DE102020134643A1

DE102020134643A1 - Treibstofftank-Modul für gasbetriebenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020134643A1
Application number: DE102020134643.3A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Frenz; Stefan Krapp; Mark Bleischwitz; Patrick Seidel
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2020-12-22
Publication date: 2022-06-23
Also published as: WO2022135874A1

Abstract

Treibstofftank-Modul (20) für die Speicherung von Gas, zur Montage in einem gasbetriebenen Fahrzeug (30), insbesondere einem Nutzfahrzeug, umfassend mehrere Einzeltanks (1), eine Tragstruktur (2,3), an der die Einzeltanks (1) befestigt sind und die dazu vorgesehen ist, das Treibstofftank-Modul (20) an dem Fahrzeug (30) zu befestigen, und für jeden Einzeltank (1) zumindest eine Befestigungsvorrichtung (9), die den Einzeltank (1) mit Hilfe von einem oder mehreren Spannbändern (11.1,11.2) hält und mit der Tragstruktur (2,3) verbindet, wobei die Einzeltanks (1) eine langgestreckte Form mit einer Längsachse (t) aufweisen, die im Mittelbereich zylinderförmig und an beiden Enden mit gewölbten Polkappen abgeschlossen ist, und wobei die Einzeltanks (1) eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Kunststoff und an jeder der Polkappen ein metallisches Anschlussstück, einen sogenannten Boss (4,5), aufweisen, wobei die Befestigungsvorrichtung (9) zumindest zwei elastische Verbindungselemente (14,15) aufweist, die das zumindest eine Spannband (11.1,11.2) und/oder ein mit dem Spannband verbundenes Teil (13) mit der Tragstruktur (2,3) verbinden, und wobei die Verbindungselemente (14,15) so ausgeführt sind, dass sie in Richtung der Längsachse (t) elastisch und senkrecht zur Längsachse (t) steif sind, und somit eine Relativbewegung entlang der Längsachse (t) zwischen dem Spannband (11.1,11.2) und der Tragstruktur (2,3) zulassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Treibstofftank-Modul für die Speicherung von Gas zur Montage in einem gasbetriebenen Fahrzeug, insbesondere einem Nutzfahrzeug, wobei das Treibstofftank-Modul mehrere Einzeltanks, eine Tragstruktur, an der die Einzeltanks befestigt sind, und zumindest eine Befestigungsvorrichtung, die den Einzeltank mit Hilfe von einem oder mehreren Spannbändern hält und mit der Tragstruktur verbindet, umfasst. Die Tragstruktur ist dazu vorgesehen, das Treibstofftank-Modul an dem Fahrzeug zu befestigen. Die Einzeltanks weisen eine langgestreckte Form auf, die im Mittelbereich zylinderförmig und an beiden Enden mit gewölbten Polkappen abgeschlossen ist, und die Einzeltanks weisen eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Kunststoff und an jeder der Polkappen ein metallisches Anschlussstück, einen sogenannten Boss, auf.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Befestigungsvorrichtung für einen Einzeltank an einer Tragstruktur in einem solchen Treibstofftank-Modul und ein gasbetriebenes Fahrzeug mit einem solchen Treibstofftank-Modul.
Im Stand der Technik sind Treibstofftank-Module für gasbetriebene Fahrzeuge bekannt. Unter anderem wird in der DE 202007015487 U1 ein Tankmodul beschrieben. Die beiden Einzeltanks werden an den beiden Enden des zylindrischen Teils jeweils mit einem Spannband als Befestigungseinrichtung an einer Tragstruktur verspannt. Dabei umschlingt ein Spannband jeweils zwei Einzeltanks. Über die Tragstruktur wird das Tankmodul am Boden eines Fahrzeuges befestigt. An einem Ende des Tanks ist eine Armatur vorgesehen, über die die Tanks befüllt und entleert werden und die notwendige Sicherheitseinrichtungen enthält. Zudem ist ein Sockel vorhanden, der an die Querschnittsform des Einzeltanks angepasst ist und an den der Einzeltank gedrückt wird.
Das Dokument DE 102004030323 A1 zeigt weiteren Stand der Technik zur Befestigung von Einzeltanks in einem gasbetriebenen Fahrzeug. Hier wird jeder Einzeltank separat mit zwei Spannbändern umschlungen und an einer Tragstruktur befestigt. Auch hier ist ein Sockel vorhanden, der an die Querschnittsform des Einzeltanks angepasst ist.
Des Weiteren gibt es Stand der Technik zur Ausführung von Spannbändern für Einzeltanks, insbesondere zu sogenannten Gelenkbandschellen, wie sie in der DE 102009042596 A1 beschrieben sind. Die Gelenkbandschellen umfassen ein Metallband, einen Sockel, der an die Außenform des Einzeltanks angepasst ist, und eine Gelenkspannverbindung. Über die Spannschraube der Gelenkspannverbindung wird das Metallband so gespannt, dass der Einzeltank an den Sockel gedrückt und damit festgeklemmt wird. Der Sockel kann an einer Tragstruktur verschraubt werden. Die Gelenkbandschellen können vor allem Querkräfte aufnehmen. In Richtung der Längsachse des Einzeltanks können sie nicht viel Kraft aufnehmen, bei höherer Belastung in diese Richtung kann die Gelenkbandschelle beschädigt werden und brechen.
