DE102017011492A1 - Lasttragender Drucktank zur Speicherung von Brennstoff und Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen lasttragenden Drucktank (100) zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit einem hohlzylindrischen Druckbehälter (110), der an beiden Enden Polkappen (120) und einen sich dazwischen erstreckenden Mantelbereich (130) aufweist. Erfindungsgemäß sind an beiden Polkappen (120) in axialer Richtung (L) vorstehende Lasthülsen (140a, 140b) angeordnet, die der Befestigung des Drucktanks (100) am Kraftfahrzeug sowie der Übertragung von Kräften und/oder Momenten zwischen Kraftfahrzeug und Drucktank (100) dienen. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, das wenigstens einen solchen Drucktank (100) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Drucktank zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff für einen Brennstoffzellenantrieb oder Gas für einen Gasantrieb.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, wie insbesondere einen Personenkraftwagen (PKW) oder Leichttransporter (LT), der wenigstens einen solchen Drucktank aufweist.
  • Drucktanks dehnen sich abhängig von Faktoren wie dem Innendruck (bis zu 750 bar und mehr) und der Temperatur aus. Um die Ausdehnung zu ermöglichen, können Drucktanks nach dem Festlager-Loslager-Prinzip an die Karosserie oder das Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs angebunden werden.
  • Die DE 10 2015 222 392 A1 beschreibt einen lasttragenden Druckbehälter, der in der Lage ist, Kräfte und Momente zu übertragen und somit zur Steifigkeit der Karosserie beizutragen. Der Druckbehälter weist zumindest teilweise im Mantelbereich angeordnete Lastringe mit abstehenden Verbindungsstiften auf. Die Verbindungsstifte dienen zur Kopplung des Druckbehälters an die Fahrzeugkarosserie, womit sich Kräfte und Momente übertragen lassen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen lasttragenden Drucktank anzugeben, der wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur vermindert aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch den erfindungsgemäßen lasttragenden Drucktank mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Der erfindungsgemäße Drucktank zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug hat einen hohlzylindrischen Druckbehälter, der an beiden Enden Polkappen (auch Dome genannt) und einen sich dazwischen erstreckenden Mantelbereich aufweist. Erfindungsgemäß sind an beiden Polkappen in axialer Richtung (des Druckbehälters) vorstehende bzw. abragende Lasthülsen angeordnet, die einerseits der Befestigung des Drucktanks (bzw. des Druckbehälters) am Kraftfahrzeug sowie andererseits der Übertragung von Kräften und/oder Momenten zwischen Kraftfahrzeug und Drucktank dienen. Die Lasthülsen sind hierzu insbesondere mit Befestigungs- sowie Last- und/oder Drehmomenteinleitungselementen ausgebildet, wie nachfolgend noch näher erläutert
  • Der erfindungsgemäße Drucktank kann an seinen beiden endseitigen Lasthülsen lasttragend in das Kraftfahrzeug eingebaut bzw. eingebunden werden, womit gemeint ist, dass zwischen Drucktank und Kraftfahrzeug Kräfte und/oder Momente (Torsionskräfte) übertragbar sind. Die Lasthülsen können auch als Lasteinleitungshülsen oder Traghülsen bezeichnet werden. Damit kann die stabile Konstruktion des Drucktanks zur statischen Versteifung der Karosserie (bspw. zur Erhöhung der Verwindungssteifigkeit) oder des Fahrwerks sowie gegebenenfalls auch als zusätzlicher Lastpfad im Crashfall (zur Übertragung von Zug-, Druck- und Torsionslasten) mitgenutzt werden. Dabei ist durchaus vorstellbar, Längs- und/oder Querträger in einem Kraftfahrzeug durch erfindungsgemäße Drucktanks zu ersetzen, wodurch das Fahrzeuggewicht reduziert wird. Auch die bislang üblichen Spannbänder, die meist im Mantelbereich angeordnet sind, können entfallen. Gleichwohl können beim erfindungsgemäßen Drucktank ergänzend auch Spannbänder zur Halterung vorgesehen sein.
