DE102020208552A1

DE102020208552A1 - Vorrichtung zur Verbindung eines gasführenden Leitungselements und Verfahren zur Verbindung eines gasführenden Leitungselements

Info

Publication number: DE102020208552A1
Application number: DE102020208552.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Andreas
Original assignee: Argo GmbH
Current assignee: Argo GmbH
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2022-01-13
Also published as: EP4179243A1; CN113915355A; JP2023533049A; WO2022008583A1; BR112023000316A2; KR20230035096A; AU2021303465A1; US20230265950A1; CN215891163U

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung 100 zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements 1, insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück 2, insbesondere einem Bauteil, umfassend: mindestens einen Verschraubungskörper 10, der dazu eingerichtet ist, mit dem Gegenstück 2 dicht, insbesondere gasdicht, in Eingriff gebracht zu werden, eine erste Dichtung 3, die in Form eines Ventilkörpers 3a ausgebildet ist, der dazu eingerichtet ist, mit einem an dem Gegenstück 2 vorgesehenen Ventilsitz 4 in Kontakt gebracht zu werden, insbesondere gasdicht in Kontakt gebracht zu werden oder in Form einer Flachdichtung ausgebildet ist, und eine zweite Dichtung 5, die auf einem Dichtungswirkprinzip arbeitet, das unabhängig von einer axialen Verschiebung, insbesondere in einer Einbaurichtung E, die zur Herstellung der Dichtwirkung der ersten Dichtung 3 notwendig ist, seine dichtende Wirkung ausübt bzw. entfaltet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbindung eines gasführenden Leitungselements, insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück, insbesondere mit einem Bauteil. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements, insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements mit einem Gegenstück, insbesondere mit einem Bauteil.
Stand der Technik
Vorrichtungen zur Verbindung eines gasführenden Leitungselements, insbesondere einer Fluidleitung für verdichteten Wasserstoff, mit einem Bauteil, beispielsweise mit einem Bauteil in welches das Gas eingeführt werden soll, wie beispielsweise ein Intankventil (im Englischen „On-Tank-Valve (OTV)“), eine Gas-Handhabungsvorrichtung (GHU), einen Gasdruckspeicher, oder andere gasführende Komponenten, oder auch mit einem Bauteil, welches als Kupplungselement eines anderen Leitungselements ausgebildet ist, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Da die Abdichtung bei Gasen eine entscheidende Rolle spielt, werden typischerweise Dichtelemente eingesetzt. Dies gilt insbesondere auch bei Hochdruckanwendungen, wie beispielsweise bei Leitungselementen für komprimierte Erdgase oder für komprimierten Wasserstoff. Insbesondere bei der Abdichtung von Wasserstoff sind entsprechende Dichtelemente, welche dem Wasserstoff einen hohen Diffusionswiderstand entgegenbringen, von entscheidender Bedeutung.
So beschreibt beispielsweise die DE 195 11 063 A1 eine Rohrverbindung mit einem Verbindungskörper mit einer Kegelbohrung, einer Mutter mit einer Kegelfläche, wobei an einem Rohr ein Verbindungsabschnitt angeformt ist. Der Verbindungsabschnitt weist im Wege einer Stauchung hergestellte Spannflächen auf, die eine Orientierung besitzen, wie die zugehörige Kegelbohrung bzw. Kegelfläche. Bei der Herstellung des Verbindungsabschnitts ist das Rohr einer Verformung mit einem bestimmten Stauchweg unterworfen worden, wodurch gewährleistet werden soll, dass bei der Montage bzw. wiederholten Montage kein Setzen und damit ein Undichtwerden der Verbindung eintritt.
Ferner sind Verbindungsvorrichtungen bzw. Passstücke vom Ringzwingentyp (im Englischen „ferrule type“) hinlänglich bekannt und beinhalten üblicherweise eine Gewindekopplungsmutter, einen Gewindekopplungskörper und eine oder mehrere Ringzwingen, die innerhalb der Kopplungsmutter eingepasst sind. Der Kopplungskörper beinhaltet üblicherweise eine Anlaufoberfläche, die mit einer Anlaufoberfläche an einer Ringzwinge in Eingriff steht bzw. gebracht werden kann. Eine zylindrische Leitung, so beispielsweise ein Rohrende, wird in den Kopplungskörper eingeschoben, wobei die Ringzwingen die äußere Wand des Leitungsendes dicht bzw. eng umgeben. Ist die Kopplungsmutter an dem Gewindeende des Kopplungskörpers installiert, so wird eine axiale Kraft auf die Ringzwinge oder Ringzwingen ausgeübt, was bewirkt, dass die Anlaufoberflächen jeder Ringzwinge und der Körper in Eingriff sind, sodass eine Stauchwirkung entsteht, wodurch eine radiale Verschiebung von Abschnitten der Ringzwingen die äußere Wand des Leitungsendes dicht fassen. Bei vielen Anwendungen kann das Passstück mittels Verwendung von einfachen Handwerkzeugen, so beispielsweise von Schraubenschlüsseln, zusammengebaut werden.
