DE102016208376A1

DE102016208376A1 - Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102016208376A1
Application number: DE102016208376.7A
Authority: DE
Inventors: Timo Christ
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-05-17
Filing date: 2016-05-17
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter 100 zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Rohr 200, 200‘ und zwei Böden 310, 320. Das Rohr 200, 200‘ weist eine faserverstärkte Schicht 220 auf. Die faserverstärkte Schicht 220 umfasst Verstärkungsfasern, die in Umfangsrichtung U des Rohrs 200, 200‘ orientiert sind. An den Enden E1, E2 des Rohrs 200, 200‘ ist jeweils ein Boden 310, 320 angeordnet. Mindestens zwei Zugstäbe 410, 420 erstrecken sich von einem ersten Boden 310 der zwei Böden 310, 320 zu einem zweiten Boden 320 der zwei Böden 310, 320. Die Zugstäbe 410, 420 sind ausgebildet, durch den Innendruck des Druckbehälters verursachte Axialkräfte F in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A des Druckbehälters 100 aufzunehmen.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug sowie ein Druckbehältersystem.
Druckbehälter für die Speicherung von gasförmigen Brennstoff in Fahrzeugen werden heute überwiegend im Wickelverfahren aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Hierbei werden i.d.R. zylindrische Formen verwendet, da diese eine sehr gute Spannungsverteilung bei hohem Innendruck aufweisen. Der Druckbehälter umfasst zweckmäßig eine gewickelte faserverstärkte Schicht. Der Lagenaufbau der faserverstärkten Schicht ist entscheidend für die Festigkeit und Steifigkeit des Behälters sowie dessen Druckbeständigkeit. Hierzu werden die Endlosfasern in den Lagen in unterschiedlichen Richtungen angeordnet, um so die durch den hohen Druck entstehenden Kräfte optimal aufzunehmen. Es wird unterschieden in Hoop-Lagen (Umfangslagen), welche in Umfangsrichtung des Druckbehälters orientiert sind, und Helical-Lagen (Kreuzlagen), welche über Kreuz in einem definierten Winkel gegenüber der Druckbehälterlängsachse (jedoch in axiale Richtung des Behälters orientiert) entlang des Behälters angeordnet sind. Die Helical-Lagen können zumindest im Bereich der Polkappen nicht gänzlich parallel zur Druckbehälterlängsachse angeordnet werden. Folglich sind die Fasern nicht optimal in Axialrichtung des Lastpfads orientiert. Die Hoop-Lagen dienen dazu, Umfangskräfte im Druckbehälter aufzunehmen während Helical-Lagen Kräfte in Axialrichtung des Druckbehälters aufnehmen. Zudem können die Anschlüsse, welche sich an den axialen Enden des Druckbehälters befinden, zusätzlich mit Fasern verstärkt. Das Verhältnis von Hoop-Lagen zu Helical-Lagen beträgt in etwa 1:1 bis 2:1.
Bei der Unterbringung eines zylindrischen Druckbehälters in einem quaderförmigen Bauraum bleibt viel Bauraum ungenutzt, in welchem kein Brennstoff gespeichert werden kann. Jede Lage der faserverstärkten Schicht erhöht die Wandstärke der Behälterarmierung und verringert bei gegebenem Außendurchmesser das Speichervolumen des Druckbehälters. Ferner steigen mit jeder zusätzlichen Lage an faserverstärktem Material die Bauteilkosten und das Gewicht an.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Es ist eine bevorzugte Aufgabe, einen kompakten und/oder bauraumeffizienten Druckbehälter bereitzustellen, der vergleichsweise viel Brennstoff speichern kann. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Druckbehälter und ein Druckbehältersystem zur Speicherung von Brennstoff. Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere einen Druckbehälter zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Ein solcher Druckbehälter ist insbesondere ein in ein Kraftfahrzeug eingebauter bzw. einbaubarer Druckbehälter. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z.B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem max. Betriebsdruck (auch maximum operating pressure oder MOP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegen, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i.d.R. ca. –40°C bis ca. +85°C).
Der hier offenbarte Druckbehälter umfasst mindestens ein Rohr und zwei Böden.
