DE102015016319A1

DE102015016319A1 - Hochdruckleitung

Info

Publication number: DE102015016319A1
Application number: DE102015016319.1A
Authority: DE
Inventors: Peter WISSHAK; Wolfgang Schmid; Jonas Wessels
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckleitung (5) mit einem Leitungselement (9), welches im Bereich seiner zwei Leitungsenden jeweils offen ist. Die erfindungsgemäße Hochdruckleitung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leitungsenden parallel zueinander verlaufen. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass diese Hochdruckleitungen (5) bei der Vormontage nur locker mit hochdruckführenden Bauteilen (3, 4, 6, 7, 8) verbunden werden, wonach im endmontierten Zustand die lockeren Verbindungen festgezogen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochdruckleitung sowie ein Verfahren zur Montage von hochdruckführenden Bauteilen in einem Fahrzeug.
Hochdruckleitungen, insbesondere in Tanksystemen zur Speicherung von komprimiertem Gas in einem Fahrzeug, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Ebenso sind Verfahren zur Montage derartiger Hochdruckleitungen und hochdruckführender Bauteile in einem Fahrzeug aus dem Stand der Technik bekannt. Unter Hochdruck ist dabei im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ein Druck zu verstehen, welcher als Nenndruck wenigstens 25 MPa, insbesondere 70 MPa, umfasst. Die Hauptanwendung ist dabei in Tanksystemen für komprimiertes Erdgas oder insbesondere für komprimierten Wasserstoff zu sehen.
Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen und hier vor allem in Tanksystemen für unter Hochdruck stehende komprimierte Gase ist es allgemein üblich, dass Hochdruckleitungen über längere Strecken verlegt werden müssen. Beispielsweise vom Tankeinfüllstutzen zum Tanksystem, bei mehreren einzelnen Druckgasbehältern in dem Tanksystem zwischen den Tankventilen und einer Aufbereitung/Weiterverarbeitung für das Gas, beispielsweise in Form eines Druckminderes oder Gassammlers. Durch diese Notwendigkeit bilden sich hinsichtlich der Hochdruckleitungen lange Toleranzketten, welche beim Einsatz in einem Fahrzeug auch die Toleranzen des Rohbaus des Fahrzeugs einschließen. Nun ist es so, dass insbesondere im Fahrzeugrohbau typischerweise vergleichsweise große Toleranzen auftreten, welche dann bei der Montage des Tanksystems in das Fahrzeug über die Hochdruckleitungen kompensiert werden müssen. Insbesondere Hochdruckleitungen in Brennstoffzellensystemen, welche auf einen Nenndruck von 70 MPa und einen Berstdruck von typischerweise 175 MPa ausgelegt sind, haben eine vergleichsweise hohe Wandstärke und sind aus metallischem Material ausgebildet. Sie weisen daher bauartbedingt eine geringe Flexibilität auf und können die oben beschriebenen Toleranzen damit nur eingeschränkt ausgleichen. Eine Verspannung der Leitungen bei der Montage ist nach Möglichkeit zu vermeiden, da dies einerseits zu einer hohen mechanischen Belastung der Hochdruckleitungen führt und andererseits Undichtheiten verursacht bzw. im Laufe des Betriebs verursachen kann. All dies ist unerwünscht und kann im Falle einer undichten Stelle auch hinsichtlich der Betriebssicherheit kritisch sein.