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Die Erfindung betrifft einen Druckgastank für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Druckgastanks bzw. Druckbehälter werden im Automobilbereich verwendet, um bspw. Erdgas, Autogas oder Wasserstoff für Brennstoffzellen aufzunehmen. Der Druckgastank weist dabei üblicherweise einen zylindrischen Mittelabschnitt auf, an den sich endseitig gewölbte oder domartige Endabschnitte anschließen. Üblicherweise weist ein Druckgastank einen Innenmantel auf, der von einem Außenmantel umgeben ist, der aus gewickelten Endlosfasern (Rovings) in einer Polymermatrix besteht. Die Faserverstärkung ist oftmals wesentlich für eine ausreichende Druckfestigkeit. Es sind Druckgastanks bekannt, die ausschließlich aus Metall gefertigt sind, sowie solche, die aus Metall gefertigt und ausschließlich im zylindrischen Mittelabschnitt faserverstärkt sind. Andere Druckgastanks weisen einen Innenmantel aus Metall auf und sind sowohl im Mittelabschnitt als auch in den Endabschnitten faserverstärkt, wieder andere weisen einen Innenmantel aus einem Polymer auf, der im Mittelabschnitt und in den Endabschnitten faserverstärkt ist und der endseitig metallische Endstücke für ein Ventil bzw. einen Verschluss aufweist. Während des Betankens heizt sich der Druckgastank stark auf, hauptsächlich aufgrund der Kompression des Gases innerhalb des Tanks (sowie ggf. in einer zum Tank führenden Leitung). Dabei kann die Gefahr bestehen, dass eine aus Sicherheitsgründen vorgegebene Maximaltemperatur des Tanks überschritten wird. Um dies zu verhindern, muss entweder die Betankung langsamer erfolgen oder das Gas muss vor dem Betanken vorgekühlt werden, was energetisch aufwändig ist. In einigen Fällen muss die Betankung aus Sicherheitsgründen automatisch unterbrochen werden, falls die Maximaltemperatur erreicht bzw. überschritten wird.
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Die
US 7 377 294 B2 offenbart ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Tank zur Aufnahme von Druckgas, welcher durch eine Treibstoffleitung mit einer Hochdruck-Betankungsleitung verbindbar ist. Wärmeabsorbierende Mittel sind im Tank vorgesehen, um Wärme beim Betanken aufzunehmen, wobei der Kühleffekt des sich ausdehnenden Gases im Tank genutzt wird, wenn dieser mit der Betankungsleitung verbunden ist. Eine Leitung ist mit den wärmeabsorbierenden Mitteln verbunden, um aufgenommene Wärme an eine wärmeabgebende Vorrichtung zu überführen, welche die Wärme an eine Umgebung des Tanks abführt. Gemäß einer Ausführungsform weist der Tank zwei gegenüberliegende Endstücke auf, wobei eine Treibstoffleitung durch ein erstes Endstück in den Tank eingeführt ist, mehrfach zwischen den Endstücken hin und her geführt ist und aus dem ersten Endstück wieder austritt. Danach verläuft die Treibstoffleitung durch einen Wärmetausche, bevor sie wieder durch das erste Endstück in den Tank eintritt, wo sie in dessen Innenraum endet.
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Aus der
JP 2002-181295 A ist ein Vorratsbehälter mit einem luftdichten Tank aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, mit einer erste Endkappe, welche eine Einlassöffnung zum Einfüllen von Wasserstoff in den Tank und zum Entnehmen von Wasserstoff aus demselben aufweist. Eine zweite Endkappe ist dazu ausgebildet, eine Wärmeübertragung zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Tanks zu unterstützen, wobei außerhalb des Tanks angeordnete äußere Rippen thermisch mit der zweiten Endkappe verbunden sind, um einen Wärmeaustausch mit der Umgebung zu verbessern. Des Weiteren sind innere Rippen dazu vorgesehen, einen Wärmeaustausch zwischen dem Inneren des Tanks und der zweiten Endkappe zu unterstützen.
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Die
US 2011/0226782 A1 offenbart einen Behälter, insbesondere als Druckgastank für ein Kraftfahrzeug, der eine innere Schale mit einem Hohlraum sowie eine äußere Schale aufweist. Ein Wärmeübertragungselement ist innerhalb des Hohlraums angeordnet, um eine thermische Verbindung zwischen dem Hohlraum und dem Äußeren des Hohlraums vorzusehen, wobei das Wärmeübertragungselement geeignet ist, eine Wirkung thermischer Energie auf dem Behälter zu minimieren. Gemäß einer Ausführungsform sind auf gegenüberliegenden Seiten des Behälters ein Adapter und ein Anschluss angeordnet, wobei sowohl der Adapter als auch der Anschluss Durchgänge für eine Wärmeaustauschfluid aufweisen, welches an ein Klimatisierungssystem des Kraftfahrzeugs angeschlossen sind.