Um derartige Verschraubungen beispielsweise im Bereich der Luftfahrt einsetzen zu können, wo hohe Anforderungen an Belastbarkeit wie Temperatur- und Belastungswechsel sowie Dichtheit bestehen, wird im Stand der Technik häufig noch ein sogenannter Kitt eingesetzt, der nach dem Auftragen auf und in die Schraubverbindung eine gewisse Aushärtungszeit benötigt, bevor weitergehende Arbeiten an dieser Stelle vorgenommen werden können. Ferner, treten an dieser Verschraubung Leckagen auf, ist ein Entfernen der Schraubverbindung und eine aufwändige Nachbesserung nebst damit verbundener erneuter Aushärtungszeit des Kitts notwendig. Die Anwendung an einem Flügelkasten eines Flugzeugs beispielsweise ist durch den geringen zur Verfügung stehenden Raum, durch die Enge des Zugangs und der sehr hohen Anzahl an Schraubverbindungen zeitintensiv.
Des Weiteren sind derartige Verschraubungen nur schwer zu protokollieren, was insbesondere im Gebiet des Explosionsschutzes (ATEX), im Fahrzeugbau, hier insbesondere im Flugzeugbau, äußerst wichtig ist. Entsprechend werden gemäß dem Stand der Technik Verfahren und Vorrichtungen zum Beurteilen von Eigenschaften von Komponenten derartiger mechanisch angebrachter Verbindungen vorgeschlagen. Eigenschaften, die beurteilt werden können, beinhalten unter anderem die Position einer Leitungsfassungsvorrichtung an einer Leitung, einen Betrag einer axialen Zusammendrückung oder Versetzung der Leitungsfassungsvorrichtung und einen Betrag einer Klemmkraft, die auf die Leitungsfassungsvorrichtung ausgeübt wird, wenn die Leitungsfassungsvorrichtung axial zusammengedrückt oder versetzt wird.
Derartige Verfahren sind äußerst zeitaufwendig und können nur von geschultem Personal durchgeführt werden. Auch unter strengen Vorkehrungen sind derartige Verfahren jedoch stark vom jeweiligen Prüfpersonal abhängig und können trotzdem durch Material- und Montagefehler zu falschen Prüfergebnissen führen.
Aufgrund der Wechselbeanspruchung (Temperatur- und Spannungswechsel) kann es insbesondere im bei der Fahrzeugtechnik, hier insbesondere im Bereich des Flugzeugbaus, zu Leckagen kommen. Dies kann bei der hohen Anzahl von Verschraubungen und der oben genannten Nachteile herkömmlicher Verschraubungen zu einem hohen Wartungs- und Montageaufwand führen.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Verbindungstechniken für gasführende Leitungselemente stellt die Tatsache dar, dass sowohl die Dichtelemente als auch die Verschraubungselemente, die genutzt werden um die Dichtwirkung herzustellen, mit dem abzudichtenden Medium, insbesondere dem Gas, in direkten Kontakt kommen. Dies ist bei herkömmlichen Gasen wie Erdgasen nicht dramatisch, kann jedoch bei Verbindungen die für Fluidleitungen für Wasserstoff zum Einsatz kommen, eine große Gefahrenquelle sein. Da viele Materialien, insbesondere Metalle, bei Kontakt mit Wasserstoff zu der sogenannten „Wasserstoffversprödung“ neigen, kann dies insbesondere in Kombination mit einer wechselnden Beanspruchung (Temperatur- und Spannungswechsel) sowie Vibrationen oft zu Leckagen bei bekannten Verbindungstechniken führen. Da Wasserstoff das leichteste aller chemischen Elemente darstellt, sind dauerhaft dichte Verbindungsstellen nur schwer realisierbar.
Darstellung der Erfindung
Vor dem Hintergrund der oben beschriebenen Probleme bei der Verbindung von gasführenden Leitungselementen, insbesondere wasserstoffführenden Leitungselementen, liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements mit einem Gegenstück bereitzustellen, die in der Lage sind, einerseits eine definierte Abdichtungssituation zu schaffen, die protokolliert und damit zertifiziert werden kann und andererseits den oben beschriebenen Problemen wie Wasserstoffversprödung, Auftreten von Leckagen verursacht durch Temperatur- und Spannungswechsel sowie Vibrationen, Rechnung zu tragen und gleichzeitig einen vereinfachten Aufbau und damit reduzierte Montage- und Wartungsarbeiten ermöglicht.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements, insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück, insbesondere einem Bauteil, nach Anspruch 1 sowie einem Verfahren zur Verbindung eines gasführenden Leitungselements, insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück, insbesondere mit einem Bauteil nach Anspruch 16.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, wobei die Gegenstände der Befüllvorrichtung sowie der Tankstelle im Rahmen des Verfahrens zur Befüllung mindestens eines Speicherbehälters mit verdichtetem Wasserstoff zum Einsatz kommen kann und umgekehrt.
