DE102018205190A1

DE102018205190A1 - Kraftfahrzeug mit einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung sowie Verfahren zur Druckentlastung

Info

Publication number: DE102018205190A1
Application number: DE102018205190.9A
Authority: DE
Inventors: Timo Christ
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2019-10-10
Also published as: US11993142B2; US20210146774A1; WO2019192804A1; CN111902307A

Abstract

Die offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung 200 zur Druckentlastung von mindestens einem Druckbehälter 100 sowie ein Verfahren zur Druckentlastung. Ein Karosseriebodenelement 300 ist zumindest bereichsweise zwischen dem Fahrgastinnenraum I oder dem Kofferraum K und dem Druckbehälter 100 angeordnet. Ein Druckentlastungsauslöser 210 ist eingerichtet, die Druckentlastung direkt oder indirekt zu bewirken. Der Druckentlastungsauslöser 210 ist eingerichtet, Wärmeenergie aus dem Fahrgastinnenraum I oder dem Kofferraum K zur Auslösung der Druckentlastungseinrichtung 200 aufzunehmen, ohne dass die zur Auslösung aufgenommene Wärmeenergie zuvor durch das Karosseriebodenelement 300 auf den Druckentlastungsauslöser 210 übertragen wurde.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung zur Druckentlastung von mindestens einem Druckbehälter sowie ein Verfahren zur Druckentlastung. Ein solches Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein brennstoffzellenbetriebenes Kraftfahrzeug (FCEV) sein. Kommt es zu einem thermischen Event im Fahrzeuginnenraum, so wird angestrebt, dass der in der Regel gasförmige Brennstoff aus dem Druckbehälter abgelassen wird, bevor das thermische Event auf die lasttragenden Faserverbundschichten des Druckbehälters einwirkt. Hierzu sind aus dem Stand der Technik Druckentlastungsventile (engl. „thermal pressure relief device“ (=TPRD)) bekannt, die ab einer bestimmten Temperatur eine Druckentlastung bewirken.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, bei einem thermischen Event im Fahrzeuginnenraum eine Druckentlastung vom mindestens einem Druckbehälter vergleichsweise schnell bzw. sicher zu bewirken, bevorzugt ohne bzw. nur mit geringen negativen Auswirkungen auf Bauraum, Gewicht und/oder Kosten. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung zur Druckentlastung von mindestens einem Druckbehälter, wobei ein Karosseriebodenelement zumindest bereichsweise

i) zwischen dem Fahrgastinnenraum und dem Druckbehälter und/oder
ii) zwischen dem Kofferraum und dem Druckbehälter

