DE102020125973A1 - Liner für einen Druckbehälter, Verfahren zum Herstellen einer Preform, Verfahren zum Herstellen einer Druckbehälterbaugruppe und Druckbehälterbaugruppe - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß einen Liner 10 für einen Druckbehälter, umfassend einen Kammerabschnitt 20, einen Anschlussabschnitt 30 und einen Verbindungsabschnitt 40, wobei der Liner 10 besonders einfach für die Herstellung einer Druckbehälterbaugruppe 1 verwendet werden kann. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer Preform 8 für eine Druckbehälterbaugruppe 1, ein Verfahren zum Herstellen einer Druckbehälterbaugruppe 1 sowie eine Druckbehälterbaugruppe 1, wobei zur Herstellung jeweils mindestens zwei Liner 10 verwendet werden.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Liner für einen Druckbehälter, ein Verfahren zum Herstellen einer Preform für eine Druckbehälterbaugruppe, ein Verfahren zum Herstellen einer Druckbehälterbaugruppe sowie eine Druckbehälterbaugruppe.
  • Druckbehälter werden typischerweise verwendet, um Kraftfahrzeuge oder andere mobile oder stationäre Einheiten mit gasförmigem Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas zu versorgen. Sie werden typischerweise so entwickelt, dass sie leicht und stabil sind und hohe Drücke aushalten. Große Druckbehälter können zwar einfach hergestellt werden und große Mengen an gasförmigem Brennstoff speichern, nutzen jedoch typischerweise vorhandene Bauräume nicht ideal aus. Deshalb werden derzeit Druckbehälterbaugruppen entwickelt, bei welchen mehrere eher kleine Druckbehälter miteinander verbunden werden, so dass diese freier positioniert werden können und einen vorhandenen Bauraum wie beispielsweise einen Unterflurraum unter einer Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs besser ausnutzen können. Zur Herstellung derartiger Druckbehälterbaugruppen werden typischerweise Liner verwendet, welche überflochten werden, jedoch aufgrund ihrer variierenden Durchmesser schwierig in der Herstellung sind.
  • 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, die Herstellung einer Druckbehälterbaugruppe zu vereinfachen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Liner für einen Druckbehälter, umfassend (i) einen Kammerabschnitt, (ii) einen Anschlussabschnitt und (iii) einen Verbindungsabschnitt, wobei der Kammerabschnitt einen Mittenabschnitt aufweist, in welchem er eine größere Querschnittsfläche aufweist als der Anschlussabschnitt und als der Verbindungsabschnitt, wobei der Anschlussabschnitt an einem ersten Längsende des Kammerabschnitts angebracht ist und wobei der Verbindungsabschnitt an einem zweiten Längsende des Kammerabschnitts angebracht ist. Ein solcher Liner stellt alle grundsätzlich für die Herstellung einer Druckbehälterbaugruppe erforderlichen Abschnitte bereit, so dass beliebig viele Kammerabschnitte mit jeweils einem Liner ausgebildet werden können und jeweils nicht benötigte andere Abschnitte entfernt werden können, um einen durchgehenden Innenraum zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff bereitzustellen. Jeweils nicht benötigte Abschnitte können dabei von jeweiligen Linern entfernt werden. Es hat sich gezeigt, dass die standardisierte Fertigung von Linern mit jeweiligem Anschluss- und Verbindungsabschnitt, welche bei bestimmten Positionen innerhalb einer Druckbehälterbaugruppe entfernt werden, effizienter ist als andere Herstellungsverfahren, welche beispielsweise auf einer Variation eines Werkzeugs oder auf dem Herstellen unterschiedlicher Liner beruhen.
  • Der Kammerabschnitt ist insbesondere derjenige Abschnitt, in welchem später eine Kammer bzw. ein Druckbehälter ausgebildet wird. Typischerweise wird in den Kammern der überwiegende Teil des gasförmigen Brennstoffs gespeichert. Trotzdem kann ebenfalls in Anschlussabschnitten und Verbindungsabschnitten, sofern sie in das Endprodukt eingehen, gasförmiger Brennstoff gespeichert werden. Der Kammerabschnitt kann insbesondere langgestreckt sein und/oder einen runden oder ovalen Durchmesser aufweisen. Auch andere Formen sind jedoch möglich.
  • Der Anschlussabschnitt dient insbesondere dazu, ein Anschlussstück auszubilden. Dies kann beispielsweise ein Anschluss an eine externe Leitung sein, oder es kann zum Einbinden eines Tankabsperrventils, eines On-Tank-Valve (OTV) oder eines anderen Elements zum Betanken und/oder zur Entnahme dienen. Der Anschlussabschnitt kann insbesondere mit einer Festigkeit und/oder einer Strukturierung ausgebildet sein, welche zum Anschluss an eine Leitung oder zur Aufnahme eines On-Tank-Valve oder eines anderen Elements vorteilhaft ist.