Die im Stand der Technik bekannten Befestigungsvorrichtungen mit Spannbändern erlauben daher nur einen waagrechten Einbau der Einzeltanks im Fahrzeug. Zudem ist bei den bekannten Lösungen keine Ausdehnung der Einzeltanks möglich, wie sie bei höheren Drücken oder größeren Temperaturschwankungen auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine alternative Befestigungsvorrichtung für Einzeltanks bereitzustellen und damit andere Ausgestaltungen eines Treibstofftank-Moduls in einem gasbetriebenen Fahrzeug zu ermöglichen, und eine Ausdehnung des Einzeltanks zuzulassen.
Die Aufgabe wird zum einen durch ein Treibstofftank-Modul gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen genannt.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das Treibstofftank-Modul nach Anspruch 1 dadurch aus, dass die Befestigungsvorrichtung zumindest zwei elastische Verbindungselemente aufweist, die das zumindest eine Spannband und/oder ein mit dem Spannband verbundenes Teil mit der Tragstruktur verbinden, wobei die Verbindungselemente so ausgeführt sind, dass sie in Richtung der Längsachse elastisch und senkrecht zur Längsachse steif sind, und somit eine Relativbewegung entlang der Längsachse zwischen dem Spannband und der Tragstruktur zulassen. Die Befestigungsvorrichtung und damit das Spannband sind im zylindrischen Teil der Einzeltanks angeordnet.
Die Einzeltanks sind insbesondere als Wasserstofftanks ausgeführt, beispielsweise für Fahrzeuge mit Brennstoffzellen-Antrieb oder mit Gasmotor. Die Einzeltanks können auch für Biogas, Propan, Methan, Erdgas oder Gasgemische ausgeführt sein. Typisch für solche Einzeltanks ist, dass das Gas unter hohem Druck gespeichert wird, insbesondere sind Drücke von über 200 bar, oftmals bis 600 bar und teilweise sogar bis 700 oder 875 bar vorgesehen. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit wiegen solche Einzeltanks durchaus bis zu 300 kg. Eine sichere und doch möglichst platz- und gewichtsparende Befestigung ist essentiell.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung besteht darin, dass durch diese Ausführung eine Ausdehnung oder eine gewisse Verschiebung des Einzeltanks in Richtung der Längsachse möglich ist, ohne dass die Befestigungsvorrichtung dabei zu stark belastet und somit beschädigt wird. Eine solche Ausdehnung tritt vor allem bei Druckunterschieden im Einzeltank auf, wenn der Tank einmal mit bis zu 875 bar gefüllt ist oder dann entleert mit niedrigerem Druck belastet ist. Besonders zu beachten ist die Ausdehnung bei größeren Einzeltanks, wie sie etwa bei Nutzfahrzeugen nötig werden, um eine ausreichende Tankkapazität zu bieten. Solche Einzeltanks für Nutzfahrzeuge können durchaus 2500 mm lang und über 500 mm im Durchmesser sein. Die Ausdehnung beträgt dann mehrere Millimeter bis zu wenigen Zentimetern in Richtung der Längsachse.
Unter elastisch wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eine elastische Bewegung zugelassen wird, indem das Verbindungselement eine kontrollierte elastische Verformung ausführt. Als steif wird hier angesehen, dass das Verbindungselement so gestaltet ist, dass es so gut wie keine Bewegung oder Verformung in diese Richtung zulässt im Rahmen der üblichen Belastung.
Besonders bevorzugt weist die Befestigungsvorrichtung zwei Spannbänder parallel in Richtung der Längsachse (t) nebeneinander angeordnet auf und/oder die Spannbänder sind als sogenannte Gelenkbandschellen mit zumindest je einer Gelenkspannverbindung (12) ausgeführt. Dadurch ist eine verbesserte Befestigung des Einzeltanks auch bei höherem Gewicht oder höherer Belastung gegeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung umfassen die Verbindungselemente Blattfedern, die die gewünschte Elastizität ergeben. Die Blattfedern können in ihrer Länge und Federhärte geeignet ausgewählt werden. Die Blattfedern sind mit ihrer Breite senkrecht zur Längsachse (t) und mit ihrer, viel geringeren Blattdicke in Richtung der Längsachse (t) ausgerichtet, so dass sie eine elastische Bewegung entlang der Längsachse (t) zulassen. Insbesondere weisen die Blattfedern eine Blattdicke zwischen 1 mm und 3 mm auf.
Bei den bisher bekannten Befestigungsvorrichtungen sind die Verbindungen zur Tragstruktur immer steif in Richtung der Längsachse ausgeführt, also zum Beispiel in dem die Blechkomponenten mit ihrer Blechbreite hochkant in Richtung der Längsachse angeordnet sind.
Insbesondere umfasst jedes Verbindungselement zumindest zwei Blattfedern, die auf zueinander beabstandeten Ebenen angeordnet sind, wobei der Abstand der Blattfedern in Richtung der Längsachse (t) bevorzugt zwischen 20 mm und 120 mm liegt. Durch das Anordnen mehrerer Blattfedern in einem Verbindungselement vervielfacht sich die übertragbare Zugkraft in Längsrichtung der Blattfedern. Gleichzeitig kann die Elastizität in Richtung der Längsachse (t) gezielt eingestellt werden.
Bei Blattfedern ist insbesondere darauf zu achten, dass sie in ihrer Längsrichtung nach Möglichkeit nur auf Zug belastet werden und nicht auf Druck, da sie sonst ausbeulen und beschädigt werden können.