Vorteilhaft ist eine solche Auslösung schneller als eine herkömmliche Auslösung, bei der die Wärmeenergie zunächst vom Karosseriebodenelement aufgenommen und anschließend an ein TPRD abgegeben wird. Ferner vorteilhaft ist die vorgeschlagene Lösung eine rein mechanisch/thermisch auslösende Vorrichtung ohne elektrischer Signalverarbeitung. Ein solches System ist sehr verlässlich.
Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen, ein Kraftrad oder ein Nutzfahrzeug sein. Das Kraftfahrzeug umfasst mindestens einen Druckbehälter. In der Regel werden die Druckbehälter samt ihrer peripheren Komponenten als Druckbehältersystem bezeichnet.
Der mindestens eine Druckbehälter dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff, z.B. komprimiertes („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtes (LNG) Erdgas oder Wasserstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein composite overwrapped pressure vessel (=COPV) sein. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2 oder COP) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
Die Druckentlastung ist der Vorgang, durch den aufgrund eines Ereignisses der Druck im Druckbehälter verringert wird. Das Ereignis ist insbesondere nicht die bestimmungsgemäße Entnahme zur Versorgung eines Energiewandlers, sondern insbesondere ein Störfall (z.B. thermisches Event). Die Druckentlastung beginnt i.d.R. mit der zumindest teilweisen Öffnung von einem Ventil und/oder einem Berstelement, welches unmittelbar fluidverbunden ist mit dem Druckbehälter.
Die Druckentlastung kann bevorzugt durch mindestens eine Druckentlastungseinrichtung des Kraftfahrzeugs erfolgen. Kommt es aufgrund einer Fehlfunktion einer anderen Komponente und/oder durch eine äußere thermische und/oder mechanische Einwirkung (z.B. Unfall, lokale Flamme, etc.) zu einem Störfall, so ist die Druckentlastungseinrichtung eingerichtet, den Druck im Druckbehältersystem, insbesondere im mindestens einen Druckbehälter zu verringern. Die Druckentlastungseinrichtung ist fluidverbunden mit dem mindestens einen Druckbehälter. Die Druckentlastungseinrichtung kann zweckmäßig eingerichtet sein, zur Druckentlastung des Druckbehälters einen Brennstoffentnahmemassenstrom zu ermöglichen, der größer (z.B. mindestens um den Faktor 1,5, 2, 5,10, 100 oder mehr höher) ist als der maximale Brennstoffentnahmemassenstrom durch den Entnahmepfad zum mindestens einen Energiewandler (i.d.R. durch ein Tankabsperrventil). Die mindestens eine Druckentlastungseinrichtung wird für die Befüllung des Druckbehältersystems und/oder für die Entnahme von Brennstoff zur Bereitstellung von Energie im Kraftfahrzeug im Betrieb ohne Störfall i.d.R. nicht eingesetzt. Zur Druckentlastung kann zweckmäßig ein zum Anodensubsystem paralleler Strömungspfad genutzt werden. I.d.R. wird durch die Druckentlastung der Druckbehälterinnendruck auf Atmosphärendruck abgesenkt.
Die Druckentlastungsvorrichtung kann eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung sein. Die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung, auch Thermal Pressure Relief Device (= TPRD) oder Thermosicherung genannt, ist i.d.R. benachbart zum Druckbehälter vorgesehen. Bei Hitzeeinwirkung (z.B. durch Flammen) wird durch das TPRD der im Druckbehälter gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen. Die Druckentlastungseinrichtung lässt den Brennstoff ab, sobald die Auslösetemperatur des TPRDs überschritten wird (=wird thermisch aktiviert).
Der Fahrgastinnenraum, auch Fahrgastzelle genannt, ist der Innenraum des Kraftfahrzeugs, in dem die Fahrzeuginsassen sich befinden. Der Fahrgastinnenraum wird in der Regel durch den Karosserieunterbau, das Fahrzeugdach, die dazwischen befindlichen Fahrzeugsäulen, Türen, Klappen und weitere Karosserieteile zur Separation des Fahrgastinnenraums von der Umwelt ausgebildet.
Das Karosseriebodenelement ist ein Teil der Fahrzeugkarosserie, die zweckmäßig den Karosserieunterbau zumindest teilweise mit ausbildet. In der Regel ist das Karosseriebodenelement eine Platte oder ein Blech. In einer Ausgestaltung bildet das Karosseriebodenelement zumindest teilweise den Mitteltunnel des Kraftfahrzeugs aus. In einer weiteren Ausgestaltung bildet das Karosseriebodenelement im Bereich der Rücksitze zumindest teilweise die Begrenzung zwischen dem Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum und dem Fahrzeugunterboden aus. Besonders bevorzugt ist das Karosseriebodenelement aus einem metallischen Werkstoff bzw. aus einer Metalllegierung hergestellt. Gemäß der hier offenbarten Technologie ist das Karosseriebodenelement zumindest bereichsweise zwischen dem Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum und dem mindestens einen Druckbehälter angeordnet.
Hier offenbarte Technologie umfasst ferner einen Druckentlastungsauslöser. Der Druckentlastungsauslöser ist eingerichtet, ohne elektrischen Strom die Druckentlastung direkt oder indirekt zu bewirken. Der Druckentlastungsauslöser kann eingerichtet sein, Wärmeenergie aus dem Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum zur Auslösung des Öffnungselementes aufzunehmen, ohne dass die zur Auslösung aufgenommene Wärmeenergie zuvor durch das Karosseriebodenelement auf den Druckentlastungsauslöser übertragen wurde.
Insbesondere kann der Druckentlastungsauslöser ein Auslösemedium umfassen, welches durch die im Inneren des Fahrgastinnenraums bzw. Kofferraums erzeugte Wärmeenergie erwärmt wird. Durch diese Wärmeaufnahme kann sich beispielsweise eine der folgenden Größen vom Auslösemedium verändern:

- Volumen vom erwärmten Auslösemedium;
- Aggregatzustand vom erwärmten Auslösemedium;
- Druck vom Auslösemedium innerhalb des Druckentlastungsauslösers; und/oder
- Temperatur des erwärmten Auslösemediums.