  • Ein Querschnitt des Kammerabschnitts und insbesondere dessen Mittenabschnitts kann beispielsweise rund oder oval sein, kann jedoch auch eine andere Form haben. Der Kammerabschnitt kann insbesondere derjenige Abschnitt sein, in welchem später ein Druckbehälter oder ein Speicherrohr ausgebildet wird. Deshalb entsteht typischerweise aus einem Liner ein späterer Druckbehälter, wobei eine Druckbehälterbaugruppe typischerweise aus mehreren solchen Druckbehältern aufgebaut ist, wofür typischerweise dementsprechend mehrere Liner verwendet werden. Eine Querschnittsfläche ist insbesondere ein Flächeninhalt eines von dem Liner am jeweiligen Ort im Querschnitt umfassten Bereichs. Dieser wird typischerweise durch eine Wand oder Wandung des Liners umfasst. Der umfasste Bereich zählt zur Querschnittsfläche, ebenso wie typischerweise die Wand oder Wandung, sofern deren Berücksichtigung nicht beispielsweise aufgrund sehr geringer Dicke vernachlässigt werden kann. Bei kreisförmigen Querschnitten kann alternativ der Durchmesser so betrachtet werden, wie dies hier bezüglich der Querschnittsfläche erfolgt.
  • Der Verbindungsabschnitt dient im fertigen Produkt typischerweise der Verbindung zwischen zwei Kammerabschnitten. Die Kammerabschnitte sind typischerweise jeweils zum Speichern des größten Teils des gasförmigen Brennstoffs ausgebildet, und durch die sie verbindenden Verbindungsabschnitte kann ein Druckausgleich zwischen Kammerabschnitten stattfinden. In den Verbindungsabschnitten kann somit insbesondere beim Betanken und bei der Entnahme gasförmiger Brennstoff über alle Kammerabschnitte hinweg von einem Einlass weg oder zu einem Auslass fließen, so dass ein insgesamt vorhandenes Innenvolumen problemlos vollständig verwendet werden kann.
  • Der Mittenabschnitt des Kammerabschnitts ist typischerweise derjenige Abschnitt, in welchem der Kammerabschnitt seine größte Querschnittsfläche hat. Der Mittenabschnitt ist typischerweise entlang einer Längsachse des Kammerabschnitts definiert, wobei grundsätzlich auch ein gebogener Verlauf in Betracht kommt. Der Mittenabschnitt könnte sich grundsätzlich über den gesamten Kammerabschnitt erstrecken, so dass der Kammerabschnitt keine weiteren Abschnitte hat. Dies würde einen unmittelbaren Übergang vom Mittenabschnitt zum Anschlussabschnitt bzw. Verbindungsabschnitt voraussetzen, was eine besonders kurze bzw. instantane Änderung der Querschnittsfläche bedeuten würde. Typischerweise sind deshalb erste und zweite Übergangsabschnitte seitlich zum Mittenabschnitt vorhanden, also insbesondere zwischen Mittenabschnitt und Anschlussabschnitt und zwischen Mittenabschnitt und Verbindungsabschnitt, um eine kontinuierliche Verkleinerung des Querschnitts vom Mittenabschnitt zum Anschlussabschnitt oder zum Verbindungsabschnitt zu gewährleisten. Dies kann eine bessere Druckverteilung bewirken.
  • Die Querschnittsfläche im Mittenabschnitt kann insbesondere konstant sein. Sie kann jedoch auch variabel sein.
  • Der Kammerabschnitt kann sich insbesondere von seinem ersten Längsende zu seinem zweiten Längsende erstrecken. Dies kann insbesondere entlang einer Längsachse erfolgen. Auch ein gebogener Verlauf ist jedoch möglich. Die Längsenden des Kammerabschnitts stellen typischerweise diejenigen Stellen des Kammerabschnitts dar, an welchen er die geringste Querschnittsfläche hat. Dabei erfolgt dann typischerweise der jeweilige Übergang zum Anschlussabschnitt bzw. zum Verbindungsabschnitt.
  • Gemäß einer Ausführung ist ein erstes Längsende des Liners an dem Anschlussabschnitt ausgebildet. Ebenso ist gemäß einer Ausführung ein zweites Längsende des Liners an dem Verbindungsabschnitt ausgebildet. Dadurch bilden der Anschlussabschnitt bzw. der Verbindungsabschnitt jeweilige Längsenden aus, so dass sich der Liner insbesondere von einem Ende des Anschlussabschnitts zu einem Ende des Verbindungsabschnitts erstrecken kann. Diese Enden können insbesondere jeweils dem Kammerabschnitt gegenüberliegen. Insbesondere kann dies auch bedeuten, dass über den Anschlussabschnitt hinaus und/oder über den Verbindungsabschnitt hinaus keine weitere Erstreckung des Liners erfolgt. Der Liner beinhaltet somit typischerweise lediglich den Anschlussabschnitt, den Kammerabschnitt und den Verbindungsabschnitt, also keine weiteren Abschnitte.