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, in metallischen Hochdruckleitungen durch sogenannte Wellbälge eine höhere Flexibilität zu erzielen, um Toleranzen auszugleichen. Solche Wellbälge haben jedoch den gravierenden Nachteil, dass sie sich bei der Beaufschlagung mit Druck ausdehnen und sich damit insbesondere in axialer Richtung längen. Dies ist höchst unerwünscht und kann zu weiteren Ungenauigkeiten führen, welche letztlich ebenfalls im schlimmsten Fall Undichtheiten zur Folge haben können. Ein weiterer Nachteil der Wellbälge besteht darin, dass diese nur eine sehr stark begrenzte Torsionsfestigkeit aufweisen. Ein Verdrehen der Leitung, beispielsweise während der Montage, kann somit sehr leicht zu einem Versagen des Wellbalgs führen, was eine aufwändige Nacharbeit erforderlich macht, oder falls es unerkannt bleibt, wiederum zu unerwünschten und sicherheitskritischen Undichtheiten führen kann. Insbesondere gilt dies, wenn der Wellbalg bei der Montage vorgeschädigt wird und dann durch Vibrationen, welche beim Betrieb in einem Fahrzeug typischerweise nicht zu vermeiden sind, erst im laufenden Betrieb mechanisch versagt und bricht.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Hochdruckleitung, insbesondere für ein Tanksystem zur Speicherung von Gasen unter hohem Druck, anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Montageverfahren anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Hochdruckleitung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren zur Montage von hochdruckführenden Bauteilen in einem Fahrzeug unter Verwendung einer derartigen Hochdruckleitung die Aufgabe. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen aus den abhängigen Ansprüchen. Ferner ist im Anspruch 8 eine besonders bevorzugte Verwendung der Hochdruckleitung und/oder des Verfahrens angegeben. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen aus den abhängigen Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Hochdruckleitung, welche insbesondere für ein Tanksystem zur Speicherung von Gas unter hohem Druck geeignet ist, ist es vorgesehen, dass das Leitungselement, welches die Hochdruckleitung ausbildet, im Bereich seiner zwei Enden offen ist, wobei die beiden Leitungsenden parallel zueinander verlaufen. Ein solcher paralleler Verlauf der beiden Leitungsenden, wobei dieser in Durchströmungsrichtung des Leitungselements sowohl parallel als auch antiparallel ausgestaltet sein kann, ermöglicht eine gewisse Flexibilität des Leitungselements, insbesondere auch wenn dieses gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee aus metallischem Material ausgebildet ist.
Der Aufbau kann dabei beispielsweise U-förmig sein oder auch über mehrere Ebenen hinweg gestaltet werden, sodass er in der Projektion U-förmig ist. Darüber hinaus ist auch ein Aufbau in der Form eines Z oder S denkbar. Ferner müssen die Leitungsenden nicht im gleichen Bereich bzw. in der gleichen Ebene enden, sodass ein Aufbau in der Art eines J oder ähnliches ebenso denkbar ist. Die parallele Anordnung der Leitungsenden hinsichtlich der Durchströmungsrichtung des Leitungselements parallel oder antiparallel zueinander ermöglicht eine gewisse Flexibilität, da sich die Leitungen nun je nach Ausgestaltung als U- oder S-förmiger Verlauf mit einer gewissen Flexibilität gegeneinander bewegen können. Dies lässt sich insbesondere auch dann erzielen, wenn das Leitungselement, wie es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen ist, aus metallischem Material ausgebildet ist.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass die Leitungsenden zur selben Seite hin offen sind. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht einen besonders flexiblen Aufbau, da die Ausgestaltung nun zumindest in der Projektion auf eine Ebene in der Art eines U oder J ausgebildet ist. Die Leitungsenden befinden sich also hinsichtlich der Durchströmungsrichtung des Leitungselements parallel zueinander und sind zur gleichen Seite hin offen. Insbesondere diese Ausgestaltung ermöglicht eine hohe Flexibilität, sodass über das Leitungselement der erfindungsgemäßen Hochdruckleitung ein gewisser Toleranzausgleich trotz des typischerweise für das Leitungselement eingesetzten sehr stabilen Materials möglich ist.