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Die
GB 1 387 273 A zeigt eine Lagerinstallation zum Lagern von Material bei einer Temperatur, die sich deutlich von der Umgebungstemperatur unterscheidet. Dabei erstrecken sich Verbindungselemente innerhalb eines Tanks und verbinden gegenüberliegende Abschnitte einer Tankwandung. Die Verbindungselemente sind rohrförmig ausgebildet und dienen zum Führen eines Fluids, mittels dessen das Innere des Tanks temperiert werden kann. Die Verbindungselemente sind auf gegenüberliegenden Außenseiten des Tanks mit Mannigfaltigkeiten verbunden, über die das Fluid verteilt bzw. gesammelt wird und die mit einem Vorratstank für das Fluid in Verbindung stehen.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die effiziente Gestaltung des Befüllvorgangs bei einem Druckgastank eines Kraftfahrzeugs noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Befüllen eines Druckgastanks eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Druckgastank mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Druckgastank für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt. Bei dem Kraftfahrzeug kann es sich bspw. um einen PKW oder LKW handeln. Der Druckgastank kann u. U. auch als Flüssiggastank bezeichnet werden und dient normalerweise dazu, ein unter Druck stehendes Gas aufzunehmen, welches zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient, bspw. Wasserstoff für eine Brennstoffzelle oder Erdgas (Compressed Natural Gas, CNG), Dimethylether (DME) oder auch Autogas (Liquefied Petroleum Gas, LPG, normalerweise ein Gemisch aus Butan und Propan) für einen entsprechend eingerichteten Verbrennungsmotor. Durch den hohen Druck liegt das Gas im Betriebszustand unter Umständen ganz oder teilweise in verflüssigtem Zustand innerhalb des Druckgastanks vor. Trotzdem wird hier vereinfachend von „Gas“ gesprochen, da dies auch in diesen Fällen dem Aggregatzustand unter Normalbedingungen entspricht.
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Der Druckgastank weist ein sich axial erstreckendes Gehäuse auf, welches einen tangential umlaufenden Mittelabschnitt sowie zwei axial endseitig hiermit verbundene Endstücke aufweist, die durch wenigstens einen Zuganker axial zugübertragend miteinander verbunden sind. Das hier beschriebene Gehäuse weist somit wenigstens drei Teile bzw. Abschnitte auf, nämlich den Mittelabschnitt sowie die beiden Endstücke. Diese können einzeln gefertigt und miteinander verbunden sein. Es wäre aber auch denkbar, dass wenigstens ein Teil des Mittelabschnitts einstückig mit wenigstens einem Endstück gefertigt ist, z.B. mittels additiver Fertigung. Insofern kann man auch statt von einem Endstück auch von einem Endabschnitt sprechen. Das Gehäuse erstreckt sich entlang einer hier als axial definierten Richtung, die normalerweise einer Gehäuseachse entspricht, die wiederum eine Symmetrieachse des Gehäuses bildet. Bezüglich der axialen Richtung ist der Mittelabschnitt tangential umlaufend ausgebildet, d.h. er umgibt die Gehäuseachse nach Art eines Zylindermantels. Normalerweise ist der Querschnitt des Mittelabschnitts kreisförmig ausgebildet und entlang der axialen Richtung wenigstens annähernd konstant. An den axial einander gegenüberliegenden Enden des Mittelabschnitts ist jeweils ein Endstück mit dem Mittelabschnitt verbunden, was neben der oben angesprochenen einstückigen Fertigung des Endstücks mit dem Mittelabschnitt durch verschiedene formschlüssige, kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungen realisiert sein kann, z.B. durch zusammenwirkende Gewinde, eine Doppelmuffe, Vergießen, Umdrucken, eine Quetschverbindung etc. Die Form des jeweiligen Endstücks kann wenigstens abschnittsweise konvex oder konkav gewölbt sein. Hinsichtlich der Materialien bestehen im Rahmen der Erfindung keinerlei Beschränkungen. Normalerweise bestehen die Endstücke aus Metall, bspw. Aluminium. Der Mittelabschnitt kann bspw. aus einem Polymer oder ebenfalls aus einem Metall bestehen. Die Endstücke und der Mittelabschnitt umgeben einen Innenraum des Druckgastanks, welcher im Betriebszustand mit dem Gas befüllt ist. Die hier beschriebenen Gehäuseteile können insbesondere einen Innenmantel oder Liner des Gehäuses bilden, welcher außen ganz oder teilweise mit Bündeln (sog. Rovings) aus Endlosfasern, bspw. Carbonfasern, Glasfasern, Aramidfasern etc. oder auch Gemische unterschiedlicher Fasern, umwickelt ist, welche ihrerseits in einer Polymermatrix eingebunden sind. Durch diese Faserverstärkung kann insbesondere die Druckfestigkeit des Tanks verbessert werden.