  • Der Anschlussabschnitt kann insbesondere als Anschlussstutzen ausgebildet sein. Er kann insbesondere eine Länge von mindestens 5 mm oder mindestens 10 mm und/oder von höchsten 40 mm oder höchstens 50 mm haben. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass die bereits beschriebene Funktionalität zum Anschluss an eine Leitung oder zur Aufnahme von Elementen erfüllt werden kann. Auch andere Werte können jedoch verwendet werden.
  • Der Anschlussabschnitt kann insbesondere eine Trennstelle zur Abtrennung vom Kammerabschnitt aufweisen. Dadurch kann ein Abtrennen des Anschlussabschnitts erleichtert werden, so dass eine Verfahrensführung erleichtert wird, bei welcher zumindest bei einigen solchen Linern der Anschlussabschnitt abgetrennt werden muss.
  • Gemäß einer Ausführung weist der Verbindungsabschnitt eine Trennstelle zur Abtrennung vom Kammerabschnitt auf. Dadurch kann dessen Abtrennung erleichtert werden, wobei die für den Anschlussabschnitt im vorherigen Absatz gegebenen Ausführungen entsprechend anwendbar sind.
  • Die Trennstelle oder die Trennstellen können jeweils als Einkerbung oder Materialschwächung ausgeführt sein. Dadurch kann ein leichtes Abtrennen ermöglicht werden. Auch andere Ausführungen sind jedoch möglich.
  • Der Verbindungsabschnitt kann insbesondere flexibel, elastisch und/oder biegeweich sein. Dies ermöglicht ein Anpassen des Verbindungsabschnitts an gewünschte Verläufe, wobei beispielsweise in einem typischen Kettentank Kammerabschnitte nebeneinander und parallel zueinander angeordnet sein können und somit mittels der Verbindungsabschnitte Bögen von 180° auszubilden sind, welche die Kammerabschnitte fluidisch miteinander verbinden können. Durch eine flexible, elastische und/oder biegeweiche Ausführung kann eine solche Ausbildung erleichtert werden, wobei alternativ auch eine starre Ausführung möglich ist, welche beispielsweise an die endgültige Form bereits angepasst sein kann. Unter einer flexiblen Ausführung kann insbesondere eine leichte Biegbarkeit verstanden werden. Unter einer elastischen Ausführung kann insbesondere eine Tendenz verstanden werden, nach einer Verbiegung in eine Ausgangsstellung zurückzukehren. Unter einer biegeweichen Ausführung kann insbesondere eine besonders leichte Verbiegbarkeit verstanden werden.
  • Der Liner kann insbesondere als Preform zum Flechten oder Wickeln bzw. Umwickeln ausgebildet sein. Dadurch kann er insbesondere die Form eines daraus auszubildenden Druckbehälters vorgeben, welcher durch Überflechten der Preform oder durch Wickeln ausgebildet werden kann. Unter einer Preform sei hier insbesondere ein Objekt verstanden, welches zum Überflechten oder Wickeln ausgelegt ist und die Form des Endprodukts definiert. Dabei kann es sich um einen Liner mit Anschlussabschnitt, Kammerabschnitt und Verbindungsabschnitt, um einen Liner mit nur einem Teil dieser Abschnitte, oder auch um eine Kombination solcher Liner handeln.
  • Gewickelt wird typischerweise mit einem nassen oder trockenen Endlosfaden, der auf einem Kern ohne Verkreuzungspunkte abgelegt wird. Beim Flechten werden typischerweise zwei bis drei Fadenscharen, also eine Vielzahl an Endlosfäden, verwendet, die sich untereinander verkreuzen. Geflochten wird üblicherweise trocken. Im Allgemeinen eignete sich das Flechten insbesondere zur Herstellung komplexerer, beispielsweise 3D-geformter Geometrien, während beim Wickeln vorwiegend rotationssymmetrische Körper hergestellt werden.
  • Der Verbindungsabschnitt kann insbesondere länger als der Anschlussabschnitt sein. Der Verbindungsabschnitt kann insbesondere eine Länge von mindestens 5 cm oder mindestens 10 cm und/oder höchsten 25 cm oder höchstens 30 cm aufweisen. Er kann insbesondere mindestens doppelt so lang, mindestens dreimal so lang, mindestens fünfmal so lang oder mindestens zehnmal so lang wie der Anschlussabschnitt sein. Die Länge kann insbesondere entlang einer Längsachse oder auch entlang einer gebogenen Strecke, welche durch den Liner durchgeht, gemessen werden.