Zweckmäßig kann der Druckentlastungsauslöser derart gestaltet sein, dass er/sie durch die Aufnahme von Wärmeenergie auf eine Temperatur erwärmt wird, die gleich ist oder die höher ist als die Auslösetemperatur der Druckentlastungseinrichtung bzw. des Öffnungselementes.
In einer Ausgestaltung kann zumindest eine Oberfläche des Druckentlastungsauslösers zumindest teilweise im Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum angeordnet sein. Alternativ kann zumindest eine Oberfläche in das Karosseriebodenelement eingelassen sein. Zweckmäßig ist die zumindest eine Oberfläche eingerichtet, direkt vom thermischen Event emittierte Wärmeenergie z.B. über Wärmestrahlung bzw. über die Luft im Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum zumindest teilweise direkt aufzunehmen.
Mit anderen Worten ist also vorteilhaft vorgesehen, dass zumindest ein Druckentlastungsauslöser näher zum Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum angeordnet ist als die thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung selbst.
Noch einmal anders ausgedrückt ist also vorteilhaft der
Druckentlastungsauslöser nicht wie ein herkömmliches TPRD derart unterhalb des Karosseriebodenelements ohne mechanischen Kontakt zu diesem angeordnet, dass die Wärmeenergie aus dem Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum lediglich mittelbar über das Karosseriebodenelement aufnimmt.
Der Druckentlastungsauslöser kann eingerichtet sein, zur Druckentlastung des mindestens einen Druckbehälters die aus dem Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum aufgenommene Wärmeenergie zumindest teilweise an das Öffnungselement abzugeben. Zweckmäßig kann hierzu ein im Druckentlastungsauslöser gespeichertes Auslösemedium die Wärmeenergie aus dem Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum zumindest teilweise aufnehmen und zum Öffnungselement transportieren. Insbesondere kann der Druckentlastungsauslöser derart gestaltet sein, dass zum Transport der Wärmeenergie das Auslösemedium selbst transportiert wird. Insbesondere kann so viel Wärmeenergie an das Öffnungselement abgegeben werden, dass das Öffnungselement thermisch aktiviert wird und es zur Druckentlastung kommt.
Besonders bevorzugt kann der Druckentlastungsauslöser derart ausgebildet und angeordnet sein, dass das im Druckentlastungsauslöser bevorratete Auslösemedium zur thermischen Aktivierung des Öffnungselements mit dem Öffnungselement zumindest teilweise in Kontakt bringbar ist. In einer Ausgestaltung kann der Druckentlastungsauslöser derart ausgebildet und angeordnet sein, dass das Auslösemedium zur thermischen Aktivierung das Öffnungselement an- oder umströmen kann.
Das Auslösemedium kann einen festen oder flüssigen Aggregatzustand aufweisen, falls die Temperatur vom Auslösemedium geringer ist als eine Grenztemperatur, wobei die Grenztemperatur für ein thermisches Event im Fahrgastinnenraum bzw. Kofferraum indikativ sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann das Auslösemedium einen flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand aufweisen, falls die Temperatur vom Auslösemedium die Grenztemperatur erreicht oder übersteigt. Die Grenztemperatur kann beispielsweise mindestens um den Faktor 1,2 oder mindestens um den Faktor 1,5 oder mindestens um den Faktor 2 oder mindestens um den Faktor 4 höher sein als die Auslösetemperatur der thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung bzw. vom Öffnungselement.
Die Druckentlastungseinrichtung weist mindestens ein thermisch aktivierbares bzw. betätigbares Öffnungselement auf. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann der Druckentlastungsauslöser eingerichtet sein, zur Druckentlastung das Öffnungselement thermisch zu aktivieren. Bei der thermischen Aktivierung, üblicherweise bei einer Auslösetemperatur von ca. 110 °C und mehr, verändern die Öffnungselemente ihre Form oder werden zerstört (thermisches Aktivieren). Dadurch öffnet sich die Druckentlastungseinrichtung. Durch die thermische Aktivierung kann das Öffnungselement seine Form verändern. Alternativ oder zusätzlich kann durch thermische Aktivierung das Öffnungselement zerstört werden. Der Begriff „Öffnungselement“ ist im Rahmen der hier offenbarten Technologie auf den Bereich der Druckentlastungseinrichtung beschränkt, der durch die thermische Aktivierung in seiner Form veränderbar bzw. zerstörbar ist. Im geschlossenen Zustand der Druckentlastungseinrichtung bewirkt das Öffnungselement direkt oder indirekt, dass die Druckentlastungseinrichtung einen Strömungspfad vom Inneren des Druckbehälters zur Umgebung nicht freigibt. Beim indirekten Verschließen hält das Öffnungselement beispielsweise einen Ventilkörper, wobei der Ventilkörper wiederum die Druckentlastungseinrichtung verschließt.
Das Öffnungselement ist zweckmäßig so ausgebildet, dass es bei einer Auslösetemperatur, beispielsweise von 110 ℃, öffnet (, d.h. es gibt den Strömungspfad vom Inneren des Druckbehälters zur Umgebung frei). Die Auslösetemperatur ist so gewählt, dass bei einem thermischen Ereignis, z.B. ein Fahrzeugbrand, ein Bersten des Druckbehälters durch thermische Strukturschwächung vermieden wird. Das Öffnungselement kann beispielsweise als Glasampulle ausgebildet sein. Eine solche Glasampulle ist ein fluidgefüllter Berstkörper. Die Glasampulle weist ein geschlossenes Fluidvolumen auf, das von einem auch bei der Auslösetemperatur vergleichsweise spröden bzw. zerbrechlichen Material (z.B. Glas) umgeben ist. Das Material für die Glasampulle ist nicht auf „Glas“ beschränkt, sondern es kann jedes Material gewählt werden, dass ausreichend spröde ist. Das Fluidvolumen ist mit einem Fluid gefüllt, welches sich bei Erwärmung vergleichsweise stark ausdehnt. Steigt nun die Temperatur auf die Auslösetemperatur an, so bricht die Glasampulle und bewirkt somit das Auslösen der Druckentlastungseinrichtung (=Freigabe des Strömungspfads zur Umgebung). Alternativ oder zusätzlich kann ein Schmelzlot vorgesehen sein. Steigt die Temperatur in der Druckentlastungseinrichtung auf die Auslösetemperatur an, so wird das Schmelzlot weich. Das erweichte Schmelzlot wird durch eine vom Druckbehälterinnendruck direkt oder indirekt erzeugte Kraft verformt. Diese Verformung des Schmelzlots bewirkt ein Auslösen der Druckentlastungseinrichtung.
Druckentlastungseinrichtungen mit solchen Öffnungselementen sind beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen DE 10 2016 206192 , DE 10 2016 217028 , DE 10 2016 213288 , DE 10 2016 218692 , DE 10 2016 222668 und DE 10 2017 205645 offenbart, deren Inhalt bzgl. der Druckentlastungseinrichtung bzw. des Öffnungselementes per Verweis hiermit hier mit aufgenommen werden.
Der hier offenbarte Druckentlastungsauslöser kann mindestens einen Verschluss aufweisen. Der Verschluss kann eingerichtet sein, bei Erreichen oder Übersteigen der Auslösetemperatur zu schmelzen oder zu bersten. Bevorzugt kann der Verschluss als Schmelzscheibe oder als Berstscheibe ausgebildet sein. Insbesondere kann das Auslösemedium dergestalt sein, dass ab einer bestimmten Temperatur der Druck im Druckentlastungsauslöser auf einen Wert ansteigt, bei dem die Berstscheibe bricht.
Zweckmäßig kann der Druckentlastungsauslöser derart angeordnet und ausgebildet sein, dass das Auslösemedium zur Druckentlastung allein durch Schwerkraft und/oder Druckdifferenz zwischen Auslösemedium und Umgebung ausströmen kann. Vorteilhaft kann hierzu der Verschluss in der Einbaulage des Druckentlastungsauslösers an der tiefsten Stelle vorgesehen sein. Zweckmäßig ist der Druckentlastungsauslöser in Richtung der Fahrzeughochachse über der thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung ausgebildet.
In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Druckentlastungsauslöser eine Auslöseleitung umfasst, wobei die Auslöseleitung oder ein damit wirk- bzw. fluidverbundenes Element zumindest teilweise durch das Karosseriebodenelement hindurchgeführt ist.
Ein solches System zur thermischen Druckentlastung mit einer Auslöseleitung ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer DE 10 2015222252 A1 gezeigt.
Die Auslöseleitung kann eine Leitung sein, insbesondere ein Rohr, das sich bevorzugt zumindest bereichsweise über die Oberfläche des Druckbehälters erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich die Auslöseleitung zumindest teilweise über einen Mittelbereich bzw. Mantelbereich des Druckbehälters. Der Mittelbereich ist i.d.R. zylinderförmig ausgebildet und/oder zwischen den Enden vom Druckbehälter angeordnet. Bevorzugt verläuft die Auslöseleitung zumindest bereichsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Druckbehälters. Besonders bevorzugt verläuft die Auslöseleitung helixförmig bzw. wendelförmig oder mäanderförmig über die Oberfläche des Druckbehälters. Bevorzugt sind benachbarte Abschnitte der Auslöseleitung derart beabstandet, dass ein zwischen diesen benachbarten Abschnitten auftretendes thermisches Ereignis sicher detektiert wird bzw. das Sicherheitsventil das Brenngas sicher ablässt bevor der Druckbehälter beschädigt wird.
Besonders bevorzugt erstreckt sich eine mit einer Druckentlastungseinheit eines ersten Druckbehälters verbundene erste Auslöseleitung zumindest teilweise über die Oberfläche (z.B. über die Mittelbereiche bzw. Mantelbereiche) eines zweiten Druckbehälters. Vorteilhaft kann somit eine einzige Auslöseleitung thermische Events an beiden Druckbehältern erfassen und eine Druckentlastung eines Druckbehälter herbeiführen.
Bevorzugt kann eine Auslöseleitung die jeweilige Druckentlastungseinheit der Druckbehälter zur Ausbildung eines gemeinsamen Fluidsystems miteinander verbinden. Ein solcher Aufbau ist besonders kompakt und kostengünstig zu realisieren. Vorteilhaft ist also ein Ende der Auslöseleitung an eine erste Druckentlastungseinheit des ersten Druckbehälters angeschlossen und ein zweites Ende der Auslöseleitung ist an eine zweite Druckentlastungseinheit des zweiten Druckbehälters angeschlossen. Besonders bevorzugt verläuft eine solche Auslöseleitung zumindest teilweise durch die Mittelbereiche der Druckbehälter.
Es können auch zwei Auslöseleitungen vorgesehen sein, die jeweils über separate Fluidsysteme mit den jeweiligen Ventilen der jeweiligen Druckbehälter fluidverbunden sind. Diese Auslöseleitungen verlaufen bevorzugt ebenfalls über den ersten und zweiten Druckbehälter (insbesondere über deren Mittelbereiche bzw. Mantelbereiche).
Die Auslöseleitung kann insbesondere druckbeständig ausgebildet sein, insbesondere derart, dass die Auslöseleitung aufgrund einer betriebsbedingten Druckerhöhung sich nicht ausdehnt und/oder beschädigt wird und/oder sich verschließt aufgrund einer nicht betriebsbedingten mechanischen Einwirkung, wobei für die Funktion unbeachtliche Ausdehnungen und mechanische Einwirkungen unbeachtlich sind. Somit kann vorteilhaft ein besonders betriebssicheres Sicherheitsventil realisiert werden.
Bevorzugt ist die Leitung aus einem Metall gefertigt. Ferner bevorzugt kann die Leitung aus einem Material mit einem Schmelzpunkt weit oberhalb der Auslösetemperatur ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist eine Auslöseleitung, die in radialer Richtung eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in Axialrichtung der Auslöseleitung. Vorteilhaft wird somit eine Wärmeleitung in den nachstehend beschriebenen Stoff forciert, wohingegen eine i.d.R. unerwünschte Wärmeableitung entlang der Auslöseleitung reduziert werden kann.
Die Auslöseleitung kann mit dem Auslösemedium gefüllt sein. Ferner ist vorstellbar, dass eine Heat Pipe bzw. ein Zündschnur als Auslöseleitungen eingesetzt werden.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ebenso ein Verfahren zur Druckentlastung eines Kraftfahrzeuges, insbesondere des hier offenbarten Kraftfahrzeuges mit der hier offenbarten Druckentlastungseinrichtung und/oder des hier offenbarten Öffnungselementes bzw. mindestens einen Druckbehälters. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Wärmeenergie eines thermischen Events wird im Fahrgastinnenraum oder im Kofferraum zumindest teilweise von einem Auslösemedium aufgenommen;
- das durch die Aufnahme erwärmte Auslösemedium wird zumindest teilweise zu einem thermisch aktivierbaren Öffnungselement der Druckentlastungseinrichtung (200) transportiert; und
- das transportierte Auslösemedium gibt anschließend die Wärmeenergie zumindest teilweise an das Öffnungselement ab, wodurch das Öffnungselement thermisch aktiviert wird.