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Die beiden Endstücke sind durch wenigstens einen Zuganker axial zugübertragend miteinander verbunden. Der jeweilige Zuganker, der zumindest in einigen Ausführungsformen auch als Zugstange bezeichnet werden kann, ist im Innenraum des Druckgastanks angeordnet. Er verbindet die beiden Endstücke derart miteinander, dass Zugkräfte in axialer Richtung zwischen den beiden Endstücken übertragen werden. Dabei wird als Zugkraft eine Kraft bezeichnet, die die beiden Endstücke in axialer Richtung auseinanderzieht. Eine derartige Kraft entsteht insbesondere in befüllten Zustand des Druckgastanks durch den Innendruck des enthaltenen (ggf. wenigstens teilweise verflüssigten) Gases. Der wenigstes eine Zuganker dient somit dazu, die Druckfestigkeit und Stabilität des Druckgastanks zu verbessern. Dies ist insofern vorteilhaft, da die in axialer Richtung wirkenden Kräfte auf das jeweilige Endstück nicht oder nur in verringertem Maße vom Mittelabschnitt bzw. von Rovings aufgenommen werden müssen, mit welchen das Endstück umwickelt ist. Der jeweilige Zuganker kann, um die notwendige Zugfestigkeit aufzuweisen, aus Metall wie bspw. Stahl oder Aluminium, unter Umständen aber auch aus Keramik oder Faserverbundstoff gefertigt sein. Normalerweise entspricht die Ausrichtung des wenigstens einen Zugankers in etwa der axialen Richtung, d.h. es ist bevorzugt, dass wenigstens ein Zuganker durchgängig in einem Winkel von weniger als 20°, bevorzugt weniger als 10°, zur axialen Richtung verläuft. Insbesondere kann der jeweilige Zuganker parallel zur axialen Richtung verlaufen.
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Erfindungsgemäß weist wenigstens ein Zuganker einen axial durchgehenden Durchgangskanal auf, welcher wenigstens indirekt mit zwei Kühlmittelanschlüssen verbunden ist, von denen jeder an einem Endstück angeordnet und zur Verbindung mit einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet ist. Der jeweilige Zuganker weist einen Durchgangskanal auf, der axial durchgehend ausgebildet ist. Man könnte auch sagen, der Durchgangskanal ist durchgehend entlang des gesamten Zugankers ausgebildet, welcher somit als hohl oder zumindest im weitesten Sinne rohrförmig bezeichnet werden kann. Der (wenigstens eine) Durchgangskanal ist direkt oder indirekt (über einen zwischengeordneten weiteren Kanal, eine weitere Leitung oder eine anderweitige Ausnehmung) mit zwei Kühlmittelanschlüssen verbunden. Dabei ist selbstverständlich das eine Ende des Durchgangskanals (direkt oder indirekt) mit dem einen Kühlmittelanschluss verbunden, während das andere Ende mit dem anderen Kühlmittelanschluss verbunden ist. Jeder der Kühlmittelanschlüsse ist an einem Endstück ausgebildet. Die Kühlmittelanschlüsse sind dazu ausgebildet bzw. eingerichtet, im eingebauten Zustand des Druckgastanks mit einem Kühlmittelkreislauf verbunden zu sein. Anders ausgedrückt, in eingebautem Zustand ist der Druckgastank in den Kühlmittelkreislauf eingebunden, wobei das Kühlmittel durch einen der Kühlmittelanschlüsse (welcher auch als Einlass-Kühlmittelanschluss bezeichnet werden kann) einströmt und durch den anderen (welcher auch als Auslass-Kühlmittelanschluss bezeichnet werden kann) wieder ausströmt. Dabei wird aufgrund der geschilderten Verbindung des Durchgangkanals zu den Kühlmittelanschlüssen das Kühlmittel ebenfalls durch den Durchgangkanal geführt.