  • Der Kammerabschnitt kann insbesondere einen ersten Übergangsabschnitt aufweisen, in dem sich die Querschnittsfläche vom Mittenabschnitt zum Anschlussabschnitt verringert. Ebenso kann der Kammerabschnitt einen zweiten Übergangsabschnitt aufweisen, in dem sich die Querschnittsfläche vom Mittenabschnitt zum Verbindungsabschnitt verringert. In den Übergangsabschnitten kann eine Verringerung der Querschnittsfläche vom Mittenabschnitt aus erfolgen, so dass bezüglich der Querschnittsfläche insbesondere ein kontinuierlicher Übergang ausgebildet werden kann. Dies kann für eine bessere Druckverteilung sorgen. Typischerweise ist der Mittenabschnitt länger, beispielsweise doppelt so lang, dreimal so lang, fünfmal so lang, zehnmal so lang oder noch länger als jeder der Übergangsabschnitte.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Preform für eine Druckbehälterbaugruppe, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • - Bereitstellen von zwei oder mehr Linern wie hierin beschrieben, nämlich eines ersten endseitigen Liners, eines zweiten endseitigen Liners und keinem, einem oder mehreren mittleren Linern,
    • - Entfernen des Verbindungsabschnitts des zweiten endseitigen Liners,
    • - Entfernen des Anschlussabschnitts jedes mittleren Liners, und
    • - Verbinden der Liner zu der Preform, wobei die Liner in Reihe angeordnet werden und jeder Liner mit Ausnahme des ersten endseitigen Liners mit dem Verbindungsabschnitt des unmittelbar in der Reihe vorhergehenden Liners verbunden wird.
  • Mittels eines solchen Verfahrens kann in besonders einfacher Weise eine Preform für eine Druckbehälterbaugruppe hergestellt werden. Wie bereits weiter oben erwähnt, können dazu die identisch hergestellten Liner verwendet werden und jeweils nicht benötigte Abschnitte können entfernt werden. Das Verfahren kann grundsätzlich mit zwei Linern durchgeführt werden, wobei in diesem Fall eine Preform mit zwei Kammerabschnitten entsteht. In diesem Fall wird kein mittlerer Liner verwendet. Wird ein mittlerer Liner verwendet, so werden insgesamt drei Liner verwendet und es entsteht eine Preform mit drei Kammerabschnitten. Grundsätzlich können beliebig viele mittlere Liner verwendet werden, so dass eine Preform mit entsprechend mehr Kammerabschnitten entsteht. Der erste endseitige Liner wird typischerweise unverändert verwendet, d.h. ohne seinen Verbindungsabschnitt und seinen Anschlussabschnitt zu entfernen.
  • Beim zweiten endseitigen Liner wird der Verbindungsabschnitt insbesondere deshalb entfernt, weil bei diesem Liner keine weitere Verbindung zu einem in der Reihe nachfolgenden Liner mehr erfolgt. Der Anschlussabschnitt wird in diesem Fall jedoch typischerweise verwendet, beispielsweise um eine Betankungs- oder Entnahmeleitung anzuschließen und/oder um ein On-Tank-Valve (OTV) oder ein Tankabsperrventil zu befestigen. Gemäß einer weiteren möglichen Ausführung kann der Anschlussabschnitt aber auch entfernt werden und der zweite endseitige Liner an der entsprechenden Stelle verschlossen werden. Dies kann beispielsweise für Druckbehälterbaugruppen relevant sein, bei welchen Betankung und Entnahme an nur einer einzigen Stelle vorgesehen sind.
  • Die Anschlussabschnitte jedes mittleren Liners werden typischerweise entfernt, um einen unmittelbaren Anschluss des Verbindungsabschnitts des jeweils in der Reihe davor liegenden Liners anzuschließen. Die Anschlussabschnitte werden dabei typischerweise nicht benötigt.
  • Die Reihe kann insbesondere eine gedachte Linie sein, entlang welcher die Liner nacheinander angeordnet werden. Diese Linie kann insbesondere auch gebogen sein, wobei sie sich typischerweise innerhalb eines Verbindungsabschnitts um beispielsweise 180° oder auch um einen anderen Winkel biegt. Insbesondere kann entlang der Reihe zunächst der Anschlussabschnitt des ersten endseitigen Liners, dann der Kammerabschnitt des ersten endseitigen Liners, dann der Verbindungsabschnitt des ersten endseitigen Liners, dann der Kammerabschnitt eines mittleren Liners, dann der Verbindungsabschnitt dieses mittleren Liners, dann der Kammerabschnitt des nächsten mittleren Liners, dann der Verbindungsabschnitt dieses mittleren Liners, dann gegebenenfalls weitere Kammer- und Verbindungsabschnitte von weiteren mittleren Linern und schließlich der Kammerabschnitt und gegebenenfalls der Verbindungsabschnitt des zweiten endseitigen Liners angeordnet sein. Die Abschnitte sind jeweils miteinander verbunden, wobei Abschnitte, welche nicht ohnehin zu einem einzigen Liner gehören, beispielsweise verschweißt oder verklebt werden können. Insbesondere können sie fluiddicht miteinander verbunden sein, so dass ein insgesamt fluiddichtes Innenvolumen ausgebildet wird. Falls weniger mittlere Liner vorhanden sind, fallen diese entsprechend weg.
