DE102018204803A1 - Pressure vessel and pressure vessel arrangement for a vehicle - Google Patents
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- F17C2223/0161—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL cryogenic, e.g. LNG, GNL, PLNG
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- F17C2223/033—Small pressure, e.g. for liquefied gas
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter (10) mit einer Außenhülle (12) aus Faserverbundkunststoff (CFK, GFK) und einem zylinderähnlichen Mittelbereich und zwei sich daran anschließenden Endbereichen, sowie eine Druckbehälteranordnung (1) für ein Fahrzeug mit einem solchen Druckbehälter (10). Erfindungsgemäß umfasst der Druckbehälter (10) mindestens einen um den Mittelbereich (14) umlaufenden Ringbereich (20), welcher eine Mehrzahl von längs verlaufenden und äquidistant am Umfang verteilte Erhebungen (22) aufweist, welche dafür geeignet sind, mit entsprechenden Vertiefungen (32) eines um den Ringbereich (20) angeordneten und formschlüssig darauf angepassten ringähnlichen Anbindungselements (30) eine kraftschlüssige Verbindung einzugehen, welche zumindest zur Übertragung eines Torsionsmoments geeignet ist.The invention relates to a pressure vessel (10) with an outer shell (12) made of fiber composite plastic (CFK, GFK) and a cylinder-like central region and two adjoining end portions, and a pressure vessel assembly (1) for a vehicle with such a pressure vessel (10). According to the invention, the pressure vessel (10) comprises at least one annular region (20) encircling the central region (14), which has a plurality of longitudinally extending and equidistantly circumferentially distributed elevations (22) suitable for corresponding recesses (32) of one arranged around the annular region (20) and adapted thereto form-fitting adapted thereto ring-like connection element (30) to enter into a frictional connection, which is suitable at least for the transmission of a torsional moment.
Description
Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug mit einem solchen Druckbehälter.The invention relates to a pressure vessel according to the preamble of
Druckbehälter und korrespondierende Druckbehälteranordnungen für Fahrzeug sind in zahlreichen Variationen bekannt. Allgemein können solche Druckbehälter beispielsweise mit Gasen oder druckverflüssigten Gasen befüllt werden und daher eine erhebliche Energiemenge speichern. So kann beispielsweise ein sogenannter Typ-4-Hochdruckbehälter für komprimiertes Erdgas in einem heckseitigen Laderaum und/oder unterflurig im Bereich eines Mitteltunnels der Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeug verbaut sein, welches mit Erdgas betrieben wird.Pressure vessels and corresponding pressure vessel arrangements for vehicles are known in numerous variations. In general, such pressure vessels can be filled, for example, with gases or pressure-liquefied gases and therefore store a considerable amount of energy. Thus, for example, a so-called type 4 high-pressure container for compressed natural gas can be installed in a rear-side loading space and / or below ground in the area of a center tunnel of the vehicle body of a vehicle which is operated with natural gas.