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Da der Durchgangkanal im Inneren des Zugankers ausgebildet ist, welcher wiederum durch den Innenraum des Druckgastanks verläuft, kann ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel im Durchgangkanal und dem Gas im Innenraum des Druckgastanks erfolgen. Dies ist insbesondere beim Befüllen des Druckgastanks von Vorteil, wo sich dieser stark aufheizen könnte, hauptsächlich aufgrund der Kompression des Gases. Da aber wenigstens ein Teil der durch Kompression erzeugten Wärme an das Kühlmittel abgegeben werden kann, wird die Erwärmung des Druckgastanks beschränkt, so dass eine aus Sicherheitsgründen vorgegebene Maximaltemperatur des Tanks leichter eingehalten werden kann. Dies wiederum hat den Vorteil, dass die Betankung schneller durchgeführt werden kann, ohne dass eine Vorkühlung des Gases notwendig wäre. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs. Das Kühlmittel kann in diesem Fall ein herkömmliches flüssiges Kühlmittel des Kraftfahrzeugs sein, bspw. ein Wasser-Glykol-Gemisch. Dieses kann auch zur Kühlung bzw. Temperierung anderer Komponenten des Fahrzeugs verwendet werden. Die Wärme, die vom komprimierten Gas auf das Kühlmittel übergeht, kann an anderer Stelle über einen Radiator nach außen an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben werden oder alternativ auch zum Heizen des Fahrzeuginnenraums verwendet werden. Optional kann vorgesehen sein, dass der Druckgastank in einem Zweig des Kühlkreislaufs angeordnet ist, der optional gesperrt werden kann, wenn keine Kühlung oder anderweitige Temperierung notwendig ist. Alternativ könnte auch ein wenigstens teilweise externer Kühlmittelkreislauf genutzt werden, z.B. ein Kühlmittelkreislauf einer Betankungsstation für den Druckgastank. Eine derartige Betankungsstation ist in der Regel standardmäßig mit einem Kühlmittelkreislauf ausgestattet, welcher ein Kühlmittel führt, das in der Regel wesentlich kälter ist als das Kühlmittel des Kraftfahrzeugs. Insofern ist dieses Kühlmittel effektiver. Allerdings müssen hierbei sowohl auf Seiten des Kraftfahrzeugs als auch auf Seiten der Tankstation zusätzliche Mittel zum Transfer des Kühlmittels vorgesehen sein, weshalb diese Variante aufwändiger zu realisieren ist.
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Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass ein einziges Bauteil, nämlich der Zuganker, erfindungsgemäß zwei Funktionen übernimmt, nämlich einerseits die mechanische Stabilisierung des Druckgastanks sowie andererseits die Führung des Kühlmittels. Somit können Material und Bauraum gespart werden. Auch ist es als vorteilhaft anzusehen, dass die Kühlung des Gases über einen zur Temperierung anderer Fahrzeugkomponenten ohnehin vorhandenen Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs erfolgen kann, in welchen der Druckgastank lediglich eingebunden wird.
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Der Außenquerschnitt eines Zugankers kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, bspw. polygonal, rechteckig, oval oder insbesondere kreisförmig. Gleiches gilt für den Querschnitt des Durchgangskanals, welcher ebenfalls insbesondere kreisförmig ausgebildet sein kann. Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass ein Zuganker eine Mehrzahl von Durchgangskanälen aufweist, normalerweise weist allerdings jeder Zugankern genau einen Durchgangskanal auf.
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Normalerweise weist der Druckgastank eine Mehrzahl von paarweise zueinander beabstandeten Zugankern mit jeweils einen Durchgangskanal auf. D.h., jeder der Zuganker weist einen Durchgangskanal auf, wodurch insgesamt die für die Kühlmittelübertragung zur Verfügung stehende Querschnittsfläche vergrößert bzw. auf mehrere Zuganker verteilt wird. Die Zuganker sind paarweise zueinander beabstandet, d.h. jeder der Zuganker ist von den anderen Zugankern beabstandet und nicht mit diesen in Kontakt. Somit ergibt sich im Vergleich zu einem einzigen Zuganker, der eine vergleichbare Querschnittsfläche aufweist wie die Mehrzahl von Zugankern insgesamt, eine größere Außenfläche bzw. Mantelfläche, über welche der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem unter Druck eingefüllten Gas erfolgen kann. Abgesehen hiervon kann die Verwendung einer Mehrzahl von Zugankern auch mechanische Vorteile haben, bspw. was die Aufnahme von zwischen den Endstücken wirkenden Zugkräften betrifft.
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Die Anzahl der Zuganker kann im Rahmen der Erfindung variieren, wobei allerdings bestimmte Ober- und Untergrenzen als vorteilhaft anzusehen sind. Bei einer sehr hohen Anzahl von Zugang kann der effektiv nutzbare Innenraum des Gastanks in unerwünschtem Maße reduziert werden. Umgekehrt kann bei einer geringen Anzahl von Zugankern eine effektive bzw. ausgewogene Aufnahme von Zugkräften zwischen den Endstücken schwierig zu gewährleisten sein. Bevorzugt weist der Druckgastank zwischen 4 und 20 Zuganker mit jeweils einem Durchgangskanal auf. Weiter bevorzugt kann die Anzahl zwischen 6 und 15 Zuganker betragen.