  • Jeder Verbindungsabschnitt kann insbesondere am in der Reihe nächsten Liner an einer Öffnung angeschlossen werden, welche bei allen Linern außer dem zweiten endseitigen Liner durch Entfernen des Anschlussabschnitts dieses Liners entstanden ist, und beim zweiten endseitigen Liner durch Entfernen des Verbindungsabschnitts entstanden ist. Dadurch können die Liner in vorteilhafter und direkter Weise miteinander verbunden werden.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Druckbehälterbaugruppe, welches folgende Schritte umfasst:
    • - Herstellen einer Preform mittels eines hierin beschriebenen Verfahrens, und
    • - Überflechten oder Umwickeln der Preform.
  • Bezüglich des Verfahrens zum Herstellen einer Preform kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen zurückgegriffen werden. Mittels dieses Verfahrens kann in besonders einfacher Weise eine Druckbehälterbaugruppe verwendet werden, wobei auf die weiter oben bereits gegebenen Ausführungen verwiesen sei.
  • Das Überflechten oder Umwickeln der Preform kann insbesondere entlang der bereits weiter oben genannten Reihe erfolgen, so dass die Liner, aus welchen die Preform gebildet wurde, nacheinander überflochten werden. Insbesondere kann durch das Überflechten die Stabilität erhöht werden, so dass das Endprodukt als Druckbehälterbaugruppe verwendbar ist.
  • Zum Überflechten oder Umwickeln können insbesondere einer oder mehrere der Verbindungsabschnitte aus einer Ruhelage heraus verbogen werden. Beispielsweise können sie so verbogen werden, dass sie linear oder nur weniger als um 180° gebogen sind, um das Überflechten oder Umwickeln zu erleichtern. Anschließend können sie beispielsweise in ihre Endform verbracht werden, wobei beispielsweise ein Tempern erfolgen kann, um eine neue Ruhelage zu definieren.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Druckbehälterbaugruppe, die mittels eines hierin beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Bezüglich des Verfahrens können alle hierin beschriebenen Ausführungen verwendet werden.
  • Die Druckbehälterbaugruppe kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug verwendet werden, beispielsweise in einem Personenkraftwagen, einem Kraftrad oder einem Nutzfahrzeug. Die Druckbehälterbaugruppe dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigem Brennstoff. Die Druckbehälterbaugruppe kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch Compressed Natural Gas oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch Liquid Natural Gas oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Die Druckbehälterbaugruppe ist typischerweise mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln.
  • Eine solche Druckbehälterbaugruppe umfasst mindestens einen Druckbehälter, insbesondere einen Composite Overwrapped Pressure Vessel. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch Nominal Working Pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich (zum Beispiel mehr als 50 K oder mehr als 100 K) unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeugs liegen.
  • Insbesondere können mehrere Druckbehälter zu einer Druckbehälterbaugruppe zusammengefasst sein. Insbesondere kann jeder erwähnte Kammerabschnitt einen solchen Druckbehälter ausbilden. Die Druckbehälterbaugruppe kann mit Trag-, Befestigungs- und/oder Schutzelementen (zum Beispiel Schutzschilder, Abschirmungen, Sperrschichten, Abdeckungen, Beschichtungen, Umwicklungen, etc.) eine permanent verbundene Einheit ausbilden, die insbesondere in dem Unterflurbereich unterhalb des Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs montierbar sein kann. Die Längsachsen der Druckbehälter bzw. Kammerabschnitte können in der Einbaulage parallel zueinander verlaufen und/oder einzelne Druckbehälter können jeweils ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis mit einem Wert zwischen 5 und 200, bevorzugt zwischen 7 und 100, und besonders bevorzugt zwischen 9 und 50 aufweisen.
  • Beispielsweise können insgesamt mehr als drei, mehr als fünf oder mehr als sieben oder auch mehr als zehn Druckbehälter verwendet werden, wobei typischerweise jeder Druckbehälter aus einem Kammerabschnitt eines Liners gebildet wird.
  • Die Druckbehälter bzw. Kammerabschnitte können kreisförmige oder ovale Querschnitte aufweisen. Die einzelnen Druckbehälter können als Speicherrohre ausgebildet sein. Beispielsweise können mehrere Druckbehälter vorgesehen sein, deren Längsachsen in der Einbaulage parallel zueinander verlaufen. Die einzelnen Druckbehälter können jeweils ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis wie weiter oben angegeben aufweisen. Das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis ist der Quotient aus der Gesamtlänge der einzelnen Druckbehälter (zum Beispiel Gesamtlänge eines Speicherrohrs ohne Fluidverbindungselemente) im Zähler und dem größten Außendurchmesser des Druckbehälters im Nenner. Die einzelnen Druckbehälter können unmittelbar benachbart zueinander angeordnet sein, beispielsweise in einem Abstand zueinander von weniger als 20 cm oder weniger als 15 cm oder weniger als 10 cm oder weniger als 5 cm.