Das mindestens eine Rohr umfasst eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann gegebenenfalls einen Liner (sofern vorhanden) zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Nachstehend wird meistens der Begriff „faserverstärkte Schicht“ verwendet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. Die faserverstärkte Schicht umfasst Verstärkungsfasern, die in Umfangsrichtung U des Rohrs orientiert sind. Das mindestens eine Rohr weist also Umfangslagen auf, die ausgebildet sind, die mechanischen Spannungen in Umfangsrichtung aufzunehmen. Die Fasern der faserverstärkten Schicht laufen also in einem Winkel von ca. 90° zur Druckbehälterlängsachse A-A. Bevorzugt verlaufen weniger als 20% oder weniger als 10% der Endlosfasern des mindestens einen Rohrs in einer anderen Richtung als der Umfangsrichtung U. Besonders bevorzugt verlaufen keine Endlosfasern des Rohrs in eine andere Richtung als der Umfangsrichtung U. Zweckmäßig umfasst die faserverstärkte Schicht keine Verstärkungsfasern, die orientiert sind, um Axialkräfte F aufzunehmen. Mit anderen Worten kann also bevorzugt in der faserverstärkten Schicht keine Helical-Lage vorgesehen sein.
An den beiden Enden des mindesten ein Rohres ist jeweils ein Boden angeordnet. Das mindestens ein Rohr und die zwei Böden bilden zusammen das Speichervolumen I des Druckbehälters aus. Die beiden Böden des Druckbehälters können jede geeignete Form aufweisen. Beispielsweise können die Böden als gewölbte Böden ausgebildet sein, bevorzugt als Klöpperböden. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Böden plattenförmig oder eben ausgebildet. Zweckmäßig können die Böden keine bzw. eine vernachlässigbare Wölbung in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A aufweisen. Bevorzugt sind die Böden aus Faserverbundwerkstoff oder aus einem Metallmaterial hergestellt. Besonders bevorzugt sind die Böden aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung hergestellt. Ferner bevorzugt können die Böden durch eine Waben- bzw. Rippenstruktur verstärkt sein.
In zumindest einem der beiden Böden kann für jedes Rohr jeweils

– mindestens eine Befüllleitung; und/oder
– mindestens eine Entnahmeleitung; und/oder
– mindestens ein Druckentlastungseinrichtung (z.B. ein Thermally activated pressure relief device); und/oder
– mindestens ein Sensor

vorgesehen sein. Ferner kann in zumindest einem der beiden Böden ein Brennstoffströmungspfad vorgesehen sein, wobei der Brennstoffströmungspfad die mindestens zwei Rohre miteinander verbindet. Bevorzugt ist der Strömungspfad in den Boden integriert. Vorteilhaft sind die in diesem Absatz genannten Komponenten derart ausgebildet und in dem Boden angeordnet, dass sie das Zusammenfügen des mindestens einen Rohres und dem Boden nicht behindern. Vorteilhaft können diese Komponenten so also vor dem Zusammenfügen konfektioniert werden.
Der hier offenbarte Druckbehälter umfasst ferner mindestens zwei Zugstäbe. Die Zugstäbe erstrecken sich von einem ersten Boden der zwei Böden zu einem zweiten Boden der zwei Böden.
Zugstäbe als solche sind bekannt. Zugstäbe werden beispielsweise als Bauglieder in Fachwerken eingesetzt. Ein Zugstab wird, wie der Name schon sagt, auf Zug beansprucht. Der Zugstab kann aus einem hochfesten Material, wie beispielsweise hochfeste Stähle oder Faserverbundwerkstoffe ausgebildet sein. Die Zugstäbe sind besonders bevorzugt aus einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet, dessen Endlosfasern im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Zugstabs angeordnet sind
Bevorzugt sind die Zugstäbe derart ausgebildet und angeordnet, dass sie im Wesentlichen auf Zug beansprucht werden. Im Wesentlichen umfasst hier lediglich geringe Abweichungen, wie beispielsweise geringe Biegebeanspruchungen, die durch eine ungenaue Montage verursacht sein können.
Bevorzugt sind die Zugstäbe so mit den Böden verbunden, dass die Kräfte mittig und parallel zur Zugstablängsachse aus den Böden in die Zugstäbe eingeleitet werden. Hierzu sind bevorzugt in den Böden Durchlässe vorgesehen, durch die die Zugstäbe hindurchgeführt sind. Auf der im montierten Zustand eines Bodens dem mindestens einen Rohr abgewandten Seite eines Bodens kann der Zugstab durch ein geeignetes Befestigungsmittel befestigt sein, beispielsweise eine Schraube oder eine Mutter. Andere Verbindungstechniken zur Übertragung von Kräften von den Druckbehälterböden in die Zugstäbe sind möglich.