  • Die Lasthülsen können axial abragende, d. h. sich in axialer Richtung des Druckbehälters erstreckende Hohlstutzen aufweisen, die mit Außenumfangsnuten ausgebildet sind, welche als Lagersitze dienen. Damit ist insbesondere gemeint, dass beide Lasthülsen jeweils einen Hohlstutzen mit einer an dessen Außenumfang eingeformten Außenumfangsnut aufweisen, wobei die Außenumfangsnut insbesondere umlaufend ausgebildet ist. Die Gegenlager werden bspw. durch Lagerschilde oder dergleichen gebildet. Die Außenumfangsnuten an den Hohlstutzen der Lasthülsen sind bevorzugt mit unterschiedlichen Nutbreiten ausgebildet, wobei die schmalere Außenumfangsnut an einer der Lasthülsen einen Festlagersitz und die breitere Außenumfangsnut an der anderen Lasthülse einen Loslagersitz bildet. Die Außenumfangsnuten fungieren somit als Befestigungselemente sowie als Lasteinleitungselemente zur Übertragung von Axial- bzw. Radialkräften zwischen Kraftfahrzeug und Drucktank.
  • Der Hohlstutzen an wenigstens einer Lasthülse kann eine Abflachung aufweisen, insbesondere an der ein Festlager bildenden Lasthülse. Die Abflachung fungiert als Drehmomenteinleitungselement zur Übertragung von Drehmomenten bzw. Torsionskräften zwischen Kraftfahrzeug und Drucktank.
  • Der Hohlstutzen an wenigstens einer Lasthülse kann mit einer Knautsch- bzw. Deformationszone zur Aufnahme (Energieaufnahme) axialer Stoßkräfte, insbesondere Crashkräfte, ausgebildet sein. Durch eine gezielte plastische Deformation kann Energie abgebaut und dadurch der Druckbehälter geschützt werden.
  • Im Hohlstutzen an wenigstens einer Lasthülse kann ein Anschlussventil für den Druckbehälter angeordnet sein. Der Hohlstutzen bietet dem Anschlussventil Schutz. Zur vollständigen Anordnung des Anschlussventils im Inneren des Hohlstutzens kann dieser mit einer Verlängerung und/oder Aufweitung ausgebildet sein.
  • Die Lasthülsen weisen bevorzugt tellerartige, an die Kontur der Polkappen formangepasste Flansche bzw. Tellerflansche auf, die mit den Polkappen verklebt sind und/oder die, zumindest teilweise, in eine FKV-Umwicklung des Druckbehälters mit eingewickelt sind. Damit ist insbesondere gemeint, dass beide Lasthülsen jeweils einen solchen tellerartigen Flansch aufweisen. Die tellerartigen Flansche decken die Polkappen des Druckbehälters zumindest teilweise ab und erfüllen somit auch eine Schutz- und Stabilisierungsfunktion, insbesondere in den sogenannten Übergangsbereichen, in denen die FKV-Umwicklung des Mantelbereichs ausläuft und endet.
  • Bevorzugt sind die Lasthülsen einstückig aus Metall, insbesondere Aluminium, gebildet. Bevorzugt handelt es sich um spanend gefertigte Drehteile. Die Lasthülsen können aber auch einstückig aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, gebildet und bspw. durch Spritzgießen hergestellt sein.
  • Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise auf ein Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb (Brennstoffzellenfahrzeug) oder auf ein Kraftfahrzeug mit Gasantriebantrieb, insbesondere Erdgasantrieb (Erdgasauto bzw. CNG-vehicle), das wenigstens einen erfindungsgemäßen Drucktank für Wasserstoff oder Gas, insbesondere Erdgas, aufweist, der lasttragend an die Karosserie oder das Fahrwerk angebunden bzw. in die Karosserie oder das Fahrwerk eingebunden ist, wobei die Anbindung des Drucktanks insbesondere mittels teilbarer Lagerschilder erfolgt. Teilbare Lagerschilder sind insbesondere an der Lagerstelle teilbare, lagerschildartige Lageraufnahmen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von bestimmten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
    • 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Drucktank.