Ein gattungsgemäßer Druckbehälter weist bevorzugt eine zylindrische Bauform auf, bei der ein zylindrischer Druckbehältermantel durch nach außen gewölbte, stirnseitigen Böden beidseitig verschlossen ist. Die Druckbehälterwand kann beispielsweise dreilagig aufgebaut sein und eine Innenlage, eine Mittellage aus einem Faserverbundkunststoff sowie eine Außenlage aus einem weiteren Faserverbundkunststoff umfassen. In dem oben erwähnten Typ-4-Hochdruckbehälter ist die Innenlage ein Kunststoff-Liner, der über Blasformen oder Rotations-/Sinter-Verfahren oder Thermoformverfahren hergestellt ist. Die den Kunststoff-Liner verstärkende Mittellage ist bevorzugt in einem Nasswickelverfahren als eine Faserwicklung auf den Kunststoff-Liner aufgewickelt. Exemplarisch besteht die Faserwicklung aus zum Beispiel Kohlenstoff-, Aramid-, Glas- und/oder Borfasern, die in einer Matrix aus Duromeren oder aus Thermoplasten eingebettet sind. Die Fasern sind in unterschiedlichen Faserorientierungen auf den Kunststoff-Liner aufgebracht. Die bevorzugt schlagabsorbierende Außenlage kann ebenfalls eine Faserwicklung sein, die in einem Nasswickelverfahren auf die Mittellage aufgewickelt wird. Die so gebildete Außenwicklung besteht beispielhaft aus Kohlenstoff- und/oder Glasfasern, die in einer Matrix eingebettet sind.A generic pressure vessel preferably has a cylindrical design, in which a cylindrical pressure vessel shell is closed on both sides by curved, outwardly curved bottoms. The pressure vessel wall may for example be constructed in three layers and comprise an inner layer, a middle layer of a fiber composite plastic and an outer layer of a further fiber composite plastic. In the above-mentioned type 4 high pressure container, the inner layer is a plastic liner made by blow molding or rotary / sintering method or thermoforming method. The plastic liner reinforcing middle layer is preferably wound in a wet winding process as a fiber winding on the plastic liner. By way of example, the fiber winding consists of, for example, carbon, aramid, glass and / or boron fibers which are embedded in a matrix of thermosets or of thermoplastics. The fibers are applied to the plastic liner in different fiber orientations. The preferred impact-absorbing outer layer may also be a fiber winding which is wound on the middle layer in a wet winding process. The outer winding thus formed consists, for example, of carbon and / or glass fibers embedded in a matrix.
Der fertiggestellte Hochdruckbehälter weist beispielsweise an einem stirnseitigen Behälterboden ein nach außen abragendes Halsstück auf, in das ein Ventil integriert ist. Ansonsten ist Hochdruckbehälter außenseitig meist komplett glattflächig ausgeführt. In seiner Einbaulage ist der Hochdruckbehälter in gängiger Praxis mittels Spannbänder lagegesichert, die die glattflächige Zylinderwand des Hochdruckbehälters umgreifen.The finished high-pressure container has, for example, on a front-side container bottom on an outwardly projecting neck piece, in which a valve is integrated. Otherwise, the high-pressure vessel is usually completely smooth on the outside. In its installed position, the high-pressure container is secured in position by means of clamping bands in conventional practice, which surround the smooth-surface cylinder wall of the high-pressure container.
Aus der
Aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckbehälter sowie eine Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug mit einem solchen Druckbehälter bereitzustellen, welcher in einfacher Weise als Versteifungselement torsionsfest an einer Fahrzeugstruktur angebunden werden kann.Object of the present invention is to provide a pressure vessel and a pressure vessel assembly for a vehicle with such a pressure vessel, which can be connected in a simple manner as a stiffening torsion-resistant to a vehicle structure.
Diese Aufgabe wird durch einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a pressure vessel having the features of
Um einen Druckbehälter sowie eine Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug, mit einem solchen Druckbehälter bereitzustellen, welcher in einfacher Weise als Versteifungselement torsionsfest an einer Fahrzeugstruktur angebunden werden kann, umfasst der Druckbehälter mindestens einen um einen Mittelbereich umlaufenden Ringbereich, welcher eine Mehrzahl von längs verlaufenden und äquidistant am Umfang verteilte Erhebungen aufweist. Die Erhebungen sind dafür geeignet, mit entsprechenden Vertiefungen eines um den Ringbereich angeordneten und formschlüssig darauf angepassten ringähnlichen Anbindungselements eine kraftschlüssige Verbindung einzugehen, welche zumindest zur Übertragung eines Torsionsmoments geeignet ist.In order to provide a pressure vessel and a pressure vessel arrangement for a vehicle, with such a pressure vessel, which can be connected in a simple manner torsionally rigid as a stiffening element to a vehicle structure, the pressure vessel comprises at least one circulating around a central region annular region which a plurality of longitudinally and equidistantly on Has circumferentially distributed surveys. The elevations are suitable for entering into a frictional connection with corresponding depressions of a ring-like connection element arranged around the ring area and adapted in a form-fitting manner thereto, which is suitable at least for transmitting a torsional moment.