Insbesondere sind die Zugstäbe ausgebildet, u.a. durch den Innendruck des Druckbehälters vorursachte Axialkräfte F in Richtung der Druckbehälterlängsachse des Druckbehälters aufzunehmen. Die Zugstäbe sind ferner ebenfalls in der Lage, etwaige zusätzliche Axialkräfte F entgegenzuwirken, wie beispielsweise durch Vorspannung der Befestigungsmittel aufgebrachte Axialkräfte F oder durch die Verbindungstechnik, beispielsweise Klemmmen, aufgebrachte Querkräfte.
Besonders bevorzugt werden die Zugstäbe durch Pultrusion oder durch Flechten, ferner durch spezielle Wickel- oder Legeverfahren hergestellt
Das mindestens eine Rohr weist im Querschnitt senkrecht zur Druckbehälterlängsachse A-A (vgl. X-Y Ebene in den 4 und 5) eine Rohrquerschnittsaußenkontur auf. Die Rohrquerschnittsaußenkontur weicht von einem Rechteckquerschnitt ab. Die Rohrquerschnittsaußenkontur ist in der Regel eine kreisrunde bzw. elliptische Kontur. Die Rohrquerschnittsaußenkontur ist insbesondere die Kontur, die von den am weitesten außen angeordneten Abschnitten des Rohrabschnitts ausgebildet werden. Zweckmäßig handelt es sich dabei um die Mantelfläche M eines zylinderförmigen Rohres. Eine solche Ausgestaltung ist besonders geeignet, Gase unter hohen Drücken zu speichern und erfordert dabei gleichzeitig keine großen Wanddicken. Bevorzugt weist das Rohr in einer Richtung entlang der Druckbehälterlängsachse A-A im Wesentlichen konstante Durchmesser auf. Unwesentliche Änderungen des Durchmessers sind dabei beispielsweise Änderungen, die aus Fertigungstoleranzen resultieren oder die das Package bei gleichem Speichervolumen nur in einem vernachlässigbar geringen Bereich verringern. Es ist aber ebenso denkbar, dass sich die Querschnittsgeometrie bzw. die Rohrquerschnittsaußenkontur entlang der Druckbehälterlängsachse A-A ändert. In einem solchen Fall bezieht sich die Rohrquerschnittsaußenkontur des hier offenbarten Druckbehälters auf die größte bzw. maximale Querschnittsaußenkontur.
Der Rechteckquerschnitt ist ebenfalls ein Querschnitt senkrecht zur Druckbehälterlängsachse A-A (vgl. X-Y Ebene in den 4 und 5). Der Rechteckquerschnitt kann beispielsweise ein im Wesentlichen quaderförmiger Einbauraum und/oder ein im Wesentlichen rechteckförmiges Gehäuse sein. Unwesentliche Abweichungen von der Quadergeometrie können beispielsweise Abweichungen sein, die sich nicht oder unwesentlich auf das Speichervolumen des Druckbehälters auswirken.
Ein solches Gehäuse kann beispielsweise Zusatzfunktionen übernehmen. Beispielsweise kann ein solches Gehäuse dazu ausgebildet sein, als Kontrollvolumen zur Wasserstoffdetektion eingesetzt zu werden. Es sind aber auch andere Funktionen in ein solches Gehäuse integrierbar.
Die Rohrquerschnittsaußenkontur bzw. der Rohrquerschnittsaußenumriss kann auch von mehreren Rohren ausgebildet werden, die unmittelbar benachbart nebeneinander ausgebildet sein können (vgl. 5). Diese Rohre liegen entweder direkt aneinander oder weisen einen kleinen Abstand zueinander auf.
Die Rohrquerschnittsaußenkontur grenzt zumindest bereichsweise an den Rechteckquerschnitt an. Insbesondere liegt die Rohrquerschnittsaußenkontur zumindest abschnittsweise an dem Rechteckquerschnitt an oder die Rohrquerschnittsaußenkontur weist einen kleinen Abstand zum Rechteckquerschnitt auf.