  • In einer Ausgestaltung sind die Druckbehälter in Serie geschaltet. Zwischen den einzelnen Druckbehältern können in der Regel gebogene Fluidverbindungselemente vorgesehen sein, welche insbesondere durch die bereits erwähnten Verbindungsabschnitte gebildet werden können. Besonders bevorzugt können die Druckbehälter und die Fluidverbindungselemente so gestaltet sein, dass beide in einem kontinuierlichen Fertigungsprozess zusammen herstellbar sind. Hierzu kann beispielsweise das bereits weiter oben erwähnte Verfahren verwendet werden. Eine solche Art des Rohrspeichersystems wird auch als Kettentank, Schlangentank oder Conformable Storage bezeichnet. Um bei der Betankung Überhitzung in „Sackgassen“ zu vermeiden, kann das Ende der seriell verbundenen Behälter wieder mit dem Anfang verbunden werden, um (beispielsweise mit einer Venturi-Düse) eine Durchströmung bei der Betankung zu ermöglichen.
  • Ein Liner kann insbesondere einen Hohlkörper ausbilden, in dem der Brennstoff gespeichert ist. Der Liner kann beispielsweise aus Aluminium oder Stahl oder aus deren Legierungen hergestellt sein. Ferner bevorzugt kann der Liner aus einem Kunststoff hergestellt sein. Im Liner wird der Brennstoff gespeichert und der Liner ist in der Regel für die Dichtheit des Druckbehälters zuständig. Falls beispielsweise Wasserstoff gespeichert wird, ist der Liner in der Regel ausgebildet, eine Wasserstoffpermeation zu vermeiden. Der Liner kann zudem als Wickel- und/oder Flechtkern dienen. Eine metallische Ausführung kann sowohl lasttragend als auch wie ein Polymer-Liner nicht lasttragend ausgelegt sein. Üblicherweise wird die Linerkontur so dünn wie möglich gewählt, da die Festigkeit der faserverstärkten Schicht wesentlich höher ist und somit eine dünnere Gesamtwandstärke erreicht werden kann. Beispielsweise kann die maximale Wandstärke des Liners weniger als 30 mm, bevorzugt weniger als 10 mm oder 5 mm betragen. Wie der Druckbehälter weist auch der Liner in der Regel eine längliche, bevorzugt zylindrische, Form mit in der Regel gewölbten Endbereichen auf. Die Endbereiche und der dazwischen angeordnete, in der Regel zylindrische Umfangsbereich sind insbesondere vorteilhaft einstückig geformt.
  • Durch das Flechten kann insbesondere eine faserverstärkte Schicht ausgebildet werden. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Als faserverstärkte Schicht kommen in der Regel faserverstärkte Kunststoffe zum Einsatz, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe. Die faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern. Insbesondere Matrixmaterial, Art und Anteil an Verstärkungsfasern sowie deren Orientierung können variiert werden, damit sich die gewünschten mechanischen und/oder chemischen Eigenschaften einstellen. Bevorzugt werden Endlosfasern als Verstärkungsfasern eingesetzt, die durch Wickeln und/oder Flechten aufgebracht werden können. Die faserverstärkte Schicht weist in der Regel mehrere Schichtlagen auf.
  • Als On-Tank-Valve (OTV) wird typischerweise eine Kombination aus einem elektromagnetisch betätigten Ventil, einem manuell betätigten Ventil und einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) bezeichnet. Das elektromagnetisch betätigte Ventil und das manuell betätigte Ventil können insbesondere in Reihe verschaltet sein, wobei eines davon ein Tankabsperrventil darstellen kann. Des Weiteren umfasst ein On-Tank-Valve typischerweise noch einen Bleed Port oder ein Bleed Valve. Ein Bleed Port ist typischerweise ein Anschluss, über den Gas aus einem Druckbehälter auch beim Versagen der Ventile abgelassen werden kann. Ein Bleed Valve ist ein Ventil mit einer solchen Funktionalität. Das On-Tank-Valve ist typischerweise die direkt an einem Ende des Druckbehälters montierte und mit dem Inneren des Druckbehälters direkt fluidverbundene Ventileinheit.
  • Ein Tankabsperrventil ist typischerweise das Ventil, dessen Eingangsdruck (im Wesentlichen) dem Behälterdruck entspricht. Das Tankabsperrventil ist insbesondere ein steuerbares bzw. regelbares und insbesondere stromlos geschlossenes Ventil. Das Tankabsperrventil ist in der Regel in ein On-Tank-Valve integriert. In der Verordnung (EU) Nr. 406/2010 der Kommission vom 26. April 2010 zur Durchführung der Verordnung (EG) Nr. 79/2009 des Europäischen Parlaments und des Rats über die Typengenehmigung von wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen wird ein solches Tankabsperrventil auch als erstes Ventil bezeichnet.
  • Mit anderen Worten kann durch eine geeignete Gestaltung von Einzelelementen ein gesamter Kettentank aus nur einem Werkzeug oder Elementtyp gefertigt werden. Dieser kann insbesondere ein Anschluss- und ein Verbindungselement besitzen, welche je nach Verwendung genutzt oder mechanisch entfernt werden, beispielsweise durch Schneiden. Dies spart Werkzeugkosten und stellt die Massentauglichkeit für Kettentanks mit einer Vielzahl von Kammern sicher.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigen:
    • 1: eine Druckbehälterbaugruppe,
    • 2: einen Liner und einen Ausschnitt davon, und
    • 3: eine Preform.