Um eine noch bessere Befestigung zu erreichen ist es von Vorteil, wenn die Befestigungsvorrichtung zumindest vier elastische Verbindungselemente aufweist, die das zumindest eine Spannband und/oder ein mit dem Spannband verbundenes Teil mit der Tragstruktur verbinden, wobei die Verbindungselemente so ausgeführt sind, dass sie in Richtung der Längsachse (t) elastisch und senkrecht zur Längsachse (t) steif sind, und somit eine Relativbewegung entlang der Längsachse (t) zwischen dem Spannband und der Tragstruktur zulassen. Besonders bevorzugt sind die vier Verbindungselemente so am Umfang verteilt angeordnet, dass eine Belastung senkrecht zur Längsachse (t) stets von zumindest einem Verbindungselement als Zugkraft aufgenommen werden kann.
Weiter verbessert wird die Ausführung, wenn die Befestigungsvorrichtung zumindest einen Sockel aufweist, der an die Außenform eines Einzeltanks angepasst ist und an den der jeweilige Einzeltank durch die Spannbänder angedrückt wird. So ist der Einzeltank auf dem gesamten Umfang von der Befestigungsvorrichtung umschlungen und gut gehalten.
In einer anderen vorteilhaften Ausführung sind die Verbindungselemente als Blechkomponente ausgeführt, die im Querschnitt einen rechteckigen Innenraum umschließt, wobei sich dieser Innenraum bei der elastischen Verformung zu einem Parallelogramm verformen kann. Insbesondere ist die Blechkomponente so angeordnet, dass die Blechbreite senkrecht zur Längsachse und die viel geringere Blechdicke in Richtung der Längsachse ausgerichtet ist. Damit die Verformung elastisch bleibt wird die Blechkomponente aus einem geeigneten Material, zum Beispiel aus Edelstahl oder einem hochlegierten Federstahl gefertigt. Insbesondere können die beiden Verbindungselemente über eine Basis miteinander zu einem Bauteil verbunden sein.
Bevorzugt ist die Elastizität der Verbindungselemente so ausgelegt, dass die von der Befestigungsvorrichtung maximal ermöglichte Relativbewegung zwischen dem zumindest einen Spannband und der Tragstruktur zwischen 10 mm und 60 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 35 mm beträgt. So kann die Ausdehnung des Einzeltanks gut kompensiert werden, ohne dass die Befestigungsvorrichtung beschädigt wird. Und gleichzeitig ist eine ausreichend sichere Befestigung des Einzeltanks gewährleistet.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Befestigungsvorrichtung jeweils einen Anbindungspunkt aufweist, an dem das jeweilige Verbindungselement mit dem Spannband und/oder mit dem Teil, welches mit dem Spannband verbunden ist, befestigt ist und dass diese Anbindungspunkte bezogen auf die Längsachse (t) in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (t) einen Winkel bilden, der zwischen 45° und 120° liegt, bevorzugt zwischen 60° und 100°. Dadurch wird der Befestigungsvorrichtung eine gute Steifigkeit senkrecht zur Längsachse (t) gegeben. Und es wird gewährleistet, dass die Elastizität der Verbindungselemente nur in Richtung der Längsachse wirkt und nicht die Anbindung insgesamt weicher macht.
In einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung sind zwei Befestigungsvorrichtungen für je einen Einzeltank kombiniert, wobei jede Befestigungsvorrichtung zumindest einen Sockel aufweist, der an die Außenform des Einzeltanks angepasst ist und an den der jeweilige Einzeltank durch die Spannbänder angedrückt wird, und wobei sich die beiden Sockel derart mit ihrer dem Einzeltank abgewandten Seite aneinander abstützen, dass Druckkräfte zwischen diesen übertragen werden können. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass trotz Verwendung von nur je zwei Verbindungselementen je Einzeltank, die Verbindungselemente davor geschützt sind, auf Druck belastet zu werden. Insbesondere bei Verwendung von Blattfedern in den Verbindungselementen besteht bei Druckbelastung die Gefahr, dass diese ausbeulen und beschädigt werden. Durch die Kombination von zwei Befestigungsvorrichtungen „Rücken an Rücken“ werden Belastungen, die zu Druckkräften für die Verbindungselemente der einen Befestigungsvorrichtung führen würden über die Sockel auf die andere Befestigungsvorrichtung übertragen und dort als Zugkräfte von deren Verbindungselementen aufgenommen. Dadurch ist eine platzsparende und gewichtssparende Ausführung möglich, die dennoch ausreichend hohe Festigkeit und Sicherheit bietet.
In einer weiteren bevorzugten Variante ist das Treibstofftank-Modul derart ausgeführt, dass nach der Montage am Fahrzeug die Einzeltanks mit ihrer Längsachse (t) senkrecht zur Querrichtung (Q) des Fahrzeugs und zwischen 45° und 90° zur Längsrichtung (L) des Fahrzeugs ausgerichtet sind (inklusive der Grenzwerte), wobei je Einzeltank eine untere Halterung zur Abstützung des Gewichts des Einzeltanks vorgesehen ist, die den jeweiligen unteren Boss mit der Tragstruktur verbindet. Wobei die Abstützung des Gewichts nicht notwendigerweise das komplette Gewicht umfasst, sondern zumindest eine Großteil des Gewichts.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung besteht darin, dass durch diese Lösung die Einzeltanks senkrecht im Fahrzeug angeordnet werden können und das Gewicht der Einzeltanks im Wesentlichen unter dem Schwerpunkt abgestützt wird. Dadurch reduziert sich der Aufwand der für die Halterung notwendig ist deutlich.