Der Abstand zwischen den Rohren oder zum Rechteckquerschnitt kann beispielsweise vorgesehen sein, um etwaige Ausdehnungen zu kompensieren. Beispielsweise kann zwischen zwei benachbarten Rohren ein Abstand von 0% bis 3% des Rohraußendurchmessers, bevorzugt von 1% bis 3% und besonders bevorzugt 1% bis 2%, vorgesehen sein.
Der hier offenbarte Druckbehälter kann ebenfalls einen Liner umfassen. Der Liner kann aus einem Metall, aus einer Metalllegierung oder aus einem Kunststoff hergestellt sein. Zweckmäßig ist beispielsweise ein Liner aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung. Im Liner wird der Brennstoff gespeichert und der Liner ist i.d.R. für die Dichtheit des Druckbehälters zuständig. Falls beispielsweise Wasserstoff gespeichert wird, ist der Liner i.d.R. ausgebildet, eine Wasserstoffpermeation zu vermeiden. Der Liner kann zudem als Wickel- und/oder Flechtkern für das mindestens eine Rohr dienen. Eine metallische Ausführung kann sowohl lasttragend, als auch, wie ein Polymer-Liner, nicht lasttragend ausgelegt sein. Üblicherweise wird die Linerkontur so dünn wie möglich gewählt, da die Festigkeit der faserverstärkten Schicht wesentlich höher ist und somit eine dünnere Gesamtwandstärke erreicht werden kann. Beispielsweise kann die max. Wandstärke des Liners weniger als 30 mm, bevorzugt weniger als 10 mm oder 5 mm betragen. Wie der Druckbehälter weist auch der Liner i.d.R. eine längliche, bevorzugt zylindrische Form mit plattenförmigen und/oder gewölbten Endbereichen auf. Die Endbereiche und der dazwischen angeordnete Mantelbereich M sind insbesondere vorteilhaft einstückig geformt. In mindestens einer der Polkappen des Liners ist eine Öffnung vorgesehen. Es ist überdies möglich, linerlose Druckbehälter mit der hier offenbarten Technologie auszubilden.
Bevorzugt kann ein Druckbehälter mindestens zwei Rohre und zwei Böden umfassen. Die mindestens zwei Rohre umfassen jeweils die hier offenbarte faserverstärkte Schicht. Die mindestens zwei Rohre bilden zusammen eine (Gesamt-)Rohrquerschnittsaußenkontur aus, die von einem Rechteckquerschnitt abweicht, den diese beiden Rohre zusammen ausbilden. Sowohl die (Gesamt-)Rohrquerschnittsaußenkontur als auch der Rechteckquerschnitt beziehen sich auf die Ebene senkrecht zur Druckbehälterlängsachse A-A. Die mindestens zwei bevorzugt vier Zugstäbe können in den Querschnittszwischenbereichen angeordnet sein, die die (Gesamt-)Rohrquerschnittsaußenkontur und der Rechteckquerschnitt ausbilden. Insbesondere weisen die zwei Rohre jeweils für sich eine Rohrquerschnittsaußenkontur auf, die auch jeweils von einem Rechteckquerschnitt abweicht.
Zumindest einer der Zugstäbe weist eine Zugstabsquerschnittsgeometrie in der Ebene senkrecht zur Druckbehälterlängsachse A-A auf, die von einem kreisrunden Querschnitt abweicht. Besonders bevorzugt weist zumindest einer der Zugstäbe eine Zugstabsquerschnittsgeometrie auf, die an der Querschnittskontur des Querschnittszwischenbereichs angepasst ist. Bevorzugt ist die Zugstabsquerschnittsgeometrie so gestaltet, dass die Zugstabsaußenkontur zumindest abschnittsweise parallel zur Rohrquerschnittsaußenkontur und/oder zum Rechteckquerschnitt verläuft, bevorzugt in einem Abstand von 1% bis 2% des Rohraußendurchmessers, ferner bevorzugt von 0% bis 3%, und besonders bevorzugt von 1% bis 2%.
In zumindest einem der Zugstäbe kann zumindest bereichsweise und zumindest teilweise ein weiteres Bauelement aufgenommen sein. Beispielsweise kann in zumindest einem der Zugstäbe eine Fluidleitung angeordnet sein, beispielsweise für Kühlmittel. Ferner können elektrische Leitungen zur Stromversorgung oder Leitungen eines Bussystems dort untergebracht sein. Ferner können aber auch Sensoren oder andere elektrische Bauteile in den Zugstäben zumindest bereichsweise untergebracht sein.