Der Druckbehälter umfasst eine Außenhülle aus Faserverbundkunststoff und einen zylinderähnlichen Mittelbereich und zwei sich daran anschließende Endbereiche. Die Druckbehälteranordnung umfasst neben dem Druckbehälter eine Fahrzeugstruktur, welche mindestens ein ringähnliches Anbindungselement aufweist. Hierbei ist der Druckbehälter durch das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement in seinem mindestens einen Ringbereich torsionsfest an die Fahrzeugstruktur angebunden. Der Faserverbundkunststoff kann vorzugsweise ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) seinThe pressure vessel comprises an outer shell made of fiber composite plastic and a cylinder-like central region and two adjoining end regions. The pressure vessel arrangement comprises, in addition to the pressure vessel, a vehicle structure which has at least one ring-like attachment element. Here, the pressure vessel is connected by the at least one ring-like connection element in its at least one annular region torsionally fixed to the vehicle structure. The fiber composite plastic may preferably be a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) or a glass fiber reinforced plastic (GRP)
In vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters kann eine Behälterwand einlagig oder mehrlagig ausgeführt werden. So kann die Außenhülle einen fluiddichten Innenbehälter aus Metall oder aus faserverstärktem Kunststoff oder aus unverstärktem Kunststoff flächig umschließen oder den fluiddichten Innenbehälter selbst ausbilden. Dadurch kann der Druckbehälter massive Behälterwandstärken aufweisen und daher eine entsprechend hohe Bauteilstabilität bzw. Bauteilsteifigkeit bereitstellen und als Versteifungselement in der Fahrzeugstruktur bzw. Fahrzeugkarosserie verbaut werden. Vorzugweise wird der Druckbehälter in mindestens einen Lastpfad integriert und kann in einem Lastfall, beispielsweise bei einem Fahrzeugcrash oder im normalen Fahrbetrieb, beschädigungsfrei Betriebskräfte und/oder Crashkräfte aufnehmen und weiterleiten. Auf diese Weise können Längs- oder Querträger der Fahrzeugstruktur kräftemäßig entlastet werden, wodurch diese mit geringerer Materialstärke und/oder mit geringeren Abmessungen ausgelegt werden können. In an advantageous embodiment of the pressure vessel, a container wall can be made in one or more layers. Thus, the outer shell can surround a fluid-tight inner container made of metal or fiber-reinforced plastic or unreinforced plastic surface or form the fluid-tight inner container itself. As a result, the pressure vessel may have massive container wall thicknesses and therefore provide a correspondingly high component stability or component rigidity and be installed as a stiffening element in the vehicle structure or vehicle body. Preferably, the pressure vessel is integrated into at least one load path and, in a load case, for example in a vehicle crash or during normal driving operation, absorb and forward operating forces and / or crash forces without damage. In this way, longitudinal or cross member of the vehicle structure can be relieved in terms of strength, whereby they can be designed with lower material thickness and / or with smaller dimensions.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters kann der mindestens eine Ringbereich zusammen mit der Außenhülle aus Faserverbundkunststoff gefertigt werden. So kann der umlaufenden Ringbereich beispielsweise als eine Materialaufdickung außenseitig auf eine Mantelschicht der Außenhülle angeformt werden, wobei die Mantelschicht die Innenlage der Behälterwand im Wesentlichen vollständig umhüllt und eine weitgehend konstante Wanddicke aufweist. Dadurch ist Struktur zur Übertragung eines Torsionsmoments alleine in der Außenhülle der Behälterwand ausgebildet und ist ohne Einfluss auf die Innenhülle der Behälterwand. Somit wirkt sich die Übertragungsstruktur für Torsionsmomente nicht negativ auf die Bauteilstabilität des Druckbehälters aus, so dass eine betriebssichere Druckspeicherung nicht beeinträchtigt wird.In a further advantageous embodiment of the pressure vessel, the at least one annular area can be manufactured together with the outer shell made of fiber composite plastic. Thus, the circumferential annular region, for example, be formed as a material thickening on the outside on a cladding layer of the outer shell, wherein the cladding layer, the inner layer of the container wall substantially completely enveloped and has a substantially constant wall thickness. As a result, structure for transmitting a torsional moment alone in the outer shell of the container wall is formed and has no influence on the inner shell of the container wall. Thus, the transmission structure for torsional moments does not adversely affect the component stability of the pressure vessel, so that a reliable pressure storage is not affected.