche einstückig ausgebildete Hülle, welche auch als linerlose Hülle bezeichnet werden könnte, ist insbesondere aus der älteren nicht vorveröffentlichten DE 10 2014 016 023.8 der Anmelderin bekannt und kann besonders vorteilhaft für den erfindungsgemäßen Druckgasbehälter gemäß dieser Weiterbildung eingesetzt werden.
  • Der erfindungsgemäße Druckgasbehälter ist entsprechend einfach und effizient in seinem Aufbau und in der Montage. Er ist darüber hinaus durch die Möglichkeit, die Hülle einstückig oder mit Liner aus Kunststoff auszubilden und mit leichten Fasern wie beispielsweise Kohlefasern oder ähnlichem zu verstärken, außerordentlich leicht. Er kann außerdem auf große aufwändige Dome aus Metall, welche bei den herkömmlichen Aufbauten unterhalb der Hülle liegen, verzichten. Dieser einfache, leichte und besonders sichere Aufbau prädestiniert den Druckgasbehälter gemäß der Erfindung nun insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug. Seine bevorzugte Verwendung ist daher der Einsatz zur Speicherung von komprimiertem Erdgas oder besonders bevorzugt komprimiertem Wasserstoff, zur Treibstoffversorgung in einem Fahrzeug.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine mögliche Ausgestaltung eines Druckgasbehälters gemäß der Erfindung; und
  • 2 eine erste Ausgestaltung eines Details X des Druckgasbehälters gemäß der Erfindung; und
  • 3 eine zweite Ausgestaltung eines Details X des Druckgasbehälters gemäß der Erfindung.
  • In der Darstellung der 1 ist ein Druckgasbehälter 1 zu erkennen. Dieser soll mit einer einstückigen Hülle 2 ausgebildet sein. Die Hülle kann dabei insbesondere so ausgebildet sein, wie es in der älteren nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 016 023.8 der Anmelderin beschrieben ist. Eine Ausgestaltung mit einem Innenliner und entsprechender Verstärkungshülle, also die Ausgestaltung als sogenannter Typ-4-Behälter wäre jedoch ebenso denkbar.
  • Die Hülle 2 lässt sich unabhängig von späteren Anbauteilen, welche in der Darstellung der 1 mit 3 bezeichnet sind, ausführen. So kann die Hülle 2 beispielsweise einteilig aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt werden, wobei durch eine Veränderung der Matrixmaterialien eine hohe Dichtwirkung an der Innenoberfläche erzielt und eine sehr gute mechanische Belastbarkeit an der Oberfläche erzielt werden kann. In einer mit a bezeichneten axialen Richtung des Druckgasbehälters 1 sind an den gegenüberliegenden Enden Öffnungen 4 vorgesehen, welche beispielsweise bei der Herstellung der Hülle 2 in diese mit eingebracht werden. In der Darstellung der 1 befindet sich nun im Inneren des Druckgasbehälters 1 bzw. der Hülle 2 ein Zugrohr 5, welches Öffnungen 6 aufweist, um mit dem Innenvolumen des Druckgasbehälters 1 in fluidischer Verbindung zu stehen. Das Zugrohr 5 lässt sich dabei durch die Öffnungen 4 oder zumindest eine der Öffnungen 4 in das Innere der Hülle 2 einschieben. Es kann dabei insbesondere bereits mit einem der Anbauteile 3 fest oder durch Verschraubung verbunden sein. Nachdem das Anbauteil 3 und das Zugrohr eingeschoben sind, wird am gegenüberliegenden axialen Ende der Hülle 2 das andere Anbauteil 3 entsprechend mit dem Zugrohr 5 verbunden, beispielsweise verschraubt.
  • Beide Anbauteile weisen dabei, wie es in dem vergrößerten Ausschnitt X der 2 zu erkennen ist, einen in Richtung der äußeren Oberfläche der Hülle 2 gerichteten über die Öffnung 4 überstehenden mit 7 bezeichneten Bund auf. Dieser Bund liegt an der mit 8 bezeichneten äußeren Oberfläche der Hülle 2 um die Öffnung 4 herum an. Durch ein Verschrauben des Anbauteils 3 mit dem Zugrohr 5 wird eine entsprechender Zug auf die beiden Anbauteile 3 aufgebracht, sodass diese dichtend gegen die äußere Oberfläche 8 der Hülle 2 gezogen werden können. In der Darstellung der 2 ist dabei der Einsatz von radialen Dichtelementen im Bereich der Öffnung 4 zu erkennen, welche zwischen dem Material des Anbauteils 3 und den Wandungen der insbesondere zylinderförmigen Öffnung 4 liegen. Die radialen Dichtelemente in Form eines Dichtrings sind in der Darstellung der 2 mit 9 bezeichnet.
  • Bei den Anbauteilen 3 kann es sich beispielsweise um einen Endplug und um eine Aufnahme für ein Tankventil, ein sogenanntes OTV (On Tank Valve) handeln. Es können auch beide Elemente mit entsprechenden Aufnahmen beispielsweise für thermisch auslösende Sicherheitsventile oder ähnlichem ausgerüstet sein. Über das Innere des Zugrohrs 5 und die Öffnungen 6 stehen diese dann mit dem Innenvolumen der Hülle 2 in Verbindung und können zur Betankung des Druckgasbehälters 1 mit Gas oder zur Entnahme des Gases verwendet werden.
  • Die Anbauteile 3 lassen sich dabei außerordentlich einfach, effizient und klein realisieren. Außerdem lassen sie sich nach der Herstellung der Hülle 2 montieren und bei Bedarf auch wieder demontieren, was mit den bisherigen vergleichsweise großen und aufwändigen Anbauteilen, welche im Inneren des Druckgasbehälters über entsprechende Gegenelemente zur sicheren Fixierung und Abdichtung verfügen müssen, nicht zu realisieren ist.
  • Eine alternative Ausführungsform ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Die 2 entspricht dabei weitgehend der Darstellung in 2. Der Unterschied besteht darin, dass das Zugrohr 5 hier durch die Öffnungen 4 der Hülle 2 weitgehend hindurchragt und dass zur Abdichtung axiale Dichtelemente, wiederum in Form eines hier mit 10 bezeichneten Dichtrings, vorgesehen sind. Diese axialen Dichtelemente 10 haben den zusätzlichen Vorteil, dass die Hülle 2 bei der Betankung mit Gas sich entsprechend aufweitet und damit gegen die der Hülle 2 zugewandten Fläche des Bundes 7 gedrückt wird. Durch die Anordnung der axialen Dichtelemente in Form des Dichtrings 10 analog zur Darstellung in 2 wird so die Abdichtung nochmals weiter verbessert und insbesondere durch die Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Druckgasbehälters 1 und der Umgebung beeinflusst. Man kann in diesem Zusammenhang auch von einer Druckaktivierung der Abdichtung reden.
  • Selbstverständlich lassen sich die Ausgestaltungen der 2 und 3 untereinander kombinieren, sodass beispielsweise im einen Bereich eine axiale und im gegenüberliegenden Bereich eine radiale Abdichtung vorgesehen werden kann. Ferner ist es denkbar, in einem oder beiden Bereichen eine Kombination aus axialer und radialer Abdichtung vorzusehen.
  • Der Druckgasbehälter 1, egal ob gemäß der Ausführung nach 2 oder 3 oder einer Kombination hiervon, ist nun außerordentlich einfach und effizient in der Montage. Er ist damit entsprechend kostengünstig in der Herstellung und erlaubt darüber hinaus eine Demontage beispielsweise zu Wartungszwecken oder für das Recycling. All dies sind entscheidende Vorteile für Anwendungen mit entsprechend hohen Stückzahlen. Darüber hinaus ist der Aufbau durch eine vergleichsweise kleine Ausgestaltung der Anbauteile entsprechend leicht und ressourcenschonend. All dies prädestiniert den Aufbau für den Einsatz in einem Fahrzeug, in welchem komprimiertes Erdgas oder insbesondere Wasserstoff in dem Druckgasbehälter 1 gespeichert werden kann, um dann als Brennstoff für das Fahrzeug zur Verfügung zu stehen.
  • 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
    • US 5758796 A [0003]
    • DE 102014016023 [0010, 0017]