Das weitere Bauelement ist insbesondere nicht zur Befestigung der Zugstäbe bzw. zur Übertragung der Axialkräfte verwendet. Mit anderen Worten handelt es sich also bei dem weiteren Bauelement nicht um das Befestigungsmittel, das zur Befestigung der Zugstäbe an den Böden eingesetzt wird.
Zumindest einer der Böden kann eine Dichtlippe aufweisen. Die Dichtlippe kann im montierten Zustand des Druckbehälters in das Innere des Druckbehälters hineinragen. Besonders bevorzugt verjüngen sich die Dichtlippen in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A zur Innenwand des Rohres hin. Die Dichtlippe liegt zweckmäßig an der Innenwand des Rohres an. Eine so ausgestaltete Dichtlippe führt dazu, dass im Betrieb aufgrund des Innendrucks im Druckbehälter die Dichtlippe gegen die Innenwand des Rohrs gepresst wird, wodurch eine besonders gute Dichtwirkung erzielt wird. Zudem begünstigt eine derart ausgestaltete Dichtlippe einen sanfteren Übergang der mechanischen Spannungen, erleichtert die Positionierung bei der Rohre bei der Montage und haltert die Rohre im verbauten Zustand per Formschluss.
Ferner umfasst die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Herstellung des hier offenbarten Druckbehälters. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Bereitstellen der beiden Böden;
– Zusammenfügen der beiden Böden mit dem mindestens einem Rohr; und
– Anbringen der mindestens zwei Zugstäbe.

Insbesondere kann das Verfahren Schritte umfassen, die hier im Zusammenhang mit den strukturellen Merkmalen erläutert wurden. Beispielsweise kann zunächst mindestens ein Boden mit mindestens einer Befüllleitung, mit mindestens einer Entnahmeleitung, mit mindestens einer Druckentlastungseinrichtung (z.B. ein Thermally activated pressure relief device), und/oder mindestens einem Sensor bestückt werden, bevor der Boden mit dem Rohr zusammengefügt wird.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie einen i.d.R. zylindrischen Druckbehälter mit einem Rohrabschnitt, welcher lediglich mit Umfangslagen (Hoop-Lagen) aus faserverstärktem Kunststoff umwickelt ist und auf Helical-Lagen verzichtet. Stattdessen werden Zugstäbe benutzt, um die bisher durch die Helical-Lagen aufgenommenen Axialkräfte aufzunehmen. Durch den Wegfall der Helical-Lagen kann die Wandstärke des Druckbehälters auf um ca. die Hälfte reduziert werden und ggf. das speicherbare Volumen bei gleichbleibendem Behälteraußendurchmesser erhöht werden. Der Druckbehälter weist weiterhin einen Liner (z.B. aus Aluminium, Stahl oder Kunststoff) auf, welcher eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist und an beiden Enden über befestigte Böden verfügt, an welche die Behälteranschlüsse sowie die Anbringungsmöglichkeiten der Zugstäbe vorgesehen sind. Der Liner kann mit Hoop-Lagen aus faserverstärkten Kunststoffen in Umfangsrichtung umwickelt sein. Um die Kräfte in Axialrichtung A-A des Druckbehälters aufzunehmen, werden dazu Zugstäbe (z.B. pultrudierte Stäbe aus faserverstärkten Kunststoffen) verwendet, welche zweckmäßig um den zylindrischen Druckbehälter im toten Volumen eines umgebenden Rechteckquerschnittes angebracht werden. Diese werden mit den Böden des Druckbehälters verbunden, wodurch sie in der Lage sind, die axialen Kräfte aufzunehmen, welche auf diese wirken. Die Verbindung der Zugstäbe mit den Druckbehälterböden kann dabei auf unterschiedliche Arten (Verklebung, Verschraubung usw.) erfolgen. Das dabei freigewordene Volumen kann zusätzlich zur Speicherung von Brennstoff verwendet werden, indem der Durchmesser des Behälters gleich gehalten wird, die Wandstärke jedoch reduziert wird. Durch die Anbringung der Zugstäbe im vorher toten Volumen um den zylindrischen Druckbehälter findet eine effizientere Bauraumausnutzung bei gleicher Festigkeit und Steifigkeit des Druckbehälters statt. Die verwendeten Zugstäbe müssen hierbei keine runde Querschnittsform aufweisen, sondern können beliebig an die Geometrie des toten Volumens angepasst sein. Zudem können beispielsweise Versorgungsleitungen, Kabel o.ä. durch das Innere der Zugstäbe geführt werden, welche zuvor ebenfalls im freien Volumen untergebracht waren. Vorteilhaft wird der quaderförmige Bauraum im Kraftfahrzeug besser ausgenutzt, indem der zylindrischen Druckbehälter durch im toten Volumen angeordnete Zugstäben in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A entlastet wird.