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Insbesondere dann, wenn eine Mehrzahl von Zugankern mit jeweils einem Durchgangskanal vorgesehen sind, wäre es möglich, dass der Kühlmittelstrom bspw. auf Seiten des ersten Endstücks in einen Durchgangskanal eintritt, zum gegenüberliegenden zweiten Endstück geleitet wird und unter Bewegungsumkehr durch einen anderen Durchgangskanal wieder zum ersten Endstück zurückgeleitet wird, wo er wieder aus dem ersten Endstück austritt. In diesem Fall wären beide Kühlmittelanschlüsse am ersten Endstück angeordnet, was u.a. bei begrenztem verfügbarem Bauraum vorteilhaft sein kann, da in diesem Fall die Kühlmittelleitungen, die mit beiden Kühlmittelanschlüssen verbunden sind, auf einer Seite des Druckgastanks angeordnet sind. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist das erste Endstück einen Einlass-Kühlmittelanschluss auf und ein zweites Endstück weist einen Auslass-Kühlmittelanschluss auf. Der Einlass-Kühlmittelanschluss ist selbstverständlich bestimmungsgemäß dazu vorgesehen, dass im Betriebszustand der Kühlmittelstrom durch ihn eintritt, während er durch den Auslass-Kühlmittelanschluss wieder austritt. Wenngleich es auch bei dieser Ausführungsform denkbar wäre, dass der Kühlmittelstrom gewissermaßen entsprechend einer Hin- und Her-Bewegung in unterschiedlichen Durchgangskanälen einerseits vom ersten zum zweiten Endstück und andererseits vom zweiten zum ersten Endstück geführt wird, ist es bevorzugt, dass der Druckgastank dazu ausgebildet ist, den Kühlmittelstrom in sämtlichen Durchgangskanälen vom ersten zum zweiten Endstück zu führen. Hierdurch wird im Gegensatz zu einer Hin- und Her-Bewegung die Dauer des Wärmeaustauschs zwischen einem bestimmten Volumenelement des Kühlmittelstroms und dem Gas im Innenraum des Druckgastanks verkürzt. Dies wiederum führt dazu, dass sich der Kühlmittelstrom beim Durchlaufen der Durchgangskanäle weniger erwärmt und somit der Temperaturunterschied zum umgebenden Gas größer ist. Dies wiederum sorgt für einen erhöhten Temperaturgradienten innerhalb der Wandung des jeweiligen Zuganker, wodurch die Kühlung des Gases verbessert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind eine Mehrzahl von Zugankern radial von einer axialen Gehäuseachse beabstandet und tangential zueinander versetzt angeordnet. Wie bereits oben erläutert, bildet die Gehäuseachse typischerweise eine Symmetrieachse des gesamten Druckgastanks bzw. der meisten Komponenten desselben. Sie verläuft in axialer Richtung. Bei der hier geschilderten Ausführungsformen sind eine Mehrzahl von Zugankern, ggf. auch alle Zuganker, im Abstand zur Gehäuseachse angeordnet. Insbesondere können Sie den gleichen (radialen) Abstand von der Gehäuseachse aufweisen. Allerdings sind sie tangential zueinander versetzt angeordnet. Sofern sie den gleichen radialen Abstand von der Gehäuseachse aufweisen, sind sie tangential zueinander beabstandet.
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Um einen möglichst gleichmäßigen Kühlmittelfluss in die Durchgangskanäle bzw. aus den Durchgangskanälen zu unterstützen, ist es bevorzugt, dass wenigstens ein Endstück einen Sammelkanal aufweist, welcher einen Kühlmittelanschluss mit einer Mehrzahl von Durchgangskanälen verbindet. D.h., dass Kühlmittel gelangt vom Kühlmittelanschluss nicht unmittelbar in die jeweiligen Durchgangskanäle der Zuganker, sondern zunächst in einen Sammelkanal, der an einem Endstück bzw. bevorzugt innerhalb eines Endstücks ausgebildet ist. Im Bereich des Einlass-Kühlmittelanschlusses könnte der Sammelkanal auch als Verteilerkanal bezeichnet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung verbindet der jeweilige Sammelkanal einen Kühlmittelanschluss mit sämtlichen Durchgangskanälen.