Merkmale, die im Zusammenhang mit dem hier offenbarten Kraftfahrzeug offenbart sind, sind gleichsam bei dem hier offenbarten Verfahren einsetzbar.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie eine Technologie zur Druckentlastung. Die bei einem thermischen Event (z.B. Brand) auftretenden hohen Temperaturen können vorteilhaft gemäß der hier offenbarten Technologie das/die TPRD schneller erreichen als die Druckspeicherarmierung. In einer Ausgestaltung wird bei der hier offenbarten Technologie ein Prinzip basierend auf Wärmetransport durch Massenstrom vorgeschlagen. Es wird vorgeschlagen, ein Medium im Innenraum auf dem Karosserieblech möglichst nahe dem/den TPRD zu verorten, das bei einem thermischen Event direkt Wärme absorbieren und sich bei Erreichen einer bestimmten Temperatur als Fluid in Bewegung setzten und zum TPRD strömen kann. Dort kann vorteilhaft durch die hohe Temperatur des Fluids/Auslösemedium die Druckentlastung ausgelöst werden.
Als Auslösemedium können bevorzugt nicht brennbare Medien mit hohen Siedepunkten und/oder hohen Wärmekapazitäten eingesetzt werden. Bevorzugt handelt es sich um ein nicht brennbares Auslösemedium. Folgende Lösungen sind bevorzugt:

