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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung eines Druckgasbehälters mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Vorrichtungen zur Lagerung eines Druckgasbehälters sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Druckgasbehälter können dabei verschiedenartig ausgebildet sein und können insbesondere zur Speicherung von komprimiertem Erdgas oder komprimiertem Wasserstoff, beispielsweise für Fahrzeuganwendungen, dienen. Typischerweise sind die Druckgasspeicher dabei mit einer länglichen zylindrischen Hülle und kuppelförmigen Abschlusselementen an den beiden Enden ausgebildet. Die kuppelförmigen Abschlusselemente an den beiden Enden sind gleichzeitig die Punkte, an denen die Druckgasspeicher gelagert werden. Dies gilt insbesondere für Druckgasspeicher, welche mit einer faserverstärkten Hülle ausgestattet sind, da diese nicht in der Lage ist, große mechanische Kräfte bei der Lagerung des Druckgasbehälters aufzunehmen. Im Allgemeinen ist dabei auf der einen Seite des Druckgasbehälters, und hier ist typischerweise auch die mit dem Druckgasbehälter verbundene Ventileinrichtung angeordnet, ein Festlager vorgesehen. Auf der gegenüberliegenden Seite ist dann ein Loslager angeordnet.
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Die im allgemeinen Stand der Technik eingesetzten Festlager sind typischerweise so ausgebildet, dass sie einen zylindrischen Überstand eines Anschlusselements des Druckgasbehälters, des sogenannten BOSS, zwischen zwei Lagerschalen aufnehmen und klemmen. Auf der dem Druckgasbehälter abgewandten Seite der Lagerschalen ragt dann ein Teil dieses Anschlusselements aus den Lagerschalen heraus. In diesem Bereich wird typischerweise das Ventil angeordnet. Meist ist dies als sogenanntes Tankventil oder On-Tank-Valve (OTV) ausgebildet.
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In der Praxis ist es nun insbesondere beim Einsatz von Druckgasbehältern zur Speicherung von komprimiertem Erdgas oder Wasserstoff als Treibstoff für Fahrzeuge allgemein üblich, diese so innerhalb des Fahrzeugs anzuordnen, dass mehrere der Druckgasbehälter über Tragrahmen aufgenommen sind. Die Tragrahmen selbst sorgen dann dafür, dass im Falle eines Unfalls keine Beeinträchtigung der Tankventile erfolgen kann. Insbesondere wenn diese elektromagnetisch ausgebildet sind, wäre eine mechanische Beeinträchtigung der Spule höchst kritisch, das dies mit einem ungewollten Öffnen des Tankventils einhergehen könnte.
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In der Praxis ist es nun jedoch so, dass nicht in allen Einbausituationen gewährleistet werden kann, dass durch einen Tragrahmen für die Druckgasbehälter oder andere tragende Bauteile des Fahrzeugs ein sicherer und zuverlässiger Schutz für die Tankventile gewährleistet werden kann.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht daher darin, diesem Nachteil abzuhelfen und eine flexible Vorrichtung zur Lagerung eines Druckgasbehälters zu schaffen, welche bei Bedarf in der Lage ist, ein mit dem Druckgasbehälter verbundenes Tankventil zuverlässig zu schützen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist eine besonders bevorzugte Verwendung für die Vorrichtung zur Lagerung im Anspruch 7 angegeben. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung ist es vorgesehen, dass das Festlager auf der dem Druckgasbehälter abgewandten axialen Seite über Distanzelemente beabstandet eine Schutzplatte trägt, wobei im bestimmungsgemäßen Einsatz die Ventileinrichtung zwischen dem Festlager und der Schutzplatte zu liegen kommt. Das Festlager als massives und stabiles Bauteil in der Vorrichtung zur Lagerung eines Druckgasbehälters trägt bei der erfindungsgemäß ausgeführten Vorrichtung also zusätzlich zu seiner Funktionalität als Festlager über die Distanzelemente beabstandet eine Schutzplatte, um die Ventileinrichtung, welche im eingebauten Zustand des Druckgasbehälters zwischen der Schutzplatte und dem Festlager zu liegen kommt, zu schützen. Bei einer Beeinträchtigung durch einen mechanischen Anprall, wie er insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug bei einem Unfall erfolgen kann, muss eine Anprallenergie an der Ventileinrichtung befürchtet werden. Über diese Schutzplatte, welche auch als Schutzschild bezeichnet werden könnte, kann diese Energie aufgenommen und über die Distanzelemente in das Festlager eingetragen werden. Dies hat zur Folge, dass die Kräfte über das Festlager aufgenommen und beispielsweise in einen das Festlager tragenden Rahmen weitergeleitet werden können. Eine unmittelbare Krafteinwirkung auf oder die Ventileinrichtung, eine Kollision von Teilen mit der Ventileinrichtung kann damit im Idealfall vermieden werden. Dieser zusätzliche Schutz für die Ventileinrichtung gewährleistet, dass es in einer solchen Situation nicht zu einer so starken Beeinträchtigung der Ventileinrichtung kommt, dass diese in ihrer Funktion versagt. Besonders kritisch ist dies beispielsweise bei Ventileinrichtungen mit einem elektromagnetischen Aktuator. Wird der Aktuator beschädigt, dann kann es im schlimmsten Fall zu einem Öffnen der Ventileinrichtung kommen. Das komprimierte Gas, beispielsweise komprimierter Wasserstoff, wird dann in die Umgebung abgegeben, was unter Umständen sicherheitskritisch sein kann, beispielsweise im Falle eines Brandes in einem anderen Bereich, in welchen der Wasserstoff oder das Erdgas dann gelangt und schlimmstenfalls zu einer Explosion führt.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Schutzplatte zumindest Aktuatoren der Ventileinrichtung, welche insbesondere bei einer elektromagnetischen Ventileinrichtung eine elektromagnetische Spule umfassen können, aus der axialen Richtung gesehen vollständig verdeckt. Der besonders kritische Teil der Ventileinrichtung, und hierzu gehören in jedem Fall die Aktuatoren, wird also in axialer Richtung des Druckgasbehälters, also bei einem Blick entlang der Achse des Druckgasbehälters und des Festlagers auf den Druckgasbehälter vollständig verdeckt. Aus dieser Richtung kann also eine Beeinträchtigung des Aktuators durch das Schutzschild ausgeschlossen werden.
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Selbstverständlich ist es dabei auch denkbar, dass das Schutzschild nicht ausschließlich senkrecht zur axialen Richtung ausgebildet ist, sondern auch zumindest teilweise in axialer Richtung verläuft, um auch hier einen Schutz zu gewährleisten. Eine ebene Ausrichtung des Schutzschildes senkrecht zur axialen Richtung hat jedoch den Vorteil, dass die Ventileinrichtung und ihre Aktuatoren, beispielsweise zu Wartungszwecken, auch weiterhin prinzipiell zugänglich sind, ohne dass das Schutzschild demontiert werden muss, was hinsichtlich eventueller Servicearbeiten ein entscheidender Vorteil sein kann.
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Die Distanzelemente können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Hülsen ausgebildet sein, welche die Schutzplatte beabstandet zu dem Festlager halten, wobei die Schutzplatte über Schrauben, welche durch diese Hülsen verlaufen, mit dem Festlager verschraubt ist. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient sowohl in der Montage als auch, wenn es gegebenenfalls zur Wartung der Ventileinrichtung notwendig ist, die Schutzplatte zu demontieren. Darüber hinaus kann er ohne große Modifikationen des Festlagers durch das Vorsehen zusätzlicher Gewinde und Flächen zur Abstützung der Hülsen an dem Festlager außerordentlich einfach und effizient konstruiert werden.