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Besonders bevorzugt ist wenigstens ein Sammelkanal ringförmig ausgebildet. Dies kann insbesondere mit der oben erwähnten Ausgestaltung kombiniert werden, in welcher eine Mehrzahl von Zugankern radial von der Gehäuseachse beabstandet und zueinander tangential versetzt sind. In diesem Fall kann die radiale Position des ringförmigen Sammelkanals mit der radialen Position der jeweiligen Durchgangskanäle übereinstimmen. Normalerweise ist der ringförmige Sammelkanal kreissymmetrisch ausgebildet und um die Gehäuseachse zentriert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist wenigstens ein Endstück eine axial verlaufende Durchgangsöffnung auf, welche vom Sammelkanal umgeben ist. Die entsprechende Durchgangsöffnung geht von der Außenseite des Tanks zur Innenseite durch, also zum Innenraum, welcher mit Gas befüllbar ist. In ihr kann in montiertem Zustand bspw. ein Ventil oder auch ein Verschlussstück angeordnet sein. Über ein derartiges Ventil erfolgt das Betanken des Druckgastanks. Abgesehen von der symmetrischen und somit allgemein stabilen Anordnung hat diese Ausgestaltung weitere Vorteile, insbesondere dann, wenn sie mit der oben beschriebenen Anordnung mehrerer vom Sammelkanal ausgehender, tangential versetzter Zuganker kombiniert wird. In diesem Fall strömt das Gas beim Befüllen durch die Durchgangsöffnung, bzw. durch ein in dieser angeordnetes Ventil, in den Innenraum ein und gelangt zunächst in einen Bereich nahe der Gehäuseachse, um welchen herum die Zuganker mit den Durchgangskanälen angeordnet sind. D.h. um in die weiter von der Gehäuseachse beabstandete Bereiche des Innenraums zu gelangen, muss das Gas zwischen den Zugankern hindurchströmen, wodurch ein besonders effektiver Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel ermöglicht wird.
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Wie bereits dargelegt, ist der Sammelkanal bevorzugt innerhalb des Endstücks ausgebildet. Bspw. bei einem ringförmigen Sammelkanal ist somit innerhalb des Endstücks eine innenliegende, ringförmige Ausnehmung ausgebildet. Dies kann entweder dadurch realisiert werden, dass das Endstück aus (z.B. zwei) Einzelteilen zusammengesetzt wird, zwischen welchen der Sammelkanal gebildet wird. Bevorzugt allerdings ist wenigstens ein Endstück einschließlich des Sammelkanals einstückig gefertigt. Dies kann insbesondere durch ein additives Fertigungsverfahren erfolgen, bspw. Pulverbettverfahren wie selektives Laserschmelzen oder selektives Elektronenstrahlschmelzen, oder auch durch Gussverfahren wie bspw. Wachsausschmelzverfahren. Gleichzeitig mit dem Sammelkanal können Aufnahmeöffnungen gefertigt werden, in denen im zusammengebautem Zustand die Enden der Zuganker aufgenommen sind.
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Grundsätzlich kann der Querschnitt des Sammelkanals innerhalb der radial-axialen Ebene unterschiedlich ausgestaltet sein. Insbesondere kann er bspw. kreisförmig, oval, anderweitig gerundet oder auch polygonal, bspw. rechteckig, sein. Um die Zuleitung zu den einzelnen Durchgangskanälen nicht zu behindern und insbesondere keine größeren Druckunterschiede an den einzelnen Durchgangkanälen entstehen zu lassen, ist es bevorzugt, dass der Querschnitt des Sammelkanals innerhalb der radial-axialen Ebene größer ist als der Querschnitt eines einzelnen Durchgangkanals in der radial-tangentialen Ebene. Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Querschnitt des Sammelkanals in axialer Richtung eine größere Ausdehnung aufweist als in radialer Richtung. Dies bezieht sich auf die Querschnittsfläche auf einer Seite der Gehäuseachse, d.h. es wird nicht die gesamte radiale Ausdehnung der Querschnittsfläche auf beiden Seiten der Gehäuseachse betrachtet. Man kann sagen, dass der Sammelkanal bei dieser Ausgestaltung einem in axialer Richtung gestreckten Torus (bzw. in radialer Richtung gestauchten Torus) entspricht. Des Weiteren kann sich der Querschnitt in Flussrichtung erweitern, um eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine erste Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckgastanks;
- 2 eine zweite Schnittdarstellung des Druckgastanks aus 1;
- 3 eine dritte Schnittdarstellung des Druckgastanks aus 1;
- 4 eine vierte Schnittdarstellung des Druckgastanks aus 1; sowie
- 5 eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufs mit dem Druckgastank aus 1.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckgastanks 1 für ein Kraftfahrzeug, der bspw. in einem PKW eingesetzt werden kann. Die Schnittebene in 1 verläuft parallel zu einer Gehäuseachse A, welche einer axialen Richtung entspricht. Die Gehäuseachse A bildet eine Symmetrieachse des Druckgastanks 1. Dieser weist ein Gehäuse 2 auf, mit einem zylindermantelförmigen Mittelabschnitt 3, an welchen sich axial endseitig ein erstes Endstück 4 sowie ein zweites Endstück 5 anschließen. Der Mittelabschnitt 3 kann bspw. aus Polymer oder Metall gefertigt sein, während die Endstücke 4, 5 aus Metall, bspw. Aluminium, gefertigt sind. Sowohl der Mittelabschnitt 3 als auch die Endstücke 4, 5 bilden einen Innenmantel des Gehäuses 2, welcher von einem Außenmantel 6 umgeben ist, der aus gewickelten Rovings (Endlosfasern) in einer Polymermatrix besteht. Jedes der Endstücke 4, 5 weist im Bereich der Gehäuseachse A eine axial verlaufende Durchgangsöffnung 4.1, 5.1 auf. In die Durchgangsöffnung 4.1 des ersten Endstücks 4 ist in zusammengebautem Zustand ein hier nicht dargestelltes Ventil eingesetzt, während in die Durchgangsöffnung 5.1 des zweiten Endstücks 5 ein Verschlussstück eingesetzt ist. Über das genannte Ventil kann ein Innenraum 2.1 des Gehäuses 2 mit einem druckbeaufschlagten Gas (bspw. Wasserstoff, Autogas, Erdgas oder DME) befüllt werden, welches zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient.