Die Leitungselemente weisen dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee Verbindungselemente im Bereich der Leitungsenden auf. Solche Verbindungselemente können insbesondere durch eine geeignete Ausgestaltung der Leitungsenden sowie das Vorsehen beispielsweise einer Überwurfmutter oder dergleichen realisiert werden. In diesem Zusammenhang kann bezüglich der möglichen Ausgestaltung der Leitungsenden und der Verbindungselemente auf die ältere nicht vorveröffentlichte DE 10 2014 016 975 A1 verwiesen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage von hochdruckführenden Bauteilen in einem Fahrzeug sieht es nun vor, dass zuerst eine Verbindung der hochdruckführenden Bauteile mit einer Hochdruckleitung gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen erfolgt. Die Hochdruckleitung wird dabei nur locker mit den hochdruckführenden Bauteilen verbunden. Beispielsweise, wenn entsprechende Verbindungselemente vorhanden sind, werden diese locker angelegt und beispielsweise mit Überwurfmuttern von Hand angeschraubt. Nach dieser Vormontage mit lockerer Hochdruckleitung erfolgt dann eine Montage der vorverbundenen hochdruckführenden Bauteile in dem Fahrzeug. Erst danach werden die lockeren Verbindungen zwischen den hochdruckführenden Bauteilen und der Hochdruckleitung festgezogen. Eventuelle Toleranzen, welche bei der Endmontage in dem Fahrzeug auf die Position der hochdruckführenden Bauteile, beispielsweise Druckgasbehälter, Ventileinrichtungen, Gassammler und ähnliches, einwirken, können sich so auf eine Verformung der Hochdruckleitung im Rahmen ihrer elastischen Verformbarkeit auswirken. Die Verbindungsstellen, welche hinsichtlich der Dichtheit kritisch sind, sind zu diesem Zeitpunkt nur locker zusammengesteckt oder durch ein lockeres Anschrauben von Überwurfmuttern zusammengehalten, wie dies gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen sein kann. Erst danach erfolgt dann ein Festziehen der Verbindungen, um diese in den gewünschten dichtenden Eingriff zu bringen. Eventuelle Toleranzen sind zu diesem Zeitpunkt bereits durch eine elastische Verformung der Leitungen ausgeglichen, sodass beim Festziehen der Verbindungen, was gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung insbesondere durch ein Anziehen von Überwurfmuttern mit einem vorgegebenen Drehmoment erfolgen kann, keine weitere Verformung oder Beeinträchtigung des Aufbaus aufgrund der bei der Montage zu berücksichtigenden Toleranzen mehr auftritt. Vielmehr kann mit den erfindungsgemäß ausgestalteten Hochdruckleitungen so eine zuverlässige und sichere Montage erfolgen, welche eine gute Dichtheit des Systems, auch über eine längere Betriebsdauer hinweg, gewährleistet.
Der Aufbau eignet sich nun insbesondere zum Verbinden von Druckgasbehältern, Ventilen, Sammlern und/oder Druckminderen in einem Tanksystem. Insbesondere kann dieses Tanksystem zur Speicherung von komprimiertem Gas in einem Fahrzeug Verwendung finden, ganz besonders bevorzugt zur Speicherung von Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere bei einer derartigen Anwendung ist aufgrund der sehr hohen Drücke und der damit einhergehenden Notwendigkeit, die Hochdruckleitung entsprechend stabil auszuführen, die oben beschriebene Problematik besonders kritisch ist. Außerdem ist eine Abdichtung bei wasserstoffführenden Bauteilen ohnehin kritisch, da Wasserstoff prinzipbedingt sehr stark zur Diffusion neigt und eine Abdichtung immer schwierig ist und damit außerordentlich zuverlässig erfolgen muss. Mit den erfindungsgemäßen Hochdruckleitungen und dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich dies jedoch ideal realisieren, sodass hier der bevorzugte Einsatz für die erfindungsgemäße Hochdruckleitung und/oder das Verfahren liegt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Hochdruckleitung, des Verfahrens und der Verwendung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Tanksystem; und
2 eine Prinzipdarstellung des Tanksystems mit erfindungsgemäßen Hochdruckleitungen zur Verbindung der Druckgasbehälter und eines Gassammlers.
In der Darstellung der 1 ist prinzipmäßig ein Fahrzeug 1 angedeutet. Dieses Fahrzeug 1 soll ein Tanksystem 2, beispielsweise zur Speicherung von Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa für ein Brennstoffzellensystem in dem Fahrzeug 1 aufweisen. Das Tanksystem 2 umfasst dabei mehrere einzelne Druckgasbehälter, von denen in der Darstellung der 1 drei beispielhaft angedeutet und mit dem Bezugszeichen 3 versehen sind. Jeder einzelne der Druckgasbehälter 3 weist dabei ein sogenanntes Tankventil 4 auf, über welches ein Anschluss des Druckgasbehälters 3 möglich ist.