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Die besonders bevorzugte Verwendung einer derartigen Vorrichtung liegt wie bereits erwähnt in ihrer Anwendung zur Lagerung eines Druckgasbehälters in einem Fahrzeug. Insbesondere in Fahrzeugen können kritische Situationen, welche zu einer mechanischen Beeinträchtigung des Ventils führen könnten, nie gänzlich ausgeschlossen werden. Es kann beispielsweise zu einem Unfall kommen, in dessen Folge eine mechanische Belastung der Ventileinrichtung auftritt oder in dessen Folge Teile in Richtung der Ventileinrichtung verformt werden und diese entsprechend touchieren und beschädigen können. Ein solches Szenario kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lagerung des Druckgasbehälters mit der Schutzplatte in den allermeisten Fällen ausgeschlossen werden oder im Falle einer extrem starken unfallbedingten Beeinträchtigung zumindest in seiner Auswirkung abgemildert werden.
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Ein so gelagerter Druckgasbehälter eignet sich dabei insbesondere, um größere Mengen an komprimierten Gasen in dem Fahrzeug aufzunehmen, insbesondere komprimiertes Erdgas oder Wasserstoff als Treibstoff für das Fahrzeug. Im Falle der Verwendung des Druckgasbehälters zur Speicherung von Treibstoff in dem Fahrzeug, kann es dabei insbesondere vorgesehen sein, dass in dem Druckgasbehälter komprimierter Wasserstoff gespeichert ist, welcher zur Verwendung als Treibstoff in einem Brennstoffzellensystem dient.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihrer Verwendung ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Druckgasbehälter;
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2 einen Druckgasbehälter mit seiner Vorrichtung zur Lagerung;
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3 zwei Ansichten des Druckgasbehälters gemäß 2 aus der Blickrichtung X in einer Ausführungsvariante gemäß dem Stand der Technik;
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4 zwei Ansichten des Druckgasbehälters gemäß 2 aus der Blickrichtung X in einer Ausführungsvariante gemäß der Erfindung; und
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5 eine dreidimensionale Ansicht einer möglichen Ausführungsform eines Festlagers der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lagerung eines Druckgasbehälters.
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In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 prinzipmäßig angedeutet. Das Fahrzeug 1 kann beispielsweise über einen Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle mit elektrischer Antriebsleistung versorgt werden. Als Treibstoff soll dabei komprimiertes Erdgas oder komprimierter Wasserstoff dienen, welcher in einem mit 2 bezeichneten Tanksystem gespeichert ist. Dieses Tanksystem 2 umfasst typischerweise mehrere Druckgasbehälter 3, von denen hier lediglich einige beispielhaft dargestellt sind. Die Druckgasbehälter 3 sind typischerweise als längliche zylindrische Körper ausgebildet, welche an ihren beiden Enden Anbauteile aufweisen.
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In der Darstellung der 2 ist dies beispielhaft angedeutet. Das in der Darstellung der 2 mit 4 bezeichnete Anbauteil an dem einen Ende des Druckgasbehälters 3 kann zur Aufnahme eines Tankventils 5, welches in der Darstellung der 3 erstmals zu erkennen ist, dienen. Das Anbauelement 4 auf dieser Seite wird häufig auch als BOSS bezeichnet. Auf der gegenüberliegenden Seite des Druckgasbehälters 3 befindet sich im Allgemeinen ebenfalls ein Anbauteil, welches als Endplug bezeichnet wird und in der Darstellung der 2 mit dem Bezugszeichen 6 versehen ist. Der Druckgasbehälter 3 kann insbesondere als sogenannter Typ-IV-Druckgasbehälter ausgebildet sein. Er weist dann als Diffusionsbarriere im Inneren einen sogenannten Liner aus einem Kunststoffmaterial auf, um dem gespeicherten komprimierten Gas einen möglichst hohen Diffusionswiderstand entgegenzusetzen. Zur Aufnahme der mechanischen Kräfte des unter Druck gespeicherten Gases sind in der Hülle eine oder mehrere Schichten aus faserverstärktem Kunststoff um diesen Liner herum angeordnet. Nun ist es typischerweise so, dass im Bereich der Hülle aus faserverstärktem Kunststoff keine sichere und zuverlässige Lagerung möglich ist, über welche der Druckgasbehälter dauerhaft sicher gelagert werden kann, ohne dabei unnötig belastet zu werden. Deshalb sind die Druckgasbehälter typischerweise über eine Vorrichtung zur Lagerung aufgenommen, welche an die Anbauteile 4, 6 angreift. In der Darstellung der 2 ist eine solche Vorrichtung zur Lagerung gezeigt und mit dem Bezugszeichen 7 versehen. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei Lagern. Im Bereich des einen Anbauteils 4 ist dabei in der Darstellung der 2 ein Festlager 8, im Bereich des anderen Anbauteils 6 ein Loslager 9 vorgesehen.