Mit der hier offenbarten Technologie kann sich also bei gegebenen Einbauraum ein vergleichsweise kleiner Druckbehälter realisieren lassen, der vergleichsweise viel Brennstoff speichern kann.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten Druckbehälters 100;
2 eine weitere schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten Druckbehälters 100;
3 eine weitere schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten Druckbehälters 100;
4 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in der 1 und 2; und
5 eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie B-B in der 1 und 2.
Die 1 zeigt eine erste Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie im Querschnitt entlang der Druckbehälterlängsachse A-A. Die Böden 310, 320 sind hier plattenförmig ausgebildet. Sie erstrecken sich im Wesentlichen in eine Richtung senkrecht zur Druckbehälterlängsachse A-A. Das Rohr 200 ist hier als zylinderförmiges Rohr 200 ausgebildet. Das Rohr 200 besteht hier aus einer faserverstärkten Schicht 220, die hier zylinderförmig ausgebildet ist und deren Endlosfasern in Umfangsrichtung U orientiert sind (vgl. 4). Es ist aber ebenso möglich, einen Liner innerhalb der faserverstärkten Schicht 220 oder weitere Schichten im Rohr 200 vorzusehen. Die Böden 310, 320 werden durch die Zugstäbe 410, 420 gehalten und an den Enden E₁, E₂ des Rohrs gegen das Rohr 200 gepresst. Die Böden 310, 320 weisen auf ihrer Innenoberfläche Dichtungen 312, 322 auf, die sich von der Bodenoberfläche weg in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A erstrecken und sich zum freien Ende hin in Richtung der Innenwand des Rohrs 200 verjüngen. In den Boden 310 ist hier eine Befüll- und Entnahmeleitung 170 integriert, durch welche der Brennstoff zugeführt bzw. entnommen wird. Es können aber ebenso mehrere getrennte Leitungen vorgesehen sein. Weitere Komponenten des Druckbehälters, wie beispielsweise Sensoren oder Druckentlastungseinrichtungen sind hier vereinfachend weggelassen worden. Die Zugstäbe 410, 420 sind hier über Schrauben verspannt worden. Der Druckbehälter 100 ist umgeben von einem gestrichelt gezeigten Rechteckquerschnitt, der den Einbauraum bzw. das Gehäuse darstellt und das Rohr 200 umrandet. Vorteilhaft kommen hier plattenförmige Böden 310, 320 zum Einsatz, die im Vergleich zu gewölbten Böden 310, 320 weniger Bauraum benötigen. Vorteilhaft kann somit bei gleichem Package das Speichervolumen vergrößert werden. Da insbesondere an den Druckbehälterenden P₁ bzw. P₂ weniger ungenutzter Bauraum verbleibt. Wird nun der Druckbehälter 100 bedruckt, so verursacht der gespeicherte Brennstoff Kräfte F in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A. Diese Kräfte F drücken die Böden 310, 320 in Richtung der Druckbehälterlängsachse A-A nach außen weg. Die Zugstäbe 410, 420 wirken diesen Kräften F entgegen. Da die Zugstäbe ausschließlich auf Zug beansprucht werden und Zugstäbe zudem große Lasten aufnehmen können, reichen vergleichsweise kleine und leichte Zugstäbe aus, um diese Kräfte F zu kompensieren. Insgesamt kann somit ein vergleichsweise kleiner Aufbau realisiert werden, der bei gegebenen Package vergleichsweise viel Brennstoff speichern kann.
Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden lediglich die wesentlichen Unterschiede zur 1 beschrieben. Abweichend von der Ausführungsform gemäß der 1 ist in der Ausführungsform gemäß der 2 ein Druckbehälter mit gewölbten Böden 310, 320 dargestellt. Die gewölbten Böden 310, 320 sind an den Enden E₁ bzw. E₂ öden an das Rohr 200 befestigt. So gestaltete B können eine vorteilhaftere Spannungsverteilung innerhalb der Böden aufweisen.