In der Darstellung der 2 ist ein möglicher Aufbau des Tanksystems 2 nochmals in einer Draufsicht detaillierter dargestellt. Das Tanksystem 2 soll dabei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel vier einzelne Druckgasbehälter 3 umfassen, welche je nach verfügbarem Bauraum auch unterschiedlich geformt und/oder hinsichtlich ihres Volumeninhalts unterschiedlich ausgebildet sein können. Dies erfolgt im Allgemeinen so, dass der zur Verfügung stehende Bauraum in dem Fahrzeug 1 ideal ausgenutzt wird, um eine möglichst große Menge an Gas speichern zu können. In dem Ausführungsbeispiel der 2 sind drei der Druckgasbehälter 3 dabei senkrecht angeordnet. Sie können beispielsweise quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 verbaut sein. Ein weiterer in seinem Volumen und seiner Ausdehnung etwas kleinerer Druckgasbehälter 3 ist senkrecht dazu, beispielsweise in Fahrtrichtung des Fahrzeug 1, angeordnet. Jeder der Druckgasbehälter 3 weist ein Tankventil 4 auf. Diese Tankventile 4 sind allesamt über mit 5 bezeichnete Hochdruckleitungen mit einem Gassammler 6 verbunden. Ein solcher Gassammler kann beispielsweise in der Art ausgestaltet sein, in der er in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2014 016 962 A1 der Anmelderin beschrieben ist. Über zwei weitere Hochdruckleitungen 5 ist dieser Sammler 6 mit einem mit 7 bezeichneten Druckminderer einerseits und einem mit 8 bezeichneten Tankstutzen andererseits verbunden. Die Funktionalität des Tanksystems 2 ist dabei so, dass über den Tankstutzen 8 eine Betankung des Tanksystems 2 mit dem komprimierten Gas unter Hochdruck erfolgt. Dabei kann ein geeignetes hier nicht dargestelltes Tankventil bzw. Rückschlagventil vorgesehen sein. Das Gas wird dann auf die einzelnen Druckgasbehälter 3 verteilt, idealerweise so, dass diese mit dem maximal möglichen Gasvolumen gefüllt sind. Im Betrieb erfolgt eine Entnahme des Gases durch die Tankventile 4 aus den einzelnen Druckgasbehältern 3. Das Gas gelangt dann wiederum über die Hochdruckleitungen 5 in den Bereich des Sammlers 6 und von dort über eine weitere Hochdruckleitung 5 zu einem Druckminderer 7. Von hier aus kann das Gas beispielsweise auf einem niedrigen oder mittleren Druckniveau von typischerweise 0,3 bis 2 MPa weiter verwendet werden, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem.
Die Hochdruckleitungen 5 in der Darstellung der 2 bestehen nun jeweils aus einem mit 9 bezeichneten Leitungselement und weisen ferner an ihren Leitungsenden Verbindungselemente 10 auf, welche hier durch Überwurfmuttern prinzipmäßig angedeutet sind. Wie bereits erwähnt, können diese Verbindungselemente analog zu der älteren Anmeldung DE 10 2014 016 975 A1 ausgestaltet sein. Bei allen eingesetzten Hochdruckleitungen 5 in dem Tanksystem 2 der 2 ist es nun so, dass diese im Bereich ihrer Leitungsenden, in deren Bereich auch die Überwurfmuttern als Verbindungselemente 10 angeordnet sind, parallel zueinander verlaufen. Die hier in der Projektion dargestellten Leitungen sind also im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet, wobei die Leitungsenden nicht in derselben Höhe enden müssen. Diese Ausgestaltung gilt dabei für alle Leitungen, welche die Druckgasbehälter 3 bzw. ihre Tankventile 4 und den Sammler 6 sowie den Sammler 6 und den Druckminderer 7 als hochdruckführende Bauteile verbinden. Die Hochdruckleitung 5, welche den Sammler 6 mit dem Tankstutzen 8 verbindet, ist ebenfalls so ausgestaltet, dass sie im Bereich ihrer Leitungsenden parallel ausgeführt ist. Hinsichtlich der Durchströmung mit dem Gas ist die Ausrichtung bei dieser einen Hochdruckleitung 5 jedoch antiparallel zu verstehen, da die Öffnungen nicht wie bei den anderen Hochdruckleitungen 5 zur selben Seite hin offen sind. Der Aufbau dieser Hochdruckleitung 5, welche den Sammler 6 und den Tankstutzen 8 verbindet, ist also im Wesentlichen S-förmig.