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Die beiden Endstücke 4, 5 sind durch eine Mehrzahl von rohrförmigen Zugankern 7 verbunden, die parallel zur Gehäuseachse A verlaufen. Im vorliegenden Beispiel sind die Zuganker 7 aus dem gleichen Material (bspw. Aluminium) gebildet wie die Endstücke 4, 5. Die Enden jedes Zugankers 7 sind in einer hierzu vorgesehenen Ausnehmung 4.2, 5.2 des jeweiligen Endstücks 4, 5 aufgenommen, wobei sie bspw. eingeschraubt, verlötet oder verschweißt sein können. In jedem Fall ist hierdurch eine zugübertragende Verbindung in axialer Richtung zwischen den beiden Endstücken 4, 5 gegeben. D.h., eine zwischen den Endstücken 4, 5 wirkende axiale Zugkraft (welche darauf gerichtet ist, die Endstücke 4, 5 in axialer Richtung auseinander zu ziehen) wird wenigstens anteilig von den Zugankern 7 aufgenommen. Hierdurch werden sowohl die Verbindung zwischen den Endstücken 4, 5 und dem Mittelabschnitt 3 als auch der Außenmantel 6 mechanisch entlastet.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind 10 Zuganker 7 vorgesehen, die im gleichen radialen Abstand zur Gehäuseachse A angeordnet sind, wobei zwei benachbarte Zugankers 7 in tangentialer Richtung um jeweils 36° zueinander versetzt sind. Jeder Zugankers 7 weist einen kreisförmigen Außenquerschnitt auf und ist von einem Durchgangskanal 7.1 durchzogen, der ebenfalls kreisförmig ausgebildet ist. Auf Seiten des ersten Endstücks 4 stehen die Durchgangskanäle 7.1 mit einem ringförmigen ersten Sammelkanal (bzw. Verteilerkanal) 4.3 in Verbindung sowie auf Seiten des zweiten Endstücks 5 mit einem ebenfalls ringförmigen zweiten Sammelkanal 5.3.
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Wie insbesondere in der Schnittdarstellung in 2 erkennbar ist, umgibt jeder der Sammelkanäle 4.3, 5.3 ringförmig die Durchgangsöffnung 4.1, 5.1 des jeweiligen Endstücks 4, 5. Sein Querschnitt in der axial-radialen Ebene (welche die Schnittebene in 2 bildet) weist in axialer Richtung eine größere Abmessung auf als in radialer Richtung. Der erste Sammelkanal 4.3 ist mit einem Einlass-Kühlmittelanschluss 4.4 verbunden, während der zweite Sammelkanal 5.3 mit einem Auslass-Kühlmittelanschluss 5.4 verbunden ist. Das jeweilige Endstück 4, 5 ist einschließlich des Sammelkanals 4.3, 5.3 und des Kühlmittelanschlusses 4.4, 5.4 einstückig gefertigt, bspw. durch additive Fertigung oder durch ein geeignetes Gussverfahren wie Wachsausschmelzverfahren.