Hierbei ist einer der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements, welches bevorzugt zur Leitung von Wasserstoff gedacht ist, zu schaffen, welche zwei Dichtungen aufweist, die in einer Ausströmrichtung eines leakenden bzw. durchsickernden bzw. leckenden Gases hintereinander oder seriell angeordnet sind und auf zwei unterschiedlichen Dichtungswirkprinzipien arbeiten. Hierbei arbeitet eine erste Dichtung der beiden Dichtungen, welche bevorzugt in Ausströmungsrichtung als erstes angeordnet ist, d.h. vor einer zweiten Dichtung der beiden Dichtungen angeordnet ist, bevorzugt als eine Dichtung ausgebildet, welche durch eine Presskraft abgedichtet wird. Die zweite Dichtung hingegen arbeitet auf einem Dichtungswirkprinzip, das unabhängig von einer axialen Verschiebung, insbesondere in einer Einbaurichtung E, die zur Herstellung der Dichtwirkung der ersten Dichtung (Presskraft) notwendig ist, seine dichtende Wirkung ausübt bzw. entfaltet.
Auf diese Weise kann eine Abdichtung einer Vorrichtung zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements mit einem Gegenstück bereitgestellt werden, die einerseits eine Dichtung, nämlich die erste Dichtung, aufweist, welche durch vorbestimmte Parameter, die einfach gemessen und protokoliert werden können, protokoliert und zertifiziert werden kann. Das vorsehen der zweiten Dichtung erhöht zusätzlich die Dichtwirkung und schafft insbesondere die Möglichkeit, dass selbst in dem unglücklichen Fall, dass die erste Dichtung undicht wird, d.h. Gas durch die erste Dichtung entweicht, die zweite Dichtung die Verbindungsstelle noch gasdicht abdichtet und somit Zeit verschafft, die erste Dichtung zu reparieren, bevor das Gas tatsächlich durch die Verbindungsstelle nach außen entweicht. Dies ist insbesondere auf dem Gebiet des Explosionsschutzes äußerst vorteilhaft.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements, insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück, insbesondere einem Bauteil, auf: mindestens einen Verschraubungskörper, der dazu eingerichtet ist, mit dem Gegenstück dicht, insbesondere gasdicht in Eingriff gebracht zu werden, eine erste Dichtung, die in Form eines Ventilkörpers ausgebildet ist, der dazu eingerichtet ist, mit einem an dem Gegenstück vorgesehenen Ventilsitz in Kontakt gebracht zu werden, insbesondere gasdicht in Kontakt gebracht zu werden oder in Form einer Flachdichtung ausgebildet ist, und eine zweite Dichtung, die auf einem Dichtungswirkprinzip arbeitet, das unabhängig von einer axialen Verschiebung, insbesondere in einer Einbaurichtung, die zur Herstellung der Dichtwirkung der ersten Dichtung notwendig ist, seine dichtende Wirkung ausübt bzw. entfaltet.
Die vorliegende Vorrichtung betrifft eine sogenannte „mechanisch angebrachte Verbindung“, wie beispielsweise Anschlussstücke, Fügestücke, Kopplungen, Zusammensetzstücke, Ventil-Ein- und Ausgänge, Ventilanschlüsse, und dergleichen mehr, die in Fluidsystemen oder Fluidkreisen, wie beispielsweise Wasserstoffversorgungssystemen in Fahrzeugen, verwendet werden, die eine Fluidströmung und einen Fluiddruck enthalten. Derartig mechanisch angebrachte Verbindungen können, jedoch nicht hierauf beschränkt, mit Leitungsanschlussstücken für ein Rohr, eine Röhre, oder eine beliebige andere Art von Leitung verwendet werden und verbinden ein Leitungsende mit einem beliebigen anderen Leitungsende oder einem anderen Abschnitt, Element oder einer Komponente eines Fluidsystems, wie ein Ventilgehäuse. Derartige mechanisch angebrachte Verbindungen zeichnen sich durch eine fluiddichte (gasdichte) Abdichtung sowie mechanische Festigkeit aus, um die Verbindung zusammenzuhalten, einschließlich einer ausreichenden Fassung der Leitung bei Vibrationen, Beanspruchung und Druck.
Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die erste Dichtung als eine sogenannte metallische Dichtung oder Schmiegungsdichtung ausgebildet ist, und/oder die zweite Dichtung als eine Radialdichtung, eine elastische Dichtung, ein O-Ring, ein Delta-Ring, eine Flüssigdichtung, und dergleichen ausgebildet ist, und/oder die zweite Dichtung 5 in einer Ausströmrichtung eines durch die erste Dichtung leakenden bzw. durchsickernden bzw. leckenden Gases, das von dem gasführenden Leitungselement ausströmt, nach der ersten Dichtung angeordnet ist.
Unter einer metallischen Dichtung versteht man, dass zwei aus einem Metall hergestellte Elemente unter Krafteinfluss gegeneinandergepresst werden, so dass eine fluiddichte Verbindung zwischen den beiden Elementen hergestellt wird. Hierbei wird in der Regel eine ringförmige Kontaktfläche zwischen den beiden Elementen hergestellt, innerhalb welcher das anzudichtende Medium bzw. Gas hindurchströmen kann.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Ventilkörper eine zumindest teilweise konusförmige Form, gerundete Form, sphärische Form, kugelförmige Form aufweist, und/oder der in dem Gegenstück vorgesehene Ventilsitz eine sich verjüngende Form, insbesondere kegelförmige Form, aufweist.
Ferner ist es bevorzugt, dass die erste Dichtung an einer Stirnseite des Verschraubungskörpers ausgebildet ist, insbesondere an einer Stirnseite des Verschraubungskörpers, die in eine zu dem Verschraubungskörper komplementär ausgebildete Ausnehmung des Gegenstücks (im zusammengebauten bzw. gasdicht verbundenen Zustand) eintaucht, und/oder die zweite Dichtung an einer Umfangsfläche des bevorzug zylinderförmig ausgebildeten Verschraubungskörpers, die bevorzugt einer Innenwand der in dem Gegenstück ausgebildeten Ausnehmung im eingebauten Zustand zugewandt ist, vorgesehen oder ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist sind der Ventilkörper und der Ventilsitz derart ausgebildet sind, dass eine ringförmige Kontaktfläche ausgebildet wird, wobei eine Mittelachse des Ventilsitzes und eine Mittelachse des Ventilkörpers parallel zueinander, insbesondere koaxial zueinander, angeordnet sind und der Ventilkörper parallel zu den beiden Mittelachsen, insbesondere in Einbaurichtung, verschiebbar ist.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Vorrichtung ferner zumindest einen Fluidkanal aufweist, der ein offenes Ende aufweist, das zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung vorgesehen ist und dazu eingerichtet ist, ein durch die erste Dichtung leakendes bzw. durchsickerndes bzw. leckendes Gas, das von dem gasführenden Leitungselement ausströmt, zu erfassen.
Hierbei ist unter „erfassen“ zu verstehen, dass der Fluidkanal es dem leckenden Gas ermöglicht, durch den Fluidkanal aufgenommen und durch diesen zu strömen. Auf diese Weise kann das leckende Gas einem nachgeschalteten Gassensor zugeführt werden und dieser dadurch das leckende Gas erfassen bzw. detektieren und das Vorhandensein einer Leckage signalisieren.
Ferner ist es bevorzugt, dass der zumindest eine Fluidkanal in dem Verschraubungskörper und/oder in dem Gegenstück ausgebildet ist. Wird hierbei der Fluidkanal in dem Verschraubungskörper ausgebildet, kann eine autarke Einheit mit Leckagedetektion ausgebildet werden, wodurch jedoch die Kosten der einzelnen Vorrichtung (Verbindungsvorrichtung) ansteigen, was dennoch in bestimmten Einsatzfällen vorteilhaft sein kann. Andererseits, wenn der Fluidkanal, auch Schnüfflerkanal, in dem Gegenstück, insbesondere in einem Bauteil wie beispielsweise einer Gas-Handhabungsvorrichtung (GHU) integriert ist, können mehrere Dichtungsstellen bzw. Verbindungsstellen zu einer Sensorkammer kanalisiert werden, wodurch durch nur einen Sensor mehrere Dichtungsstellen überwacht werden können.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn die Vorrichtung, insbesondere der Verschraubungskörper, dazu eingerichtet ist, bei der gasdichten Verbindungsherstellung zwischen Verschraubungskörper und Gegenstück eine rein translatorische Bewegung, insbesondere in Richtung der Einbaurichtung, durchzuführen. Mit anderen Worten ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass während des Verbindens, insbesondere dem mittels zwei zueinander seriell angeordneten Dichtungen gasdichten Verbindens, des gasführenden Leitungselements mit dem Gegenstück, keine relative Drehbewegung des Verschraubungskörpers zu dem Gegenstück erfolgt bzw. notwendig ist. Dies erleichtert insbesondere bei langen und mit mehreren Abwinklungen versehenen Leitungselementen die Montage. Dies stellt einen großen Vorteil gegenüber bekannten Verschraubungen dar, die in den meisten Fällen über ein Außengewinde in ein Gegenstück eingeschraubt werden.