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In der Darstellung der 3, welche einen im Stand der Technik üblichen Aufbau zeigt, ist wiederum der Druckgasbehälter 3, diesmal aus der Sicht Richtung X gemäß der Darstellung in 2, zu sehen. Das Anbauteil 4 ist über das Festlager 8, welches hier aus zwei Lagerhälften 10, 11 besteht, aufgenommen. Ein beispielsweise runder Querschnitt des Anbauteils 4 wird zwischen den Lagerhälften 10, 11 aufgenommen, welche dann über eine angedeutete Verschraubung 12 miteinander verbunden sind. Das Festlager 8 bzw. eine der Lagerhälften 10, 11 ist außerdem mit einem hier nicht dargestellten Tragrahmen verbunden. In der Darstellung der 3b, welche analog zur Darstellung der 3a zu verstehen ist, befindet sich das bereits angesprochene Tankventil 5 im Bereich des Festlagers 8. Typischerweise ist es so, dass auf der einen hier dem Betrachter zugewandten Seite des Festlagers 8 das Tankventil 5 angeordnet ist, auf der anderen hier dem Betrachter abgewandten Seite des Festlagers 8 der Druckgasbehälter 3. Die Ventileinrichtung 5, welche als sogenanntes Tankventil 5 oder OTV (On Tank Valve) ausgebildet sein soll, hat typischerweise mehrere Funktionalitäten. Es weist im Allgemeinen ein Betankungsventil sowie ein beispielsweise thermisch auslösendes Sicherheitsventil auf. Außerdem weist es das eigentliche Entnahmeventil auf, über welches das komprimierte Gas aus dem Druckgasspeicher 3 entnommen werden kann. Insbesondere ist dieses Entnahmeventil als sogenanntes Pilotventil ausgebildet und wird elektromagnetisch angesteuert. Rein beispielhaft ist in der 3b an dem Tankventil 5 eine elektromagnetische Spule 13 als Aktuator für zumindest das Entnahmeventil exemplarisch angedeutet.
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Je nach Einbausituation des Druckgasbehälters 3 bzw. seiner Vorrichtung 7 zur Lagerung in dem Fahrzeug 1 kann der in 3 dargestellte Aufbau, wie er im Stand der Technik üblich ist, ausreichend sein. Dies gilt immer dann, wenn durch den Tragrahmen des Tanksystems 2 oder durch andere gegenüber diesem Tragrahmen fest verbauten Teilen ein ausreichender Schutz des Tankventils 5 als Ventileinrichtung 5 im Falle eines Unfalls gewährleistet ist. Im Allgemeinen ist dies jedoch zumindest bei einigen der verbauten Druckgasbehälter 3 nicht der Fall. Für diese Fälle ist daher eine Ausgestaltung der Vorrichtung 7 zur Lagerung des Druckgasbehälters 3 in der in den 4 und 5 beschriebenen Art und Weise angedacht. Die Darstellung in 4a zeigt dabei einen Aufbau, welcher im Wesentlichen analog zum Aufbau in der Darstellung der 3b zu verstehen ist. Auch hier ist der Druckgasbehälter 3 sowie das Festlager 8 mit seinen beiden Lagerschalen 10, 11, welche über die Verschraubung 12 miteinander verschraubt sind, zu sehen. Außerdem ist die Ventileinrichtung 5 mit der Spule 13 als Aktuator zu erkennen und bereits auf dem hier verdeckten Anbauteil 4 des Druckgasbehälters 3 montiert. Die beiden Lagerschalen 10, 11 des Festlagers 8 sind geringfügig modifiziert und mit Gewindebohrungen 14 versehen, wobei zwei der Gewindebohrungen 14 in der unteren Lagerschale 10 und zwei weitere in der oberen Lagerschale 11 angeordnet sind.