Eine besonders gute Befestigung ergibt sich dadurch, dass die untere Halterung am sogenannten Boss des Einzeltanks angreift. Der Boss ist ein Metallteil, das den Einzeltank am äußersten Teil der Polkappen abschließt und dafür vorgesehen ist, eine Armatur zum Befüllen und Entleeren aufzunehmen.
Die senkrechte Anordnung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass die Einzeltanks länger sein können und nicht durch die Breite des Fahrzeuges begrenzt sind. Zudem sind die Tankarmaturen, also die Ventile, nicht im seitlichen Bereich des Fahrzeuges angeordnet, wo sie bei Unfällen gefährdet sind, sondern unter oder über dem Einzeltank, wo sie bei Unfällen nicht so leicht beschädigt werden können. Das ist ein bedeutender Sicherheitsgewinn. Nur durch diese Anordnung kann der Bauraum bis zur Seitenkante des Fahrzeuges für die Einzeltanks voll ausgenutzt werden. Bei seitlicher Anordnung der Ventile muss immer ein Sicherheitsabstand von der Seitenkante eingehalten werden, so dass die Ventile bei leichten Seitenunfällen nicht gleich betroffen sind.
Durch die verbesserte Bauraum-Ausnutzung kann insbesondere ein für Nutzfahrzeuge notwendiges Tankvolumen auf dem Fahrzeug untergebracht werden, so dass attraktive Reichweiten möglich sind.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Einzeltanks zum Austausch einzeln nach oben aus der Tragstruktur entnommen werden können, wenn die Halterungen gelöst werden, ohne dass benachbarte Einzeltanks dabei im Weg sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausprägung ist die jeweilige untere Halterung so ausgeführt, dass sie den unteren Boss konzentrisch umschließt und diesen derart elastisch mit der Tragstruktur verbindet, dass zwischen Einzeltank und Tragstruktur eine Relativbewegung, sowie eine Dämpfung von Vibrationen möglich ist. Insbesondere ist die elastische Verbindung an der unteren Halterung so ausgeführt, dass diese für sich genommen eine geringe Relativbewegung in Richtung der Längsachse des Einzeltanks als auch eine geringe Kippung der Längsachse gegenüber der Tragstruktur in mehrere Richtungen zulässt. Mit gering ist hierbei gemeint, dass zwar eine gewisse Beweglichkeit gegeben ist, um beispielsweise eine Längenänderung aufgrund von Temperatur- oder Druckschwankungen sowie Lageänderungen aufgrund von äußeren Beschleunigungen auszugleichen, andererseits aber eine zuverlässige Befestigung des Einzeltanks an der Tragstruktur gegeben ist. Insbesondere kann die untere Halterung als konzentrisch zum unteren Boss angeordnetes sogenanntes Konuslager ausgeführt sein.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die untere Halterung so elastisch ausgeführt ist, das die Längsachse (t) des Einzeltanks sich unter Belastung um mindestens 0,5° gegenüber einer Neutralstellung kippen kann. Die Neutralstellung ist bevorzugt die Höhenrichtung (H) des Fahrzeugs. Als Obergrenze für die zugelassene Kippung können wenige Grad, maximal 3° bis 5° angesehen werden.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich zudem daraus, dass die untere Halterung nicht nur ein Beweglichkeit zulässt, sondern auch geeignet ist Vibrationen zu dämpfen, beispielsweise indem die untere Halterung eines oder mehrere Elastomerbauteile, insbesondere eines oder mehrere Gummibauteile, umfasst, welches oder welche konzentrisch zum Boss angeordnet ist. Somit können Vibrationen in verschiedene Richtungen gedämpft werden. Die erfindungsgemäß vorhandene Befestigungsvorrichtung dämpft zusätzlich Vibrationen, die in Richtung der Längsachse (t) gegebenenfalls auftreten.
Um die Tragstruktur möglichst leicht und klein zu machen, ist es von Vorteil, wenn der Abstand zwischen der Befestigungsvorrichtung und der unteren Halterung höchstens ¾ der Länge des Einzeltanks entspricht. Die Tragstruktur kann noch niedriger ausgeführt werden, wenn der genannte Abstand insbesondere maximal 60% der Länge des Einzeltanks beträgt.
Weiterhin wird die Aufgabe durch eine Befestigungsvorrichtung zur Befestigung eines Einzeltanks in einem gemäß Anspruch 13 gelöst. Eine solche erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung umfasst zumindest zwei elastische Verbindungselemente die das zumindest eine Spannband (und/oder ein mit dem Spannband verbundenes Teil mit der Tragstruktur verbinden können, wobei die Verbindungselemente so ausgeführt sind, dass sie in Richtung der Längsachse (t) elastisch und senkrecht zur Längsachse (t) steif sind, und somit eine Relativbewegung entlang der Längsachse (t) zwischen dem Spannband und der Tragstruktur zulassen.
Darüber hinaus kann die Befestigungsvorrichtung vorteilhafterweise die zuvor genannten Merkmale der Befestigungsvorrichtung in einem erfindungsgemäßen Treibstofftank-Modul aufweisen.