Hierbei kann in vorteilhafterweise der Verschraubungskörper mit zumindest zwei, bevorzugt vier, Durchgangsbohrungen für die Aufnahme von Befestigungsschrauben versehen sein, wobei die Durchgangsbohrungen bevorzugt an einem Flanschansatz des Verschraubungskörpers vorgesehen sind, und die Durchgangsbohrungen in einer Ausströmrichtung eines durch die erste Dichtung leakenden bzw. leckenden Gases, das von dem gasführenden Leitungselement ausströmt, bevorzugt hinter den beiden Dichtungen angeordnet sind.
Des Weiteren kann die Vorrichtung eine dritte Dichtung, die als eine Radialdichtung, eine elastische Dichtung, ein O-Ring, ein Delta-Ring, ein elastomeres Dichtelement, eine Flüssigdichtung, und dergleichen ausgebildet ist, wobei die dritte Dichtung in einer Ausströmrichtung eines durch die erste Dichtung leakenden Gases, das von dem gasführenden Leitungselement ausströmt, nach der ersten Dichtung oder nach der zweiten Dichtung angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ferner einen zweiten Fluidkanal, der ein offenes Ende aufweist, das zwischen der zweiten Dichtung und der dritten Dichtung vorgesehen ist und dazu eingerichtet ist, ein durch die erste Dichtung und durch die zweite Dichtung leakendes Gas, das von dem gasführenden Leitungselement ausströmt, zu erfassen.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das gasführende Leitungselement durch eine Schweißverbindung mit dem Verschraubungskörper gasdicht verbunden ist. Auf diese Weise kann eine weitere mögliche Leckagestellen, nämlich die Verbindungsstelle zwischen Leitungselement und Verschraubungskörper vermieden werden und nach erfolgter Verschweißung ein Dichtheitstest durchgeführt werden, welcher ebenfalls protokolliert werden kann.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn im abgedichteten Zustand der Ventilkörper der ersten Dichtung gegen den in dem Gegenstück ausgebildeten Ventilsitz über eine Verschraubung, insbesondere zumindest zwei, bevorzugt vier, Spannschrauben, gepresst ist.
Auf diese Weise kann eine Vorrichtung oder Verschraubung realisiert werden, bei der mit vorgegebenem Anzugsmoment der Spannschrauben eine relativ exakte Anpressung des Ventilkörpers gegen den Ventilsitz realisiert werden kann, sodass über einen großen Temperaturbereich hinweg eine dichtende Anlage der entsprechenden Elemente sichergestellt werden kann, und über die angelegten Anzugsmomente eine Protokollierung und somit Zertifizierung möglich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ist der Ventilkörper, insbesondere der Verschraubungskörper, und/oder der Ventilsitz aus einem Metall, insbesondere einem Stahlwerkstoff, bevorzugt einem nicht rostenden Stahlwerkstoff, ausgebildet ist, wobei bevorzugt der Ventilsitz aus einem härteren Material hergestellt ist wie der Ventilkörper.
Wenn der Ventilsitz aus einem härteren Material wie der Ventilkörper hergestellt ist, kann sichergestellt werden, dass bei einer möglichen plastischen Verformung bei der Pressung des Ventilkörpers gegen bzw. in den Ventilsatz, der Ventilkörper sich plastisch verformt, welcher einfach ausgetauscht werden kann. Auf diese Weise kann der Ventilsitz des Gegenstücks, bei dem es sich gegebenenfalls um einen in einer aufwendigen Ventileinheit wie beispielsweise einer Gas-Handhabungsvorrichtung, vorgesehene Ventilsitz handelt, vor einer plastischen Verformung geschützt werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Fluidkanal, bevorzugt zumindest die beiden Fluidkanäle in eine gemeinsame Sensorkammer kanalisiert werden, in welcher ein Gassensor zur Detektion von Gas angeordnet ist. Auf diese Weise können beide Dichtungen anhand eines gemeinsamen Sensors und einer entsprechenden Leckageerfassungsvorrichtung überwacht werden.
Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass die beiden Fluidkanäle in separate Sensorkammern geleitet und dort jeweils möglicherweise austretendes Gas unabhängig voneinander erfasst werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verbindung eines gasführenden Leitungselements mit einem Gegenstück lässt sich also sehr einfach und kostengünstig realisieren und erlaubt in vorteilhafter Weise eine Protokollierung und Zertifizierung. Sie eignet sich daher insbesondere für die Abdichtung in Anlagen, in welchen Wasserstoff, insbesondere verdichteter Wasserstoff, oder komprimiertes Erdgas eingesetzt wird. Derartige Anlagen, welche besonders hohen Temperaturschwankungen, Spannungsschwankungen und Vibrationen ausgesetzt sind, finden sich insbesondere in Fahrzeugen, in denen beispielsweise Wasserstoff bei Drücken von bis zu 700 bar bzw. Erdgas bei typischerweise 260 bar als Brennstoff bzw. Kraftstoff zum Antreiben des Fahrzeugs beispielsweise über eine Brennstoffzelle, eingesetzt wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff „Fahrzeug“ oder „Verkehrsmittel“ oder andere ähnliche Begriffe wie Kraftfahrzeuge im Allgemeinen, wie Passagierautomobile umfassend Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge umfassend verschiedene Boote und Schiffe, Flugzeuge, Flugdrohnen und dergleichen, Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, Wasserstoff-Fahrzeuge und andere alternative Fahrzeuge. Wie hier angeführt, ein Hybridfahrzeug ist ein Fahrzeug mit zwei oder mehreren Energieträgern, zum Beispiel benzinbetriebene und gleichzeitig elektrisch betriebene Fahrzeuge.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verbindung eines gasführenden Leitungselements, insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück, insbesondere mit einem Bauteil, bevorzugt unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung, aufweisend: Einsetzen eines Verschraubungskörpers in eine komplementär ausgebildete Ausnehmung des Gegenstücks, Festschrauben des Verschraubungskörpers mittels einer Verschraubung an dem Gegenstück, wobei: eine erste Dichtung, insbesondere durch Pressen eines Ventilkörpers der ersten Dichtung gegen einen in dem Gegenstück, insbesondere in der Ausnehmung, vorgesehenen Ventilsitz, in einen abgedichteten Zustand gebracht wird, und eine zweite Dichtung, die auf einem Dichtungswirkprinzip arbeitet, das unabhängig von einer axialen Verschiebung, insbesondere in einer Einbaurichtung, die zur Herstellung der Dichtwirkung der ersten Dichtung notwendig ist, seine dichtende Wirkung ausübt, in einen abgedichteten Zustand, insbesondere zwischen dem Verschraubungskörper und der Ausnehmung, gebracht wird.
Ferner ist es bevorzugt, wenn das Verfahren einen Schritt zur Leckagedetektion aufweist, wobei zwischen der ersten Dichtung und der zweiten Dichtung ein offenes Ende eines Fluidkanals angeordnet ist und das andere Ende des Fluidkanals in einer Sensorkammer mündet, in welcher ein Gassensor angeordnet ist, liegt nun eine Leckage an der ersten Dichtung vor, strömt das leckende Gas, welches aus dem ersten Leitungselement ausströmt oder leckt, in den Fluidkanal und durch diesen in die Sensorkammer, wobei der Gassensor das in die Sensorkammer einströmende Gas, insbesondere den Wasserstoff, erfasst und damit eine Leckage der ersten Dichtung erfasst und signalisiert.
Hierbei wird unter „signalisiert“ verstanden, dass der Gassensor zu einer Steuerung, insbesondere einer Fahrzeugsteuerung, ein Signal sendet um dieser mitzuteilen, dass ein leckendes Gas detektiert wurde und entsprechend eine Leckage der überwachten Dichtung bzw. Verschraubung vorliegt. Dies kann dann beispielsweise über die Steuerung einer Anzeige mitgeteilt werden, welche ein entsprechendes Warnsignal aufleuchten lässt bzw. anzeigt.
Wie oben bereits angedeutet, kann die Vorrichtung zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements, insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück, insbesondere einem Bauteil, für das beschriebene Verfahren zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements mit einem Gegenstück verwendet werden. Daher können die weiteren Merkmale, die im Zusammenhang mit der obigen Beschreibung der Vorrichtung offenbart wurden, auch auf das Verfahren angewendet werden. Dasselbe gilt umgekehrt für das Verfahren.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile einer Vorrichtung, einer Verwendung und/oder eines Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Von diesen Figuren zeigt:

1 schematisch eine bekannte Vorrichtung zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements mit einem Gegenstück, und
2 vereinfacht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements mit einem Gegenstück.

Beschreibung von Ausführungsformen
Gleiche Bezugszeichen, die in verschiedenen Figuren aufgeführt sind, benennen identische, einander entsprechende, oder funktionell ähnliche Elemente.