1. Als Auslösemedium kann eine Flüssigkeit eingesetzt werden, bevorzugt Kohlenwasserstoffe bzw. Öle, z.B. „Fluorinert PC70“ der Firma 3M. Bevorzugt weist die Flüssigkeit sowohl beim Normalbetrieb des Kraftfahrzeugs als auch bei einem thermischen Event im Fahrgastinnenraum I bzw. im Kofferraum K einen flüssigen Aggregatzustand auf. Das Strömungsinitial kann beispielsweise durch i) eine Schmelzscheibe mit Schmelztemperatur etwa kurz unterhalb des Siedepunktes des Mediums oder durch ii.) Bersten einer Berstscheibe durch Volumenzuwachs der Flüssigkeit erfolgen.
2. Als Auslösemedium kann ein Schmelzlot eingesetzt werden, z.B. Metall, Kunststoff oder langkettiges Wachs. Bevorzugt hat das Schmelzlot einen Schmelzpunkt oberhalb der normalen Betriebstemperatur. Insbesondere kann das Schmelzlot im Normalbetrieb einen festen Aggregatzustand und bei einem thermischen Event im Fahrgastinnenraum I bzw. Kofferraum K ein flüssigen Aggregatszustand einnehmen. Das Strömungsinitial kann beispielsweise durch i) Schmelzen des Mediums und/oder durch ii) eine Schmelzscheibe mit höherer Schmelztemperatur als das Medium erfolgen. Vorteilhaft kann somit in jedem Fall ausreichend Wärme ins Medium eingebracht werden, um ein Wiedererstarren auf dem Weg zum TPRD zu vermeiden.
3. Als Auslösemedium kann ferner eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt nicht weit oberhalb der üblichen Kraftfahrzeug-Betriebstemperaturen eingesetzt werden, z.B. Wasser. Im Normalbetrieb kann die Flüssigkeit den flüssigen Aggregatszustand aufweisen, wohingegen es bei einem thermischen Event im Fahrgastinnenraum I bzw. Kofferraum K den gasförmigen Aggregatszustand einnehmen kann. Das Strömungsinitial kann beispielsweise durch Bersten einer Berstscheibe bei einem Druck, der einer ausreichend hohen Dampftemperatur zuzuordnen ist, geschehen.