    • 1 zeigt rein schematisch eine Druckbehälterbaugruppe 1. Diese weist vorliegend insgesamt acht Druckbehälter 2 auf, welche durch seitliche
  • Verbinder 4 miteinander verbunden sind. Die Druckbehälter 2 sind vorliegend als Speicherrohre ausgebildet, welche ein verhältnismäßig hohes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis haben. Wie gezeigt sind die Druckbehälter 2 in zwei Lagen übereinander angeordnet. Insgesamt ergibt sich bei einer solchen Ausführung eine eher flache Form, welche beispielsweise eine ideale Ausnutzung eines Bauraums unter einem Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs ermöglicht.
  • 2 zeigt rein schematisch einen Liner 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Liner 10 weist einen Kammerabschnitt 20 auf. Der Kammerabschnitt 20 erstreckt sich entlang einer Längsachse 22, wobei er ein verhältnismäßig hohes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis aufweist. Mittig im Kammerabschnitt 20 ist ein Mittenabschnitt 24 ausgebildet, in welchem die Querschnittsfläche des Kammerabschnitts 22 am größten ist. Seitlich dazu sind ein erster Übergangsabschnitt 26 und ein zweiter Übergangsabschnitt 27 ausgebildet, in welchen die Querschnittsfläche jeweils nach links bzw. nach rechts abnimmt.
  • Linksseitig zum Kammerabschnitt ist ein Anschlussabschnitt 30 ausgebildet. Dieser ist in einer vergrößerten Ansicht dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben werden. Rechtsseitig zum Kammerabschnitt 20 ist ein Verbindungsabschnitt 40 dargestellt. Dieser ist als flexibles Rohr ausgeführt und hat eine kleinere Querschnittsfläche als der Kammerabschnitt 20. Grundsätzlich sind alle hier erwähnten Abschnitte 20, 30, 40 mit einem runden Querschnitt ausgeführt, wobei auch andere Formen infrage kommen.
  • In der vergrößerten Ansicht ist der Anschlussabschnitt 30 genauer dargestellt. Am Übergang zum Kammerabschnitt 20 ist zunächst eine Trennstelle 32 ausgebildet, welche vorliegend als Materialschwächung ausgeführt ist. Dadurch kann ein Abtrennen des Anschlussabschnitts 30 vereinfacht werden. Weiter außen sind Vorsprünge 34 ausgebildet, welche radial nach außen vorstehen. Dadurch kann das Aufbringen eines Anschlussstücks oder eine sonstige Verbindung erleichtert werden.
  • 3 zeigt eine Preform 8, welche zur Herstellung einer Druckbehälterbaugruppe 1 verwendet werden kann. Nachfolgend wird die Herstellung dieser Preform 8 beschrieben. Dabei wird von vier zunächst identischen Linern 10 im Sinne der 2 ausgegangen, welche alle identisch hergestellt werden können und somit keinen Wechsel von Werkzeugen erfordern.
  • Zunächst wird ein erster endseitiger Liner 10a verwendet. Dieser wird unverändert gelassen, so dass dessen Anschlussabschnitt 30a, Kammerabschnitt 20a und Verbindungsabschnitt 40a vorhanden sind. Daran schließt sich ein erster mittlerer Liner 10b an, dessen Anschlussabschnitt entfernt wurde. Sein Kammerabschnitt 20b liegt parallel zum und neben dem Kammerabschnitt 20a des ersten endseitigen Liners 10a, wobei grundsätzlich alle gezeigten Kammerabschnitte parallel zueinander liegen. Der Verbindungsabschnitt 40b des ersten mittleren Liners führt zum Kammerabschnitt 20c eines zweiten mittleren Liners 10c, bei welchem wiederum der Anschlussabschnitt entfernt wurde. Der Verbindungsabschnitt 40c des zweiten mittleren Liners 10c führt zu einem Kammerabschnitt 20d eines zweiten endseitigen Liners 10d, dessen Verbindungsabschnitt entfernt wurde. Sein Anschlussabschnitt 30d ist jedoch noch vorhanden und kann für Anschlusszwecke verwendet werden, ebenso wie der Anschlussabschnitt 30a des ersten endseitigen Liners 10a. Soll ein Anschluss nur an einer Stelle erfolgen, so kann beispielsweise einer der beiden verbleibenden Anschlussabschnitte 30a, 30d entfernt werden und der jeweilige Kammerabschnitt 20a, 20d an der jeweiligen Stelle verschlossen werden.
  • Somit ermöglicht die hier beschriebene Vorgehensweise eine besonders einfache Herstellung einer Preform 8, welche durch Überflechten zu einer Druckbehälterbaugruppe 1 weiterverarbeitet werden kann. Auf einen Werkzeugwechsel bei der Herstellung von Linern kann verzichtet werden, wodurch Zeit und Kosten eingespart werden.
  • 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 Liner, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, der mindestens eine Liner, etc.).