Unabhängig von der Ausgestaltung der Hochdruckleitungen 5 S-förmig oder U-förmig, wobei die Form in verschiedenen Abschnitten der Hochdruckleitung 5 über mehrere Ebenen parallel zur Zeichnungsebene verlaufen kann, ermöglicht einen gewissen Toleranzausgleich hinsichtlich der Einbaupositionen der Tankventile 4 einerseits und des Sammlers 6 andererseits bzw. des Tankanschlusses 8 und des Sammlers 6 bzw. des Druckminderers 7 und des Sammlers 6. Da diese Toleranzen einerseits durch das Tanksystem 2 und andererseits durch den Rohbau des Fahrzeugs 1 vorgegeben sind, müssen hier durch die Hochdruckleitungen 5 gewisse Abweichungen ausgleichbar sein. Da die Hochdruckleitungen bei den Nenndrücken von 70 MPa typischerweise aus metallischem Material und mit vergleichsweise großer Wandstärke ausgeführt sind, sind diese typischerweise nicht sonderlich flexibel. Durch die Ausgestaltung mit den parallel verlaufenden Enden wird eine solche Flexibilität nun jedoch dadurch erreicht, dass diese bezüglich der U-förmigen oder S-förmigen Ausgestaltung eine gewisse Flexibilität zulassen, welche zum Ausgleich der Toleranzen typischerweise ausreicht. Da ein Verspannen der Verbindungen zwischen den Leitungsenden und den hochdruckführenden Bauteilen in der Praxis sehr leicht zu Undichtheiten führt, kann die Montage insbesondere so erfolgen, dass eine Vormontage des Tanksystems 2 durchgeführt wird. Dabei werden die Hochdruckleitungen 5 positioniert und die Verbindungselemente 10 werden locker angezogen, beispielsweise die Überwurfmuttern von Hand festgeschraubt. Danach erfolgt der Einbau in das Fahrzeug 1. Jetzt liegen die einzelnen hochdruckführenden Elemente in der gewünschten endgültigen Position, wobei eventuelle Toleranzen im Bereich des Tanksystems 2 und/oder des Fahrzeugs 1 durch die über die S-förmige oder U-förmige Ausgestaltung der Hochdruckleitungen 5 erzielte Flexibilität ausgeglichen wird. Die Verbindungselemente 10 werden jetzt befestigt, beispielsweise die Überwurfmuttern mit dem erforderlichen Drehmoment angezogen. Hierdurch wird eine sichere und zuverlässige Abdichtung trotz der Notwendigkeit die Toleranzen entsprechend auszugleichen, ermöglicht.
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 102014016975 A1 [0010, 0019]
DE 102014016962 A1 [0018]

Claims

Hochdruckleitung (5) mit einem Leitungselement (9), welches im Bereich seiner zwei Leitungsenden jeweils offen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leitungsenden parallel zueinander verlaufen.
Hochdruckleitung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Leitungsenden des Leitungselements (9) zur selben Seite hin offen sind.
Hochdruckleitung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (9) aus metallischem Material ausgebildet ist.
Hochdruckleitung (5) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Leitungsenden des Leitungselements (9) Verbindungselemente (10) vorgesehen sind.
Verfahren zur Montage von hochdruckführenden Bauteilen (3, 4, 6, 7, 8) in einem Fahrzeug (1), wobei zuerst die hochdruckführenden Bauteile (3, 4, 6, 7, 8) mit Hochdruckleitungen (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 miteinander verbunden werden, wobei die Hochdruckleitungen (5) nur locker mit den hochdruckführenden Bauteilen (3, 4, 6, 7, 8) verbunden werden, wonach die vorverbundenen hochdruckführenden Bauteile (3, 4, 6, 7, 8) in dem Fahrzeug (1) montiert werden, und wonach die lockeren Verbindungen zwischen den hochdruckführenden Bauteilen (3, 4, 6, 7, 8) und den Hochdruckleitungen (5) festgezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lockere Verbinden durch ein händisches Anschrauben von Überwurfmuttern als Verbindungselemente (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Festziehen durch ein Anschrauben von Überwurfmuttern als Verbindungselemente (10) mit dem vorgegebenen Anzugsdrehmoment erfolgt.
Verwendung der Hochdruckleitungen (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 7, zur Verbindung von Druckgasbehältern (3), Tankventilen (4), Gassammlern (6), Tankstutzen (8) und/oder Druckminderern (7) in einem Tanksystem (2).
Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Tanksystem (2) zur Speicherung von komprimiertem Gasen in einem Fahrzeug (1) verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als komprimiertes Gas Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems verwendet wird.