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In der Darstellung der 4b ist dieselbe Ansicht nochmals gezeigt. Über in der 5 erkennbare Hülsen 15 als Distanzelemente und Schrauben 16 ist eine Schutzplatte 17 über die Gewindebohrungen 14 mit dem Festlager 8 fest verbunden. Sie deckt aus der axialen Richtung, welche der Blickrichtung X entspricht, die Ventileinrichtung 5 weitgehend ab und überdeckt zumindest die Spule 13 als Aktuator der Ventileinrichtung 5. Aus der dreidimensionalen Darstellung des Festlagers 8 mit der Schutzplatte 17 in 5 ist dies nochmals detailliert zu erkennen. Über die Hülsen 15 als Distanzelemente ist die Schutzplatte 17 beabstandet von dem Festlager 8 angeordnet und dabei fest mit den Lagerschalen 10, 11 verbunden. Typischerweise wird die Schutzplatte 17 erst nach dem Verschrauben der beiden Lagerschalen 10, 11 und der Montage der Ventileinrichtung 5 miteinander montiert, sodass die Darstellung in der 5 rein beispielhaft zu verstehen ist. In dem sich zwischen dem Festlager 8 und der Schutzplatte 17 ausbildenden Zwischenraum kommt dann im montierten Zustand des Druckgasbehälters 3 die Ventileinrichtung 5 zu liegen und wird im Falle einer mechanischen Beeinträchtigung, wie sie beispielsweise durch die Einwirkung eines Unfalls erfolgen kann, durch die Schutzplatte 17 geschützt. Diese stellt also eine Art Schutzschild für die Ventileinrichtung 5, und insbesondere für deren Spule 13 als Aktuator dar.
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Als einzige Modifikation sind dabei die Gewindebohrungen 14 in den beiden Lagerschalen 10, 11 des Festlagers 8 vorzusehen, wobei bei Bedarf, so wie es in der Darstellung der 4 gegenüber der Darstellung in der 3 zu erkennen ist, die Formgebung der Lagerschalen 10, 11 gegebenenfalls angepasst werden kann oder sollte.
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Die in der Darstellung der 5 gezeigte Anzahl von vier Schrauben 16 ist dabei ein guter Kompromiss zwischen der Stabilität und dem benötigten Bauraum bzw. dem benötigten Gewicht. Zwar wäre grundsätzlich auch über drei Schrauben 16 eine statisch bestimmte Lagerung der Schutzplatte 17 an dem Festlager 8 denkbar. Diese wäre jedoch hinsichtlich eines Verkippens im Falle einer äußeren Krafteinwirkung, beispielsweise während eines Unfalls, kritischer, sodass wenigstens zwei der Schrauben 16 im Bereich der oberen Lagerschale 11 und wenigstens zwei der Schrauben 16 im Bereich der unteren Lagerschale 10 die mechanische Stabilität verbessern.
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Die Schutzplatte 17 ist dabei, wie es in der Darstellung der 5 prinzipmäßig angedeutet ist, an ihrer dem Druckgasbehälter 3 abgewandten Oberfläche mit einer seitlichen Fase 18 versehen. Diese Fase 18 dient einerseits dazu, die Kante so auszubilden, dass eine Verletzungsgefahr, welche von der Schutzplatte 17 beispielsweise bei der Montage ausgehen könnte, minimiert wird. Andererseits wird durch die Fase 18 an der Kante ein Ablenken von eventuell in den Bereich der Schutzplatte 17 bewegten Bauteilen im Falle eines Unfalls begünstigt, sodass die Fase 18 zusätzlich zur Schutzwirkung der Schutzplatte 17 beiträgt.