Und ebenso wird die Aufgabe durch ein gasbetriebenes Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Treibstofftank-Modul gemäß Anspruch 15 gelöst. Gegebenenfalls können in einem Fahrzeug mehrere solche Treibstofftank-Module vorgesehen werden, wenn eine größere Tankkapazität und damit eine höherer Reichweite gewünscht ist.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Gleichartige Teile sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

1 Schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Treibstofftank-Modul (Seitenansicht)
2 Schematische Darstellung wie 1 in Rückansicht
3a/b Detaildarstellung zweier erfindungsgemäßer Befestigungsvorrichtungen
4a/b Weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung
5 Weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung
6a/b Weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Befestigungsvorrichtung

Die 1 zeigt ein gasbetriebenes Fahrzeug 30. Bevorzugt ist das Fahrzeug 30 ein Nutzfahrzeug, wie etwa ein Lkw. Besonders bei Nutzfahrzeugen werden große Treibstoffmengen für eine wirtschaftlich sinnvolle Reichweite benötigt. Der Antrieb kann beispielsweise über eine Brennstoffzelle und Elektromotor oder über einen Gasmotor erfolgen. Der Treibstoff kann Wasserstoff, Biogas, Methan, Ethan, Erdgas oder ein Gasgemisch sein. Gespeichert wird das Gas unter Druck in den Einzeltanks 1. Dabei wird üblicherweise ein Druck von mindestens 200 bar, oft bis zu 700 oder 875 bar verwendet. Gezeigt ist ein Fahrzeug mit zwei Treibstofftank-Modulen 20,20' hintereinander. Das zweite Modul ist optional, zum Beispiel wenn eine höhere Tankkapazität und damit eine höhere Reichweite ermöglicht werden soll.
Jedes Treibstofftank-Modul 20,20' umfasst mehrere Einzeltanks 1, die in einer Reihe nebeneinander in Querrichtung Q angeordnet sind. Die Einzeltanks 1 sind im eingebauten Zustand mit ihrer Längsachse t vertikal, also senkrecht zur Querrichtung Q und senkrecht zur Längsrichtung L des Fahrzeugs, ausgerichtet. Das bietet eine optimale Ausnutzung des Bauraums, also maximal mögliches Tankvolumen, bei gleichzeitig verbesserter Sicherheit, da die Tankarmaturen auf der Unterseite gut geschützt sind und nicht seitlich am Fahrzeug im gefährdeten Bereich angeordnet werden. Je nach Gegebenheit im Fahrzeug können die Einzeltanks 1 auch etwas geneigt in oder gegen die Längsrichtung L ausgerichtet sein, so dass der Winkel zwischen Längsachse t und Längsrichtung L zwischen 45° und 90° (inklusive der Grenzwerte) beträgt.
Die Einzeltanks 1 haben eine langgestreckte Form, die rotationssymmetrisch zur Längsachse t ist. Im Mittelbereich weisen sie eine zylindrische Form auf, welche an beiden Enden mit gewölbten Polkappen abgeschlossen wird, die in einem sogenannten Boss enden.
Die Einzeltanks 1 sind an der Tragstruktur 2,2' jeweils über ihren unteren Boss mit Hilfe der unteren Halterung 10 befestigt, welche einen Großteil des Gewichts der Einzeltanks 1 trägt. Diese Halterung 10 ist bevorzugt elastisch ausgeführt, so dass eine gewisse Beweglichkeit in Richtung der Längsachse t möglich ist, die eine Verschiebung und auch eine Kippung erlaubt. Weiterhin kann dadurch eine Vibrationsdämpfung erfolgen. Zusätzlich ist an jedem Einzeltank 1 eine erfindungsgemäße Befestigungsvorrichtung 9 vorgesehen, die bevorzugt Spannbänder oder sogenannte Gelenkbandschellen umfasst.
Als Schutz kann noch eine Verkleidung 21 vorgesehen sein.
2 stellt eine schematische Darstellung des Fahrzeugs 30 mit einem Treibstofftank-Modul 20 in Rückansicht dar. Die Raumrichtungen des Fahrzeugs sind wiederum durch die Querrichtung Q, die Längsrichtung L und die Höhenrichtung H gekennzeichnet. Die Ausrichtung der Einzeltanks 1 ist so, dass die Längsachse t senkrecht zur Querrichtung Q angeordnet ist. Es ist gut zu erkennen, dass dadurch der gesamte Bauraum hinter der Fahrerkabine optimal in der Breite ausgenutzt werden kann, ohne dass es sicherheitskritische Probleme gibt.
Die Einzeltanks 1 - hier vier Stück - sind über die unteren Halterungen 10 an der Tragstruktur 2 befestigt, so dass der Großteil des Gewichts darüber getragen wird. Die Tragstruktur 2 kann beispielsweise als Stahlrahmen ausgeführt sein und ist dazu vorgesehen das Treibstofftank-Modul am Fahrzeug zu befestigen. Über jeweils eine Befestigungseinrichtung 9 sind die Einzeltanks 1 zusätzlich an der Tragstruktur 2 befestigt, so dass Querkräfte in Richtung der Querrichtung Q und der Längsrichtung L aufgenommen werden können. Die weitere Halterung 9 ist hierbei so ausgeführt, dass sie in Richtung der Längsachse (t) elastisch ist und somit ebenfalls eine Relativbewegung entlang der Längsachse (t) zwischen dem Einzeltank (1) und der Tragstruktur (2,3) zulässt.
Dadurch dass der Abstand c zwischen der unteren Halterung 10 und der weiteren Halterung 9 nur maximal ¾ der Länge der Einzeltanks beträgt, kann die Tragstruktur 2 im Rückenbereich niedriger und leichter ausgeführt werden, da sie nicht so hoch sein muss, wie die Einzeltanks. Um die Tragstruktur 2 noch leichter ausführen zu können, kann der Abstand c auch noch geringer insbesondere weniger als 60% der Länge des Einzeltanks betragen.