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In eingebautem Zustand ist der Einlass-Kühlmittelanschluss 4.4 mit einer ersten Leitung 11 eines Kühlmittelkreislaufs 10 des Kraftfahrzeugs verbunden, wie in 5 schematisch dargestellt, während der Auslass-Kühlmittelanschluss 5.4 mit einer zweiten Leitung 12 verbunden ist. Der Kühlmittelkreislauf 10 führt ein flüssiges Kühlmittel, bspw. ein Wasser-Glykol-Gemisch, und dient zur Temperierung, also Kühlung und/oder Erwärmung, verschiedener Fahrzeugkomponenten oder -bereiche. Abgesehen vom Druckgastank 1 sind in den Kühlmittelkreislauf 10 zudem weitere Fahrzeugkomponenten 13, 14 (bspw. ein Motor, ein Getriebe oder dergleichen) eingebunden, welche gekühlt werden sollen, ebenso wie ein Wärmetauscher 15, über den Wärme aus dem Kühlmittel abgegeben werden kann, entweder an die Umgebung des Kraftfahrzeugs oder an einen Fahrzeuginnenraum, um diesen zu beheizen. Es versteht sich, dass der Kühlmittelkreislauf 10 in 5 stark vereinfacht dargestellt ist und normalerweise weitere Komponenten und Leitungen aufweist.
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Wenn das Kraftfahrzeug betankt wird, wird unter Druck stehendes Gas, welches auch ganz oder teilweise in verflüssigter Form vorliegen kann, aus einem externen Tank 20 über eine Tankleitung 21 zum Kraftfahrzeug geführt. Die Tankleitung 21 wird über einen hier nicht im Detail dargestelltes Kopplungssystem 22 gasdicht an eine innerhalb des Kraftfahrzeugs angeordnete Zufuhrleitung 8 gekoppelt, welche wiederum über das oben erwähnte Ventil mit dem Druckgastank 1 verbunden ist. Beim Einströmen in Druckgastank 1 gelangt das Gas zunächst in einen Innenbereich 2.2 zwischen den Zugankern 7, von wo es weiter in einen Außenbereich 2.3 gelangen kann. Dabei strömt es durch die Zwischenräume zwischen den Zugankern 7 und hat einen verhältnismäßig großflächigen Kontakt mit den Zugankern 7. Es ergibt sich dabei ein Wärmeaustausch zwischen dem sich beim Einfüllen erwärmenden Gas und der Kühlflüssigkeit in den Durchgangskanälen 7.1. Die Erwärmung des Gases wird durch den über die Wandung des jeweiligen Zugankers 7 gegebenen Wärmeaustausch mit der Kühlflüssigkeit beschränkt. Hierdurch kann auch bei verhältnismäßig schnellem Betanken verhindert werden, dass die Temperatur des Gases bzw. des Druckgastanks 1 einen aus Sicherheitsgründen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Eine externe vor Kühlung des Gases ist hierfür nicht notwendig. Die von der Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme wird über den Kühlmittelkreislauf 10 abgeführt und kann bspw. über den Wärmetauscher 15 an einen Fahrzeuginnenraum oder auch an die Fahrzeugumgebung abgegeben werden. Optional kann der Teil des Kühlkreislaufs 10 mit der ersten und zweiten Leitung 11, 12 über Ventile 16 abgesperrt werden, z.B. wenn keine Kühlung des Gases bzw. des Druckgastanks 1 notwendig ist.
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Alternativ kann der in 1-4 dargestellte Druckgastank auch in Verbindung mit einem Kühlmittelkreislauf eingesetzt werden, der teilweise zu der Tankstation, welche auch den externen Tank 20 und die Tankleitung 21 aufweist. Bei dieser hier nicht dargestellten Variante sind weitere Leitungen sowohl auf Seiten der Tankstation als auch auf Seiten des Kraftfahrzeugs notwendig, ebenso wie ein weiteres Kopplungssystem, um das externe Kühlmittel der Tankstation zu transferieren. Ein Vorteil bei dieser Variante ist, dass die Tankstation in der Regel ein Kühlmittel wesentlich geringerer Temperatur zur Verfügung stellen kann, welches somit das Gas effektiver kühlt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckgastank
- 2
- Gehäuse
- 2.1
- Innenraum
- 2.2
- Innenbereich
- 2.3
- Außenbereich
- 3
- Mittelabschnitt
- 4, 5
- Endstück
- 4.1, 5.1
- Durchgangsöffnung
- 4.2, 5.2
- Ausnehmung
- 4.3, 5.3
- Sammelkanal
- 4.4, 5.4
- Kühlmittelanschluss
- 6
- Außenmantel
- 7
- Zuganker
- 7.1
- Durchgangskanal
- 8
- Zufuhrleitung
- 10
- Kühlmittelkreislauf
- 11, 12
- Leitung
- 13, 14
- Fahrzeugkomponente
- 15
- Wärmetauscher
- 16
- Ventil
- 20
- externer Tank
- 21
- Tankleitung
- 22
- Kopplungssystem
- A
- Gehäuseachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7377294 B2 [0003]
- JP 2002181295 A [0004]
- US 2011/0226782 A1 [0005]
- GB 1387273 A [0006]