In der 3 ist eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie gezeigt. Abweichend von der Ausführung gemäß der 2 weist der Druckbehälter 100 hier einen Liner 210 auf, der im Inneren der faserverstärkten Schicht 220 angeordnet ist. Der Liner 210 dient zur Vermeidung von Permeation des gespeicherten Gases und als Wickelhilfe für die faserverstärkte Schicht 220.
In der 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie B-B der 1 und 2 gezeigt. Das Rohr 200 umfasst hier eine faserverstärkte Schicht 220, die im Wesentlichen kreisrund ausgestaltet ist. Diese wird umrahmt von einem gestrichelt gezeigten Rechteckquerschnitt 224. Die Rohrquerschnittsaußenkontur 222 bildet hier zusammen mit dem Rechteckquerschnitt 224 die Zwischenbereiche 226 aus. In den Querschnittszwischenbereichen 226 sind hier zwei Zugstäbe 410, 420 angeordnet. Die Zugstäbe 410, 420 weisen eine an die Zwischenbereiche 226 angepasste Außenkontur auf. Die Zugstäbe 410, 420 weisen einen gewissen Abstand zum Rechteckquerschnitt und zur Rohrquerschnittsaußenkontur auf. In der 4 sind zwei Zugstäbe vorgesehen. Besonders bevorzugt werden vier Zugstäbe vorgesehen, in jeder Ecke ein Zugstab. Die Zugstäbe können zumindest bereichsweise Hohlräume aufweisen, in denen zumindest bereichsweise weitere Bauelemente 430 angeordnet sein können. Als weitere Bauelemente 430 sind hier Leitungen bzw. Rohre 430 vorgesehen, die beliebige Querschnittsformen aufweisen können. Auch wenn hier die Rohrquerschnittsaußenkontur 222 direkt an dem Rechteckquerschnitt 224 anliegt ist es ebenso möglich, dass zwischen der Rohrquerschnittsaußenkontur 222 und dem Rechteckquerschnitt 224 ein gewisser Abstand zur Kompensation etwaiger Ausdehnungen vorgesehen ist.
Die 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung, die in den Druckbehältern 100 gemäß dem 1 und 2 vorgesehen sein kann. Der hier dargestellte Druckbehälter weist zwei Rohre 200 mit jeweils einer faserverstärkten Schicht 220, 220‘ auf. Die beiden Rohre 200, 200‘ bilden hier die (Gesamt)Rohrquerschnittsaußenkontur 222, 222‘ aus, die von einem gemeinsamen Rechteckquerschnitt 224‘ umrandet werden. Der gemeinsame Rechteckquerschnitt 224‘ und die Rohrquerschnittsaußenkontur 222, 222‘ bilden zusammen Querschnittsbereiche 226‘ aus, in denen die Zugstäbe 410, 420 angeordnet sind. In den Zugstäben können beliebig geformte Bauelemente 430 vorgesehen sein. Die Zugstäbe 410, 420 können wiederum jede beliebige Querschnittsform aufweisen, die bevorzugt angepasst ist an die Querschnittsgeometrie des jeweiligen Querschnittzwischenbereiches 226‘.
In den 4 und 5 ist jeweils eine Ausgestaltung ohne Liner gezeigt. Es ist aber ebenso denkbar, dass die hier dargestellten Ausführungsformen einen Liner umfassen.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, das/ein Rohr, der/ein Boden, die/eine faserverstärkte Schicht, die/eine Dichtlippe, der/ein Zugstab, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, das mindestens eine Rohr, der mindestens eine Boden, die mindestens eine faserverstärkte Schicht, die mindestens eine Dichtlippe, der mindestens eine Zugstab, etc.).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: Druckbehälter
200, 200‘: Rohr
310, 320: Boden
220: faserverstärkte Schicht
222, 222‘: Rohrquerschnittsaußenkontur
224, 224‘: Rechteckquerschnitt
226, 226‘: Querschnittszwischenbereichen
310: erster Boden
320: zweiter Boden
312, 322: Dichtlippe
410, 420: Zugstab
430: weiteres Bauelement
A-A: Druckbehälterlängsachse
E₁, E₂: Ende
F: Axialkraft
U: Umfangsrichtung
X-Y: Ebene senkrecht zur Druckbehälterlängsachse A-A

Claims

Druckbehälter (100) zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Rohr (200, 200‘) und zwei Böden (310, 320); – wobei das Rohr (200, 200‘) eine faserverstärkte Schicht (220) aufweist; – wobei die faserverstärkte Schicht (220) Verstärkungsfasern umfasst, die in Umfangsrichtung (U) des Rohrs (200, 200‘) orientiert sind; – wobei an den Enden (E₁, E₂) des Rohrs (200, 200‘) Böden (310, 320) angeordnet sind; – wobei sich mindestens zwei Zugstäbe (410, 420) von einem ersten Boden (310) der zwei Böden (310, 320) zu einem zweiten Boden (320) der zwei Böden (310, 320) erstrecken; – wobei die Zugstäbe (410, 420) ausgebildet sind, durch den Innendruck des Druckbehälters verursachte Axialkräfte (F) in Richtung der Druckbehälterlängsachse (A-A) des Druckbehälters (100) aufzunehmen.