Die Einzeltanks 1 weisen am Ende der Polkappen je einen oberen Boss 5 und einen unteren Boss 4 auf. Am oberen Boss 5 ist ein Sicherheitsventil 8 vorgesehen, dass bei zu hoher Temperatur oder zu hohem Druck das Gas abbläst und so den Tank entlastet, beispielsweise im Brandfall um eine Explosion zu vermeiden. Am unteren Boss 4 ist eine Tankarmatur 7 vorhanden. Über diese kann der Einzeltank 1 mit Gas befüllt und im Betrieb kontrolliert Gas entnommen werden. Die Tankarmaturen 7 können optional zusätzliche Sicherheitsventile umfassen, so dass auch bei einer Temperaturerhöhung im unteren Bereich des Einzeltanks rechtzeitig abgeblasen wird.
In 3a und 3b sind zwei exemplarische Befestigungsvorrichtungen 9,9.1 dargestellt - einmal perspektivisch und einmal in Draufsicht. Die beiden Befestigungsvorrichtungen 9,9.1 sind spiegelbildlich angeordnet und befestigen jeweils einen Einzeltank 1 an der Tragstruktur 2,3. Die Tragstruktur 2 ist über einen Längsbalken mit der weiteren Tragstruktur 3 verbunden, um das Treibstofftank-Modul stabiler zu machen. Die Befestigungsvorrichtungen 9,9.1 sind derart kombiniert, dass die Verbindungselemente 14,14.1,15,15.1 vor Druckkräften in ihrer Längsrichtung, welche sie beschädigen könnten, geschützt sind.
Über die Verbindungselemente 14,15, die als kurze doppelte und beabstandete Blattfedern ausgeführt sind, ist die jeweilige Gelenkspannverbindung 12 mit der Tragstruktur 2,3 verbunden. Der Einzeltank 1 wird von den beiden parallel nebeneinander angeordneten Spannbändern 11.1,11.2 umschlungen und über die Gelenkspannverbindungen 12 an den Sockel 13 angedrückt. Die Gelenkspannverbindungen 12 erlauben zum einen, die als Gelenkbandschellen ausgeführten Spannbänder 11.1,11.2 über eine Spannschraube zu spannen und zum anderen erlauben sie eine Beweglichkeit um die Gelenkachse, so dass die Spannbänder den Einzeltank gut mit großer Auflagelänge umschließen. Gleiches gilt für die Befestigungsvorrichtung 9.1 mit den Verbindungselementen 14.1,15.1 und dem Sockel 13.1.
Die beiden Sockel 13, 13.1 der Befestigungsvorrichtungen 9,9.1 stützen sich Rücken an Rücken aneinander ab. Alternativ könnten die beiden Sockel 13,13.1 auch als ein Teil ausgeführt sein. Wird nun beispielsweise der linke Einzeltank 1, der von der Befestigungsvorrichtung 9.1 gehalten wird, in Querrichtung Q belastet, so werden nicht die Verbindungselemente 14.1, 15.1 auf Druck belastet. Stattdessen wird die Belastung vom Sockel 13.1 auf den Sockel 13 der Befestigungsvorrichtung 9 als Druckkräfte übertragen und von deren Verbindungselementen 14, 15 als Zugkräfte aufgenommen und in die Tragstruktur 2,3 abgeleitet.
Die Anbindungspunkte 19.1,19.2 sind die Punkte, an denen die Verbindungselemente 14,15 an die Gelenkspannverbindungen 12 beziehungsweise an den Sockel, der mit den Spannbändern über die Gelenkspannverbindung verbunden ist, befestigt sind. Mit der Längsachse t bilden die Anbindungspunkte 19.1,19.2 hier beispielsweise einen Winkel von etwa weniger als 90°. So wird eine gute Steifigkeit in Richtung L und Q, sowie eine ausreichende Elastizität in Richtung der Längsachse t erreicht.
Bei der in 4a und 4b dargestellten weiteren Ausführungsform weist die Befestigungsvorrichtung 9a vier elastische Verbindungselemente 14a, 15a, 16a, 17a auf. So ist eine insgesamt steifere Befestigung möglich. Dennoch ist eine ausreichende Elastizität in Richtung der Längsachse t gegeben, da die Verbindungselemente 14a, 15a, 16a, 17a hier als längere Blattfedern - wiederum doppelt auf zwei Ebenen - ausgeführt sind. Die Spannbänder 11.1,11.2 sind jeweils doppelt vorhanden - auf den gegenüberliegenden Seiten. Neben dem Sockel 13a gibt es noch einen zweiten gegenüberliegenden Sockel 13b, so ist der Einzeltank 1 auf dem gesamten Umfang gut umschlossen. Der Winkel zwischen den Anbindungspunkte 19.1,19.2 bezogen auf die Längsachse t ist hier etwas größer als 90°. Zur Versteifung des Treibstofftank-Moduls sind wieder Längsbalken zwischen der Tragstruktur 2 und er Tragstruktur 3 vorgesehen. Durch die Verwendung von vier Verbindungselementen 14a,15a,16a, 17a und ihre Anordnung in verschiedene Richtungen in der Ebene senkrecht zur Längsachse t ist gewährleistet, dass egal bei welcher Belastungsrichtung senkrecht zur Längsachse t immer eine der Blattfedern auf Zug belastet wird und die Belastung aufnehmen und an die Tragstruktur ableiten kann. Die Verbindungselemente werden so vor einer übermäßigen Druckbelastung, die sie beschädigen könnte, geschützt.