    • 2 zeigt eine der beiden Lasthülsen zur Anbindung des Drucktanks aus 1.
    • 3 zeigt die andere Lasthülse zur Anbindung des Drucktanks aus 1.
    • 4 zeigt den in 1 gekennzeichneten Bereich A in einer vergrößerten Schnittansicht.
  • Der in 1 gezeigte Drucktank 100 weist einen länglichen hohlzylindrischen Druckbehälter 110 auf, der an seinen beiden seitlichen Enden kuppelartige Polkappen 120 und einen sich dazwischen erstreckenden Mantelbereich 130 aufweist. Im Druckbehälter 110 wird unter Druck p stehender Brennstoff aufgenommen und gespeichert. Der Drucktank 100 ist bspw. an einem Schweller oder Hilfsrahmen eines Kraftfahrzeugs angebunden. Hierzu sind an beiden Polkappen 120 in axialer Richtung L entgegengesetzt vorstehende Lasthülsen 140a, 140b angeordnet, die sowohl der Befestigung des Drucktanks 100 als auch der Übertragung von Kräften und Momenten zwischen Kraftfahrzeug und Drucktank 100 dienen, sodass der Drucktank 100 auch eine lasttragende Funktion wahrnehmen kann, wie oben erläutert. Die Verbindung mit dem Kraftfahrzeug erfolgt mittels teilbarer Lagerschilder bzw. Lageraufnahmen 200.
  • 2 und 3 zeigen die einstückig aus Metall gebildeten und im Wesentlichen rotationssymmetrischen Lasthülsen 140a und 140b, die jeweils einen axial abragenden halsartigen Hohlstutzen bzw. Hohlzapfen 141 und einen tellerartigen Flansch 143 aufweisen. Die Hohlstutzen 141 sind mit einer umlaufenden Außenumfangsnut 142a, 142b ausgebildet, wobei die Außenumfangsnut 142a an der bezüglich 1 linken Lasthülse 140a breiter bzw. axial weiter ausgebildet ist als die Außenumfangsnut 142b an der rechten Lasthülse 140b. Die Außenumfangsnuten 142a, 142b sind Lagersitze, die mit den Lagerschildern 200 ein Loslager und ein Festlager bilden. Wie aus 1 ersichtlich, kann sich am linken Loslager mit der breiteren Außenumfangsnut 142a der Hohlstutzen 141 in axialer Richtung L mit vorgegebenem Spiel relativ zum Lagerschild 200 bewegen, wohingegen am rechten Festlager keine Relativbewegung ermöglicht ist. Der Hohlstutzen 141 der rechten Lasthülse 140b ist ferner mit einer Abflachung 144 ausgebildet. Eine solche Abflachung kann auch an der anderen (linken) Lasthülse 140a vorgesehen sein. Die Außenumfangsnuten 142a, 142b und die Abflachung 144 sind Formschlusselemente für eine axiale und/oder radiale Last- sowie Drehmomenteinleitung (bzw. -ableitung) zwecks Übertragung von Kräften und Momenten zwischen Kraftfahrzeug und Drucktank 100, sodass der Drucktank 100 lasttragend am Kraftfahrzeug angebunden ist.