Der Behälter des wärmetransportierenden Mediums kann nach oben (zum Innenraum I hin) offen oder geschlossen ausgeführt sein, um im offenen Fall zusätzlich zum bzw. zeitlich nach dem strömenden Fluid auch heiße Luft oder Brandgase vom Innenraum zum TPRD zu führen. Die bereits oben genannte Schmelzscheibe kann als Verschluss der nach oben offenen Variante des Apparates während des normalen Fahrzeugbetriebs dienen. Der Apparat kann mit einer möglichst große Oberfläche des Wärme-/Fluidsspeichers im Innenraum I vorgesehen sein (z.B. mittels Rippen), um möglichst schnell Wärme aufzunehmen. Eine Schlauchverbindung vom Behälter zum TPRD kann das fluide Medium zum Zielort leiten. Dort kann das Medium z.B. durch einen Ausströmer verteilt oder durch einen im TPRD integrierten Wärmetauscher geleitet werden, um den Wärmeübergang vom Mediums auf das TPRD zu verbessern.
Vorteilhaft kann somit die thermische Barriere des Karosserieblechs schneller bzw. sicherer überwunden werden. Der Wärmeeintrag in die faserverstärkte Schicht vom Druckbehälter bis zur Auslösung vom TPRD kann somit verringert werden.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht der hier offenbarten Technologie; und
2 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie.

Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht, bei der ein Druckbehälter 100 einen Liner 110 und eine faserverstärkte Schicht 120 aufweist. Der Druckbehälter umfasst ein Tankabsperrventil 130, welches an einem Ende des Druckbehälters 100 in ein Boss des Druckbehälters 100 eingesetzt ist. Der Druckbehälter 100 und das Tankabsperrventil 130 können jede geeignete Gestalt aufweisen.
Der Druckbehälter 100 wird durch das Karosseriebodenelement 300 vom Fahrgastinnenraum I bzw. Kofferraum M abgeschirmt. Das Karosseriebodenelement 300 kann beispielsweise der Mitteltunnel eines Kraftfahrzeugs sein. Ebenso ist denkbar, dass der Druckbehälter 100 unterhalb der Fahrzeugsitze bzw. unterhalb vom Kofferraum K angeordnet ist. Je nach Einsatzort kann das Karosseriebodenelement 300 von einem Teppichmaterial 310 bedeckt sein. In das Karosseriebodenelement 300 ist hier ein Druckentlastungsauslöser 210 eingelassen. Eine obere Oberfläche des Druckentlastungsauslösers 210 ragt hier in den Fahrgastinnenraum I bzw. Kofferraum K. Der hier gezeigte Druckentlastungsauslöser 210 umfasst ein Innenvolumen 211, in dem das Auslösemedium bevorratet ist. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs weist der Druckentlastungsauslöser 210 eine Verrippung 212 auf. Der Druckentlastungsauslöser 210 umfasst einen Verschluss 216, der an der Unterseite vom Druckentlastungsauslöser 110 an der tiefsten Stelle angeordnet ist. In der hier dargestellten Ausgestaltung ist der Druckentlastungsauslöser 210 in seiner Einbaulage direkt in Fahrzeughochachse gesehen über der thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinheit 200 angeordnet. Ein Auslösemedienkanal 214 dient dazu, das Auslösemedium direkt auf das Öffnungselement der thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung 200 auszugießen. Als Auslösemedium kann jedes geeignete Medium eingesetzt werden.
Die Druckentlastungseinrichtung 200 ist eingerichtet, nach deren thermischen Aktivierung ein Strömungspfad vom Inneren des Druckbehälters 100 zur Umgebung freizugeben. Vereinfachend weggelassen wurde hier der/die Befüll- bzw. Entnahmeströmungspfad(e). Diese können nach Belieben ausgestaltet sein. Bevorzugt ist der Druckentlastungspfad fluidisch parallel ausgebildet. In der hier dargestellten Ausführung ist lediglich eine Druckentlastungseinrichtung 200 am Druckbehälter 100 vorgesehen. Gleichsam können mehrere thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtungen 200 am Druckbehälter 100 vorgesehen sein. Beispielsweise kann an jedem Ende jeweils eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung 200 vorgesehen sein. Kommt es nun zu einem thermischen Event im Fahrgastinnenraum I bzw. im Kofferraum K, so kann die Temperatur vom Auslösemedium im Innenvolumen 211 auf eine Temperatur einsteigen, die oberhalb der Grenztemperatur liegt (z.B. 500°C). Ist dies der Fall, so kann in einer Ausgestaltung der Druck im Innenvolumen 211 so stark ansteigen, dass der als Berstscheibe ausgebildet Verschluss 216 zerstört wird. Das nun stark erhitzte Auslösemedium strömt aufgrund der Schwerkraft und/oder Druckdifferenz zwischen Auslösemedium und Umgebung aus dem Druckentlastungsauslöser 210 aus und wird durch den Auslösemedienkanal 214 auf das Öffnungselement der thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung 200 gelenkt. Das zuvor durch das thermische Event erhitzte Auslösemedium gibt einen Teil der Wärmeenergie beim An- oder Umströmen des Öffnungselementes an das Öffnungselement ab. Hierdurch wird das Öffnungselement so stark erwärmt, dass die Temperatur vom Öffnungselement auf einen Wert ansteigt, der oberhalb der Auslösetemperatur liegt. Somit wird das Öffnungselement thermisch aktiviert. Ist beispielsweise ein Schmelzlot vorgesehen, so schmilzt das Schmelzlot und gibt direkt oder indirekt den Druckentlastungs-Strömungspfad der Druckentlastungseinrichtung 200 frei. Im Vergleich zu vorbekannten Lösung wird somit die Wärmeenergie aus dem Fahrgastinnenraum I bzw. Kofferraum K viel schneller und direkter an das TPRD herangeführt. Das TPRD kann somit schneller und sicherer auslösen. Somit kann der Brennstoff sicher entweichen, noch bevor die faserverstärkte Schicht 120 durch die durch das Karosseriebodenelement 300 an die faserverstärkte Schicht 120 übertragene Wärmeenergie geschwächt wird.
Bei der nachfolgenden Beschreibung des in 2 dargestellten alternativen Ausführungsbeispiels werden für Merkmale, die im Vergleich zum in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise identisch und/oder zumindest vergleichbar sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und/oder Wirkweise der vorstehend bereits beschriebenen Merkmale.
Die 2 zeigt ein Druckbehälter 100 und ein Karosseriebodenelement 300, welches genauso ausgeführt sein kann wie es im Zusammenhang mit der Figur eins beschrieben wurde. Abweichend ist hier der Druckentlastungsauslöser 210 als eine Auslöseleitung 217 ausgeführt. Die Auslöseleitung 217 ragt hier in den Mantelbereich des Druckbehälters rein. Die Auslöseleitung 217 ist eingerichtet, ein thermisches Event im Mantelbereich direkt oder indirekt zu erfassen und das Auslösen der thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung 200 zu bewirken. Beispielsweise kann die Auslöseleitung 217 mit einem Auslösemedium gefüllt sein, dass in Abhängigkeit von der Temperatur den Druck in der Auslöseleitung 217 steigert oder reduziert. Gleichsam könnte die Auslöseleitung 217 eine Zündschnur oder eine Heat-Pipe sein. Die konkrete Ausgestaltung der Auslöseleitung 217 und der Druckentlastungseinrichtung 200 kann jede geeignete Ausgestaltung sein, sofern insbesondere ein thermisches Event unmittelbar benachbart zur Auslöseleitung 217 mittels der Auslöseleitung 217 direkt oder indirekt erfasst wird, und sofern die Auslöseleitung 217 eingerichtet ist, dass beim Überschreiten der Auslösetemperatur der Auslöseleitung 217 benachbart zum thermischen Event die Auslöseleitung 217 die Druckentlastung mittels der Druckentlastungseinrichtung 200 bewirkt. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann nun eine solche Auslöseleitung 217 oder ein damit wirkverbundenes (hier fluidverbundenes) Element zumindest teilweise durch das Karosseriebodenelement hindurchgeführt sein. Beispielsweise kann der Schlauch bzw. das Rohr teilweise durch den Fahrgastinnenraum I und/oder den Kofferraum K verlaufen. Im hier dargestellten Beispiel mündet ein Element (hier ein Kopfteil) der Auslöseleitung 217 im Fahrgastinnenraum I bzw. Kofferraum K. Kommt es nun zu einem thermischen Event im Fahrgastinnenraum I bzw. Kofferraum K, so erwärmt sich das Auslösemedium im Kopfteil auf eine Temperatur oberhalb der Auslösetemperatur. Dies bewirkt eine Druckentlastung mittels der Druckentlastungseinrichtung 200. Als Druckentlastungsmechanismus kann beispielsweise der Mechanismus genutzt werden, wie er in der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2018 203183 offenbart ist. Die Offenbarung der DE 10 2018 203183 bezüglich des Druckentlastungsmechanismus wird hiermit per Verweis hier mit aufgenommen. Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, thermische Events an unterschiedlichen Orten zu detektieren.
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, der/ein Druckentlastungsauslöser, das/ein Karosseriebodenelement, die/eine faserverstärkte Schicht, der/ein Liner, das/ein Öffnungselement, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, der mindestens eine Druckentlastungsauslöser, das mindestens eine Karosseriebodenelement, die mindestens eine faserverstärkte Schicht, der mindestens ein Liner, das mindestens eine Öffnungselement, etc.).
Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen senkrechte Achse“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „senkrechte Achse“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft/ des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von senkrechte Achse“).
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016206192 [0022]
DE 102016217028 [0022]
DE 102016213288 [0022]
DE 102016218692 [0022]
DE 102016222668 [0022]
DE 102017205645 [0022]
DE 102015222252 A1 [0025]
DE 102018203183 [0044]