5 zeigt eine weitere Alternative für eine Befestigungsvorrichtung 9b mit vier Verbindungselementen 14a, 15a, 16a, 17a. Anders als in der zuvor gezeigten Varianten weisen die als lange Blattfedern ausgeführten Verbindungselemente hier nach außen. Der Winkel zwischen den Anbindungspunkten ist 90°.
In 6a und 6b wird noch eine weitere Ausführung einer Befestigungsvorrichtung 9c dargestellt. Hier sind die Verbindungselemente 14c, 15c als Blechkomponenten ausgeführt, die im Querschnitt einen rechteckigen Innenraum umschließen. Bei Belastung in Richtung der Längsachse t verformen sich die Blechkomponenten elastisch zu einem Parallelogramm. Über die Federhärte des Materials, die Länge in Richtung L, die Breite in Richtung Q und die Blechdicke kann die Elastizität eingestellt werden. In der hier vorgestellten Ausführung sind die beiden Verbindungselemente 14c, 15c über die Basis 18 zu einem Blechteil verbunden. Die Anbindungspunkte 19.1, 19.2 der beiden Verbindungselemente bilden mit der Längsachse t einen Winkel von etwa 90°. Durch Veränderung der Verbindungselemente 14c, 15c kann der Winkel auf andere Werte zwischen 45° und 120° eingestellt werden. Je nachdem welche Elastizität in Richtung der Längsachse t und welche Steifigkeit quer dazu für die Anwendung benötigt wird.
Bezugszeichenliste

1: Einzeltank
2,2': Tragstruktur
3: weiterer Tragbalken
4: unterer Boss
5: oberer Boss
7: Tankarmatur
8: Sicherheitsventil
9,9.1,9a,9b,9c: Befestigungsvorrichtung
10: untere Halterung
11 .1,11.2: Spannbänder
12: Gelenkspannverbindung
13,13.1 , 13a, 13b, 13c: Sockel
14,14.1, 14a, 14b: elastisches Verbindungselement
15,15.1,15a, 15b: elastisches Verbindungselement
16a: elastisches Verbindungselement
17a: elastisches Verbindungselement
18: Basis
19.1,19.2: Anbindungspunkte
20, 20': Treibstofftank-Modul
21: Verkleidung
30: gasbetriebenes Fahrzeug
d: Abstand
H: Höhenrichtung des Fahrzeugs
L: Längsrichtung des Fahrzeugs
Q: Querrichtung des Fahrzeugs
t: Längsachse des Einzeltanks

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007015487 U1 [0003]
DE 102004030323 A1 [0004]
DE 102009042596 A1 [0005]

Claims

Treibstofftank-Modul (20) für die Speicherung von Gas, zur Montage in einem gasbetriebenen Fahrzeug (30), insbesondere einem Nutzfahrzeug, umfassend mehrere Einzeltanks (1), eine Tragstruktur (2,3), an der die Einzeltanks (1) befestigt sind und die dazu vorgesehen ist, das Treibstofftank-Modul (20) an dem Fahrzeug (30) zu befestigen, und für jeden Einzeltank (1) zumindest eine Befestigungsvorrichtung (9, 9.1,9a, 9b, 9c), die den Einzeltank (1) mit Hilfe von einem oder mehreren Spannbändern (11.1, 11.2) hält und mit der Tragstruktur (2,3) verbindet, wobei die Einzeltanks (1) eine langgestreckte Form mit einer Längsachse (t) aufweisen, die im Mittelbereich zylinderförmig und an beiden Enden mit gewölbten Polkappen abgeschlossen ist, und wobei die Einzeltanks (1) eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Kunststoff und an jeder der Polkappen ein metallisches Anschlussstück, einen sogenannten Boss (4,5), aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (9, 9.1, 9a, 9b, 9c) zumindest zwei elastische Verbindungselemente (14, 14a, 14b, 15, 15a, 15b, 16a, 17a) aufweist, die das zumindest eine Spannband (11.1,11.2) und/oder ein mit dem Spannband verbundenes Teil (13, 13a, 13b, 13c) mit der Tragstruktur (2,3) verbinden, wobei die Verbindungselemente (14, 14a, 14b, 15, 15a, 15b) so ausgeführt sind, dass sie in Richtung der Längsachse (t) elastisch und senkrecht zur Längsachse (t) steif sind, und somit eine Relativbewegung entlang der Längsachse (t) zwischen dem Spannband (11.1,11.2) und der Tragstruktur (2,3) zulassen.
Treibstofftank-Modul (20) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (9,9.1,9a,9b,9c) zumindest zwei Spannbänder (11.1,11.2) parallel in Richtung der Längsachse (t) nebeneinander angeordnet aufweist und/oder dass die Spannbänder als sogenannte Gelenkbandschellen mit zumindest je einer Gelenkspannverbindung (12) ausgeführt sind.
Treibstofftank-Modul (20) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (14, 14a, 14b, 15, 15a, 15b, 16a, 17a) Blattfedern umfassen, insbesondere dass jedes Verbindungselement (14,14a,14b,15,15a,15b,16a,17a) zumindest zwei Blattfedern umfasst, die auf zueinander beabstandeten Ebenen angeordnet sind, wobei der Abstand der Blattfedern in Richtung der Längsachse (t) bevorzugt zwischen 20 mm und 120 mm liegt.