Claims (7)

  1. Druckgasbehälter (1) mit einer Hülle (2), die zumindest eine Schicht aus faserverstärktem Material umfasst, und mit Anbauteilen (3) an zwei gegenüberliegenden Bereichen der Hülle (2), welche über eine Zugstange oder über ein Zugrohr (5) mit Öffnungen in der Rohrwand (6) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) an zwei axial gegenüberliegenden Bereichen Öffnungen (4) aufweist, wobei die Anbauteile (3) im Bereich der Öffnungen (4) von außen auf die Hülle (2) aufgesetzt sind und über die Öffnungen (4) zumindest teilweise in die Hülle (2) ragen.
  2. Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbauteile (3) im montierten Zustand über Bünde (7) an den die Öffnungen (4) umgebenden Bereichen der Hülle (2) von außen anliegen.
  3. Druckgasbehälter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Anbauteile (3) mit der Zugstange oder dem Zugrohr (5) verschraubt ausgebildet ist.
  4. Druckgasbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einem der Anbauteile (3) und der Hülle (2) axiale Dichtelemente (Dichtring 9) vorgesehen sind.
  5. Druckgasbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einem der Anbauteile (3) und der Hülle (2) radiale Dichtelemente (Dichtring 10) vorgesehen sind.
  6. Druckgasbehälter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (2) einstückig, insbesondere mit sich über die Dicke der Hülle (2) veränderndem Matrixmaterial, ausgebildet ist.
  7. Verwendung eines Druckgasbehälters (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur Speicherung von komprimiertem Erdgas oder komprimiertem Wasserstoff, welcher in einem Fahrzeug als Brennstoff mitgeführt wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020234102A1 (de) * 2019-05-17 2020-11-26 Unicorn Energy GmbH Austauschbare kartusche, kartuschen-system und verfahren zum verbinden von kartuschen

Citations (2)

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US5758796A (en) 1995-07-25 1998-06-02 Toyoda Gosei Co., Ltd. Pressure vessel
DE102014016023B3 (de) 2014-10-29 2016-03-24 Daimler Ag Druckgasbehälter

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