1 zeig schematisch eine bekannte Vorrichtung 200 zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements 201 mit einem Gegenstück (nicht dargestellt). Bei der in 1 dargestellten Verbindungsvorrichtung handelt es sich um eine vom Ringzwingentyp (im Englischen „ferrule type“). Wie dargestellt umfassen derartige Verbindungsvorrichtungen 200 eine Gewindekopplungsmutter 202, einen Gewindekopplungskörper 203 und eine oder mehrere Ringzwingen 204, 205, die innerhalb der Kopplungsmutter 202 eingepasst sind. Der Kopplungskörper 203 beinhaltet üblicherweise eine Anlaufoberfläche 206, die mit einer Anlaufoberfläche an einer Ringzwinge in Eingriff steht bzw. gebracht werden kann. Eine zylindrische Leitung, so beispielsweise ein Rohrende des gasführenden Leitungselements 201, wird in den Kopplungskörper 203 eingeschoben, wobei die Ringzwingen 204, 205 die äußere Wand des Leitungsendes dicht bzw. eng umgeben. Ist die Kopplungsmutter 202 an dem Gewindeende des Kopplungskörpers installiert, so wird eine axiale Kraft auf die Ringzwingen 204, 205 ausgeübt, was bewirkt, dass die Anlaufoberflächen jeder Ringzwinge und der Körper in Eingriff sind, sodass eine Stauchwirkung entsteht, wodurch eine radiale Verschiebung von Abschnitten der Ringzwingen 204, 205 die äußere Wand des Leitungsendes 201 dicht fassen. Bei vielen Anwendungen kann das Passstück mittels Verwendung von einfachen Handwerkzeugen, so beispielsweise von Schraubenschlüsseln, zusammengebaut werden.
2 zeigt vereinfacht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements 1 mit einem Gegenstück 2, bei dem es sich bei der dargestellten Ausführungsform um einen Teil eines Ventilblocks, wie beispielsweise eine Gas-Handhabungsvorrichtung, handelt. Wie der 2 entnommen werden kann, besteht die gezeigte Vorrichtung 100 aus einem zylinderförmigen Verschraubungskörper 10, der sich entlang einer Einbaurichtung E länglich erstreckt. In der dargestellten Ausführungsform, ist an einer dem Gegenstück 2 abgewandten Stirnfläche des Verschraubungskörpers 10 das zu verbindende Leitungselement 1 angeschweißt, wie dargestellt, ist die Schweißnaht 9 etwas größer ausgebildet, um sicherzustellen, dass die Schweißnaht gasdicht ist.
Des Weiteren weist der Verschraubungskörper 10 an der dem Gegenstück 2 abgewandten Stirnseite einen Flanschansatz 10c auf, welcher mit vier in Umfangsrichtung radial beabstandeten, insbesondere in einem Winkel von 90° zueinander beabstandeten, Durchgangsbohrungen versehen ist. Wie der 2 ebenfalls zu entnehmen ist, weist das Gegenstück 2 vier komplementär angeordnete Gewindebohrungen auf, womit der Verschraubungsköper 10 über vier Spannschrauben definiert gegen das Gegenstück 2 geschraubt und an diesem befestigt werden kann.
Auf der anderen Stirnseite, d.h. der dem Gegenstück 2 zugewandten Stirnseite, des Verschraubungskörpers 10 ist ein Ventilkörper 3a, welcher einen Teil oder Bereich des Verschraubungskörpers 10 bildet, ausgebildet. In der hier dargestellten Ausführungsform ist der Ventilkörper 3a konusförmig ausgebildet.
Das Gegenstück 2 ist mit einer Ausnehmung 2a ausgebildet, welche eine zu der Zylinderform des Verschraubungskörpers 10 komplementäre Form, insbesondere Zylinderform, aufweist, und beim Einfügen bzw. Einsetzen des Verschraubungskörpers 10 mit diesem eine Spielpassung bildet. Am unteren bzw. innenliegenden Ende der Ausnehmung 2a ist ein Ventilsitz 4 ausgebildet, welcher zu dem Ventilkörper 3a komplementär konusförmig ausgebildet ist, wobei die genaue Kontur, Winkel und dergleichen der beiden Elemente 3a, 4 von dem jeweiligen Einsatzfall, insbesondere dem vorliegenden Arbeitsdruck, den Materialien der beiden Elemente und dergleichen abhängen. Der Ventilkörper 3a könnte auch bogen oder kugelförmig ausgebildet sein. Entscheidend ist, dass zwischen den beiden Elementen eine ringförmige Kontaktfläche ausgebildet wird. Wie der 2 ferner entnommen werden kann, weist der Verschraubungskörper 10 zwei an der zylinderförmigen Umfangsfläche 10a vorgesehene ringförmig umlaufende Nuten auf, in welchen jeweils ein O-Ring als zweite und dritte Dichtung 3, 5, insbesondere elastische Dichtung, eingesetzt sind, und gasdicht an einer zylinderförmigen Innenwand der Ausnehmung 2a des Gegenstücks 2 anliegen.