Treibstofftank-Modul (20) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (9,9.1,9a,9b) zumindest vier elastische Verbindungselemente (14, 14a, 15, 15a, 16a, 17a) aufweist, die das Spannband (11.1,11.2) und/oder ein mit dem Spannband verbundenes Teil (13,13a,13b) mit der Tragstruktur (2,3) verbinden, wobei die Verbindungselemente (14,14a,14b,15,15a,15b) so ausgeführt sind, dass sie in Richtung der Längsachse (t) elastisch und senkrecht zur Längsachse (t) steif sind, und somit eine Relativbewegung entlang der Längsachse (t) zwischen dem Spannband (11.1,11.2) und der Tragstruktur (2,3) zulassen.
Treibstofftank-Modul (20) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (9,9.1,9a,9b,9c) zumindest einen Sockel (13,13a,13b,13c) aufweist, der an die Außenform des Einzeltanks (1) angepasst ist und an den der jeweilige Einzeltank (1) durch die Spannbänder (11.1,11.2) angedrückt wird.
Treibstofftank-Modul (20) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (14b, 15b) als Blechkomponente ausgeführt sind, die im Querschnitt einen rechteckigen Innenraum umschließt, wobei sich dieser Innenraum bei der elastischen Verformung zu einem Parallelogramm verformen kann.
Treibstofftank-Modul (20) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die von der Befestigungsvorrichtung (9,9.1,9a,9b,9c) ermöglichte maximale Relativbewegung zwischen Spannband (11.1, 11.2) und der Tragstruktur (2, 3) zwischen 10 mm und 60 mm, bevorzugt zwischen 15 mm und 35 mm beträgt.
Treibstofftank-Modul (20) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung (9, 9.1,9a,9b,9c) jeweils einen Anbindungspunkt (19.1,19.2) aufweist, an dem das jeweilige Verbindungselement (14, 14a, 14b,15, 15a, 15b) mit dem zumindest einen Spannband und/oder mit dem Teil (13, 13a, 13b, 13c), welches mit dem Spannband verbunden ist, befestigt ist und dass diese Anbindungspunkte bezogen auf die Längsachse (t) und in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (t) einen Winkel bilden, der zwischen 45° und 120° liegt, bevorzugt zwischen 60° und 100°.
Treibstofftank-Modul (20) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwei Befestigungsvorrichtungen (9,9.1) für je einen Einzeltank (1) kombiniert sind, wobei jede Befestigungsvorrichtung (9,9.1) zumindest einen Sockel (13,13.1) aufweist, der an die Außenform des Einzeltanks (1) angepasst ist und an den der jeweilige Einzeltank (1) durch die Spannbänder (11.1,11.2) angedrückt wird, und wobei sich die Sockel (13,13.1) derart mit ihrer dem Einzeltank abgewandten Seite aneinander abstützen, dass Druckkräfte zwischen diesen übertragen werden können.
Treibstofftank-Modul (20) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Treibstofftank-Modul (20) derart ausgeführt ist, dass nach der Montage am Fahrzeug die Einzeltanks (1) mit ihrer Längsachse (t) senkrecht zur Querrichtung (Q) des Fahrzeugs und zwischen 45° und 90° zur Längsrichtung (L) des Fahrzeugs ausgerichtet sind, wobei je Einzeltank (1) eine untere Halterung (10) zur Abstützung des Gewichts des Einzeltanks vorgesehen ist, die den jeweiligen unteren Boss (4) mit der Tragstruktur (2) verbindet.
Treibstofftank-Modul (20) nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige untere Halterung (10) den unteren Boss (4) konzentrisch umschließt und diesen derart elastisch mit der Tragstruktur (2) verbindet, dass zwischen Einzeltank (1) und Tragstruktur (2) eine Relativbewegung, sowie eine Dämpfung von Vibrationen möglich ist, wobei die elastische Verbindung an der unteren Halterung (10) insbesondere so ausgeführt ist, dass diese für sich genommen eine geringe Relativbewegung in Richtung der Längsachse (t) des Einzeltanks als auch eine geringe Kippung der Längsachse (t) gegenüber einer Neutralstellung in alle Richtung zulässt.
Treibstofftank-Modul (20) nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Befestigungsvorrichtung (9, 9.1,9a,9b,9c) und der unteren Halterung (10) höchstens ¾ der Länge des Einzeltanks (1), insbesondere weniger als 60% der Länge des Einzeltanks (1) entspricht.
Befestigungsvorrichtung (9,9.1,9a,9b,9c) zur Befestigung eines Einzeltanks (1) mit einer Längsachse (t) in einem Treibstofftank-Modul (20) nach einem der vorherigen Ansprüche umfassend eines oder mehrere Spannbänder (11.1,11.2), die einen Einzeltank (1) halten und mit einer Tragstruktur (2,3) eines Treibstofftank-Moduls (20) verbinden können, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei elastische Verbindungselemente (14,14a,14b,15,15a,15b,16a,17a) aufweist, die das zumindest eine Spannband (11.1,11.2) und/oder ein mit dem Spannband verbundenes Teil (13,13a,13b,13c) mit der Tragstruktur (2,3) verbinden können, wobei die Verbindungselemente (14,14a,14b,15,15a,15b) so ausgeführt sind, dass sie in Richtung der Längsachse (t) elastisch und senkrecht zur Längsachse (t) steif sind, und somit eine Relativbewegung entlang der Längsachse (t) zwischen dem Spannband (11.1,11.2) und der Tragstruktur (2,3) zulassen.
Befestigungsvorrichtung (9,9.1,9a,9b,9c) nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 ausgeführt ist.
Gasbetriebenes Fahrzeug (30), insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend zumindest ein Treibstofftank-Modul (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.