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters können die Erhebungen durch eine mechanische Nachbearbeitung, insbesondere durch eine spanabhebende Nachbearbeitung wie beispielsweise Fräsen, in den mindestens einen Ringbereich eingebracht werden.In a further advantageous embodiment of the pressure vessel, the elevations can be introduced by a mechanical post-processing, in particular by a machining post-processing such as milling, in the at least one annular region.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Druckbehälteranordnung kann das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement eine Mehrzahl von äquidistant am Umfang verteilte Vertiefungen mit der gleichen Teilung wie die Erhebungen des mindestens einen Ringbereichs aufweisen. Dadurch können die Erhebungen des mindestens einen Ringbereichs in die Vertiefungen des mindestens einen ringähnlichen Anbindungselements nach Art eines Zahnrads eingreifen, so dass die Torsionsmomente kraftschlüssig übertragen werden können. Das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement kann beispielsweise einteilig oder mehrteilig ausgeführt werden.In an advantageous embodiment of the pressure vessel arrangement, the at least one ring-like connecting element may have a plurality of recesses distributed equidistantly around the circumference with the same pitch as the elevations of the at least one annular area. As a result, the elevations of the at least one annular region can engage in the recesses of the at least one ring-like connecting element in the manner of a toothed wheel, so that the torsional moments can be transferred non-positively. The at least one ring-like connection element can for example be made in one piece or in several parts.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Druckbehälteranordnung kann die Fahrzeugstruktur zwei ringähnliche Anbindungselemente umfassen, welche einen vorgegebenen Abstand in Axialrichtung zueinander aufweisen und jeweils mit einem Ringbereich des Druckbehälters zusammenwirken können. Im Hinblick auf eine einwandfreie sowie beschädigungsfreie Krafteinleitung in den Druckbehälter können die beider Ringbereiche in Axialrichtung von den stirnseitigen Endbereichen beabstandet und vielmehr nur im zylinderähnlichen Mittelbereich des Behältermantels verlaufen.In a further advantageous embodiment of the pressure vessel arrangement, the vehicle structure may comprise two ring-like connection elements, which have a predetermined distance in the axial direction to each other and can each cooperate with an annular region of the pressure vessel. With regard to a perfect and damage-free introduction of force into the pressure vessel, the two annular regions can be spaced in the axial direction from the end-side end regions and instead only run in the cylinder-like central region of the container jacket.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention. Thus, embodiments are also included and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, however, emerge and can be produced by separated combinations of features from the embodiments explained.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Hierbei zeigen:
-
1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckbehälters; und -
2 eine schematische Schnittdarstellung von Komponenten einer erfindungsgemäßen Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Druckbehälter aus1 .
-
1 a schematic perspective view of an embodiment of a pressure vessel according to the invention; and -
2 a schematic sectional view of components of a pressure vessel assembly according to the invention for a vehicle with the pressure vessel according to the invention from1 ,
Wie aus
Wie aus
Wie aus
Die Druckbehälteranordnung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- DruckbehälteranordnungPressure vessel assembly
- 33
- Fahrzeugstrukturvehicle structure
- 1010
- Druckbehälterpressure vessel
- 1111
- Innenhülleinterior Skin
- 1212
- Außenhülleouter shell
- 1414
- Mittelbereichthe central region
- 16, 1816, 18
- Endbereichend
- 2020
- Ringbereichring area
- 2222
- Erhebungsurvey
- 2424
- Mantelschichtcladding layer
- 3030
- Anbindungselementconnecting element
- 3232
- Vertiefungdeepening
- 3434
- Außenseiteoutside
- ARAR
- Axialrichtungaxially
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102011051436 A1 [0005]DE 102011051436 A1 [0005]
- DE 102011113238 A1 [0006]DE 102011113238 A1 [0006]
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