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckbehälterbaugruppe
    2
    Druckbehälter
    4
    Verbinder
    8
    Preform
    10
    Liner
    20
    Kammerabschnitt
    22
    Längsachse
    24
    Mittenabschnitt
    26
    erster Übergangsabschnitt
    27
    zweiter Übergangsabschnitt
    30
    Anschlussabschnitt
    32
    Trennstelle
    34
    Vorsprünge
    40
    Verbindungsabschnitt
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 406/2010 [0042]

Claims (15)

  1. Liner (10) für einen Druckbehälter, umfassend: - einen Kammerabschnitt (20), - einen Anschlussabschnitt (30), und - einen Verbindungsabschnitt (40), - wobei der Kammerabschnitt (20) einen Mittenabschnitt (24) aufweist, in welchem er eine größere Querschnittsfläche aufweist als der Anschlussabschnitt (30) und als der Verbindungsabschnitt (40), - wobei der Anschlussabschnitt (30) an einem ersten Längsende des Kammerabschnitts (20) angebracht ist, und - wobei der Verbindungsabschnitt (40) an einem zweiten Längsende des Kammerabschnitts (20) angebracht ist.
  2. Liner (10) nach Anspruch 1, wobei ein erstes Längsende des Liners (10) an dem Anschlussabschnitt (30) ausgebildet ist und ein zweites Längsende des Liners (10) an dem Verbindungsabschnitt (40) ausgebildet ist.
  3. Liner (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Anschlussabschnitt (30) als Anschlussstutzen ausgebildet ist.
  4. Liner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anschlussabschnitt (30) eine Trennstelle (32) zur Abtrennung vom Kammerabschnitt (20) aufweist.
  5. Liner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsabschnitt (40) eine Trennstelle zur Abtrennung vom Kammerabschnitt (20) aufweist.
  6. Liner (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Trennstelle (32) oder die Trennstellen (32) als Einkerbung oder Materialschwächung ausgeführt ist bzw. sind.
  7. Liner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsabschnitt (40) flexibel, elastisch und/oder biegeweich ist.
  8. Liner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher als Preform zum Flechten oder Wickeln ausgebildet ist.
  9. Liner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsabschnitt (40) länger ist als der Anschlussabschnitt (30).
  10. Liner (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, - wobei der Kammerabschnitt (20) einen ersten Übergangsabschnitt (26) aufweist, in dem sich die Querschnittsfläche vom Mittenabschnitt (24) zum Anschlussabschnitt (30) verringert; und/oder - wobei der Kammerabschnitt (20) einen zweiten Übergangsabschnitt (27) aufweist, in dem sich die Querschnittsfläche vom Mittenabschnitt (24) zum Verbindungsabschnitt (40) verringert.
  11. Verfahren zum Herstellen einer Preform (8) für eine Druckbehälterbaugruppe (1), welches folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen von zwei oder mehr Linern (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, nämlich eines ersten endseitigen Liners (10a), eines zweiten endseitigen Leiners (10d) und keinem, einem oder mehreren mittleren Linern (10b, 10c), - Entfernen des Verbindungsabschnitts des zweiten endseitigen Liners (10d), - Entfernen des Anschlussabschnitts jedes mittleren Liners (10b, 10c), und - Verbinden der Liner (10a, 10b, 10c, 10d) zu der Preform (8), wobei die Liner (10a, 10b, 10c, 10d) in Reihe angeordnet werden und jeder Liner (10a, 10b, 10c, 10d) mit Ausnahme des ersten endseitigen Liners (10a) mit dem Verbindungsabschnitt (40a, 40b, 40c) des unmittelbar in der Reihe vorhergehenden Liners (10a, 10b, 10c) verbunden wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei jeder Verbindungsabschnitt (40a, 40b, 40c) am in der Reihe nächsten Liner (10b, 10c, 10d) an einer Öffnung angeschlossen wird, welche bei allen Linern (10b, 10c) außer dem zweiten endseitigen Liner (10d) durch Entfernen des Anschlussabschnitts dieses Liners (10b, 10c, 10d) entstanden ist, und beim zweiten endseitigen Liner (10d) durch Entfernen des Verbindungsabschnitts entstanden ist.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Druckbehälterbaugruppe (1), welches folgende Schritte umfasst: - Herstellen einer Preform (8) mittels eines Verfahrens nach Anspruch 11 oder 12, und - Überflechten oder Umwickeln der Preform (8).
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei einer oder mehrere Verbindungsabschnitte (40) zum Überflechten oder Umwickeln aus einer Ruhelage heraus verbogen werden.
  15. Druckbehälterbaugruppe (1), die mittels eines Verfahrens nach Anspruch 13 oder 14 hergestellt wurde.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4932403A (en) 1989-04-14 1990-06-12 Scholley Frank G Flexible container for compressed gases
US20150048095A1 (en) 2012-12-04 2015-02-19 Hecr, Llc Compressed gas storage systems
US20170157837A1 (en) 2015-12-02 2017-06-08 Other Lab, Llc Systems and methods for liner braiding and resin application

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