Claims

Kraftfahrzeug mit einer thermisch aktivierbaren Druckentlastungseinrichtung (200) zur Druckentlastung von mindestens einem Druckbehälter (100), - wobei ein Karosseriebodenelement (300) zumindest bereichsweise zwischen dem Fahrgastinnenraum (I) oder dem Kofferraum (K) und dem Druckbehälter (100) angeordnet ist; - wobei ein Druckentlastungsauslöser (210) eingerichtet ist, die Druckentlastung direkt oder indirekt zu bewirken; und - wobei der Druckentlastungsauslöser (210) eingerichtet ist, Wärmeenergie aus dem Fahrgastinnenraum (I) oder aus dem Kofferraum (K) zur Auslösung der Druckentlastungseinrichtung (200) aufzunehmen, ohne dass die zur Auslösung aufgenommene Wärmeenergie zuvor durch das Karosseriebodenelement (300) auf den Druckentlastungsauslöser (210) übertragen wurde.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, wobei zumindest eine Oberfläche des Druckentlastungsauslösers (210) zumindest teilweise im Fahrgastinnenraum (I) oder im Kofferraum (K) angeordnet ist oder in das Karosseriebodenelement (300) eingelassen ist.
Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Druckentlastungseinrichtung (200) mindestens ein thermisch aktivierbares Öffnungselement aufweist; und wobei der Druckentlastungsauslöser (210) eingerichtet ist, das Öffnungselement thermisch zu aktivieren.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, wobei der Druckentlastungsauslöser (210) eingerichtet ist, die aufgenommene Wärmeenergie zumindest teilweise an das Öffnungselement abzugeben.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, wobei im Druckentlastungsauslöser (210) ein Auslösemedium bevorratet ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, wobei der Druckentlastungsauslöser (210) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass das Auslösemedium zur thermischen Aktivierung des Öffnungselements mit dem Öffnungselement zumindest teilweise in Kontakt bringbar ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Auslösemedium einen festen oder flüssigen Aggregatzustand aufweist, falls die Temperatur vom Auslösemedium geringer ist als eine Grenztemperatur, wobei die Grenztemperatur für ein thermisches Event im Fahrgastinnenraum (I) oder im Kofferraum (K) indikativ ist; und/oder wobei das Auslösemedium einen flüssigen oder gasförmigen Aggregatzustand aufweist, falls die Temperatur vom Auslösemedium die Grenztemperatur erreicht oder übersteigt.
Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 7, wobei der Druckentlastungsauslöser (210) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass das Auslösemedium zur Druckentlastung allein durch Schwerkraft und/oder durch Druckdifferenz zwischen Auslösemedium und Umgebung ausströmen kann.
Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Druckentlastungsauslöser (210) mindestens einen Verschluss (216) aufweist, wobei der Verschluss (216) eingerichtet ist, bei Erreichen oder Übersteigen einer Auslösetemperatur zu schmelzen oder zu bersten.
Kraftfahrzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Druckentlastungsauslöser (210) eine Auslöseleitung (217) umfasst, wobei die Auslöseleitung (217) oder ein damit wirkverbundenes Element zumindest teilweise durch das Karosseriebodenelement (300) hindurchgeführt ist.
Verfahren zur Druckentlastung eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug eine Druckentlastungseinrichtung (200) zur Druckentlastung von mindestens einem Druckbehälter (100) umfasst, umfassend die Schritte: - Wärmeenergie eines thermischen Events wird im Fahrgastinnenraum (I) oder im Kofferraum (K) des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise von einem Auslösemedium aufgenommen; - das durch die Aufnahme erwärmte Auslösemedium wird zumindest teilweise zu einem thermisch aktivierbaren Öffnungselement der Druckentlastungseinrichtung (200) transportiert; und - das transportierte Auslösemedium gibt die Wärmeenergie zumindest teilweise an das Öffnungselement ab, wodurch das Öffnungselement thermisch aktiviert wird.