Druckbehälter (100) nach Anspruch 1, – wobei das Rohr (200) im Querschnitt senkrecht zur Druckbehälterlängsachse (A-A) eine Rohrquerschnittsaußenkontur (222, 222‘) aufweist, die von einem Rechteckquerschnitt (224, 224‘) abweicht; – wobei die Rohrquerschnittsaußenkontur (222, 222‘) zumindest bereichsweise an dem Rechteckquerschnitt (224, 224‘) angrenzt; und – wobei die Zugstäbe (410, 420) in Querschnittszwischenbereichen (226, 226‘) zwischen der Rohrquerschnittsaußenkontur (222, 222‘) und dem Rechteckquerschnitt (224, 224‘) angeordnet sind.
Druckbehälter (100) nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens zwei Rohren (200, 200‘) und mit zwei Böden (310, 320); – wobei die mindestens zwei Rohre (200, 200‘) jeweils eine faserverstärkte Schicht (220) aufweisen; – wobei die mindestens zwei Rohre (200, 200‘) die Rohrquerschnittsaußenkontur (222, 222‘) ausbilden, die von einem Rechteckquerschnitt (224‘) abweicht; und – wobei die Zugstäbe (410, 420) in Querschnittszwischenbereichen (226, 226‘) zwischen der Rohrquerschnittsaußenkontur (222, 222‘) und dem Rechteckquerschnitt (224‘) angeordnet sind.
Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in zumindest einem der beiden Böden (310, 320) für jedes Rohr (200, 200‘) jeweils – mindestens eine Befüllleitung; und/oder – mindestens eine Entnahmeleitung; und/oder – mindestens ein Druckentlastungseinrichtung; und/oder – mindestens ein Sensor vorgesehen ist.
Druckbehälter (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei in zumindest einem der beiden Böden ein Brennstoffströmungspfad vorgesehen ist, wobei der Brennstoffströmungspfad die mindestens zwei Rohre (200, 200‘) miteinander verbindet.
Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die faserverstärkte Schicht (220) keine Verstärkungsfasern umfasst, die orientiert sind, um Axialkräfte (F) aufzunehmen.
Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest einer der Zugstäbe (410, 420) eine Zugstabsquerschnittsgeometrie aufweist, die von einem kreisrunden Querschnitt abweicht; und/oder die an der Querschnittskontur des Querschnittszwischenbereichs (226, 226‘) angepasst ist.
Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in zumindest einem der Zugstäbe (410, 420) ein weiteres Bauelement (430) zumindest bereichsweise und zumindest teilweise aufgenommen ist; und/oder wobei in zumindest einer der Zugstäbe (410, 420) ein weiteres Bauelement (430) zumindest teilweise ausbildet.
Druckbehälter (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest einer der Böden (310, 320) eine Dichtlippe (312, 322) aufweist; wobei die Dichtlippe (312, 322) im montierten Zustand des Druckbehälters (100) an der Innenwand des Rohrs (200, 200‘) zumindest bereichsweise anliegt.
Verfahren zur Herstellung eines Druckbehälters nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend die Schritte: – Bereitstellen der beiden Böden (310, 320); – Zusammenfügen der beiden Böden (310, 320) mit dem mindestens einem Rohr (200, 200‘); und – Anbringen der mindestens zwei Zugstäbe (410, 420).