  • 4 zeigt in einer Schnittansicht den in 1 gekennzeichneten Bereich A. Der Mantel im Mantelbereich 130 ist aus einer Innenhülle (Liner) 131, die insbesondere aus Kunststoff (z. B. PA oder PE) besteht, und einer FKV-Umwicklung 132 gebildet. Der tellerartige Flansch 143 der (rechten) Lasthülse 140b ist an die kuppelartige Kontur der Polkappe 120 formangepasst und mit der Polkappe 120 des Druckbehälters 110 verklebt. Der Tellerflansch 143 kann auch in die FKV-Umwicklung 132 mit eingewickelt sein. An der Öffnung des Liners 131 ist ein sogenannter Boss (auch Port genannt) 150 angeordnet, der vergleichsweise lang ausgebildet ist und sich in den Hohlstutzen 141 hineinerstreckt. Am Boss 150 ist ein Anschlussventil 160 angeschraubt, das sich ebenfalls noch im Hohlstutzen 141 befindet. Weder der Boss 150 noch das Anschlussventil 160 sind in einen Kraftfluss durch den Lagerschild 200 eingebunden (d.h., der Boss 150 hat für den Drucktank 100 keine nennenswerte Befestigungs- oder Abstützfunktion). Zwischen der Innenumfangfläche des Hohlstutzens 141 und Boss 150 mit Anschlussventil 160 ist ein Ringspalt 170 vorgesehen. Der Hohlstutzen 141 weist ferner eine Knautsch- bzw. Deformationszone 145 auf, die sich in axialer Richtung L zwischen der Außenumfangsnut 142b und dem Flansch 143 befindet. Die Einkerbungen in der Knautschzone 145 bilden Ausgangspunkte (Triggerpunkte) für ein gezieltes Stauchfalten bei übermäßiger axialer Druckbelastung. Der Lagerschild 200 weist (anders als in 1 gezeigt) ein in die Außenumfangsnut 142b eingreifendes Halteelement 210 auf, wodurch axiale Kräfte übertragen werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015222392 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Lasttragender Drucktank (100) zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug, mit einem hohlzylindrischen Druckbehälter (110), der an beiden Enden Polkappen (120) und einen sich dazwischen erstreckenden Mantelbereich (130) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Polkappen (120) in axialer Richtung (L) vorstehende Lasthülsen (140a, 140b) angeordnet sind, die der Befestigung des Drucktanks (100) am Kraftfahrzeug sowie der Übertragung von Kräften und/oder Momenten zwischen Kraftfahrzeug und Drucktank (100) dienen.
  2. Drucktank (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasthülsen (140a, 140b) axial abragende Hohlstutzen (141) aufweisen, die mit Außenumfangsnuten (142a, 142b) ausgebildet sind, welche als Lagersitze dienen.
  3. Drucktank (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenumfangsnuten (142a, 142b) mit unterschiedlichen Nutbreiten ausgebildet sind, wobei die schmalere Außenumfangsnut (142b) an einer der Lasthülsen (140b) einen Festlagersitz und die breitere Außenumfangsnut (142a) an der anderen Lasthülse (140a) einen Loslagersitz bildet.
  4. Drucktank (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlstutzen (141) an wenigstens einer Lasthülse (140b) eine Abflachung (144) aufweist.
  5. Drucktank (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlstutzen (141) an wenigstens einer Lasthülse (141) mit einer Knautschzone (145) zur Aufnahme axialer Stoßkräfte ausgebildet ist.
  6. Drucktank (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlstutzen (141) an wenigstens einer Lasthülse (140b) ein Anschlussventil (160) für den Druckbehälter (110) angeordnet ist.
  7. Drucktank (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasthülsen (140a, 140b) tellerartige, an die Kontur der Polkappen (120) formangepasste Flansche (143) aufweisen, die mit den Polkappen (120) verklebt sind und/oder die in eine FKV-Umwicklung (132) des Druckbehälters (110) mit eingewickelt sind.
  8. Drucktank (100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasthülsen (140a, 140b) einstückig aus Metall oder Kunststoff gebildet sind.
  9. Kraftfahrzeug, insbesondere mit Brennstoffzellen- oder Gasantrieb, das wenigstens einen erfindungsgemäßen Drucktank (100), insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff für den Brennstoffzellenantrieb oder Gas für den Gasantrieb, aufweist, wobei der Drucktank (100) lasttragend an die Karosserie oder das Fahrwerk angebunden ist.
  10. Kraftfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung des Drucktanks (100) mittels teilbarer Lagerschilder (200) erfolgt.
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