Wird nun der Verschraubungskörper 10 in die Ausnehmung 2a eingesetzt und mittels der Spannschrauben an dem Gegenstück 2 befestigt, wird der Ventilkörper 3a gegen den Ventilsitz 4 gedrückt, wodurch ein gasdichter Verschluss bzw. eine gasdichte Dichtung (erste Dichtung) zischen dem Ventilkörper 3a und dem Ventilsitz 4 ausgebildet wird, auch genannt metallische Dichtung. Anhand der zweiten und dritten Dichtung werden zwei zusätzliche (sogenannte Sicherheitsdichtungen) vorgesehen, welche nur zum Einsatz kommen, sollte die erste Dichtung 3 eine Leckage bilden. Mit anderen Worten, die zweite und dritte Dichtung 5, 8 müssen nur abdichten, falls die erste Dichtung undicht wird. Entsprechend sind die zweite Dichtung 5 und die dritte Dichtung 8 in einer Ausströmrichtung A eines durch die erste Dichtung 3 leckenden Gases hinter der ersten Dichtung angeordnet. Mit anderen Worten sind die zweite und dritte Dichtung 5, 8 entgegen der Einbaurichtung E axial beanstandet von der ersten Dichtung 3 angeordnet.
Des Weiteren zeigt die 2 zwei Fluidkanäle 7a, 7b, welche jeweils ein offenes Ende haben, wobei das offene Ende des ersten Fluidkanals 7a zwischen der ersten und zweiten Dichtung 3, 5 angeordnet ist und das offene Ende des zweiten Fluidkanals 7b zwischen der zweiten und der dritten Dichtung 3, 5 angeordnet sind. Die beiden offenen Enden der Fluidkanäle 7a, 7b liegen jeweils an der Innenfläche der Ausnehmung 2a des Gegenstücks 2. Die beiden Fluidkanäle 7a, 7b können jeweils zu einer separaten Sensorkammer 11, in denen jeweils ein Gassensor 12 angeordnet ist, führen (nicht dargestellt). Auf diese Weise kann unabhängig voneinander festgestellt werden, ob lediglich die erste Dichtung 3 (Fluidkanal 7a) undicht ist, oder ob die erste und die zweite Dichtung 3, 5 (Fluidkanal 7b) undicht sind. In der dargestellten Ausführungsform sind jedoch beide Fluidkanäle 7a, 7b in eine gemeinsame Sensorkammer 11 geführt, weshalb lediglich ein Gassensor vorgesehen werden muss, um eine Leckage der beiden Dichtungen 3, 5 erfassen zu können. Dies stellt eine günstigere Variante dar.
Abschließend zeigt die 2 noch, dass optional der Verschraubungskörper 10 ebenfalls mit einem Fluidkanal 7c ausgestattet sein kann. In diesem Fall ist das offene Ende des Fluidkanals 7c zwischen der zweiten und der dritten Dichtung 5, 8 angeordnet, somit kann einer Leckage erst festgestellt werden, wenn die beiden Dichtungen (erste und zweite Dichtung 3, 5) undicht sind (Falls die beiden Fluidkanäle 7a, 7b nicht vorgesehen sein sollten).
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass einzelne, jeweils in verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale auch in einer einzigen Ausführungsform umgesetzt werden können, sofern sie nicht strukturell inkompatibel sind. Gleichermaßen können verschiedene Merkmale, die im Rahmen einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch in mehreren Ausführungsformen einzeln oder in jeder geeigneten Unterkombination vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

100: Vorrichtung (Verschraubung)
1: Leitungselement
2: Gegenstück
2a: Ausnehmung im Gegenstück
3: erste Dichtung
3a: Ventilkörper
4: Ventilsitz
5: zweite Dichtung
7a,7b,7c: Fluidkanal (Schnüffelkanal)
8: dritte Dichtung
9: Schweißverbindung
10: Verschraubungskörper
10a: Umfangsfläche
10b: Durchgangsbohrungen
10c: Flanschansatz
11: Sensorkammer
12: Gassensor
A: Ausströmrichtung des leakenden Gases
E: Einbaurichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19511063 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (100) zum Verbinden eines gasführenden Leitungselements (1), insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück (2), insbesondere einem Bauteil, umfassend: mindestens einen Verschraubungskörper (10), der dazu eingerichtet ist, mit dem Gegenstück (2) in Eingriff gebracht zu werden, eine erste Dichtung (3), die in Form eines Ventilkörpers (3a) ausgebildet ist, der dazu eingerichtet ist, mit einem an dem Gegenstück (2) vorgesehenen Ventilsitz (4) in Kontakt gebracht zu werden, insbesondere gasdicht in Kontakt gebracht zu werden oder in Form einer Flachdichtung ausgebildet ist, und eine zweite Dichtung (5), die auf einem Dichtungswirkprinzip arbeitet, das unabhängig von einer axialen Verschiebung, insbesondere in einer Einbaurichtung (E), die zur Herstellung der Dichtwirkung der ersten Dichtung (3) notwendig ist, seine dichtende Wirkung ausübt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der die erste Dichtung (3) als eine metallische Dichtung oder Schmiegungsdichtung ausgebildet ist, und/oder die zweite Dichtung (5) als eine Radialdichtung, eine elastische Dichtung, ein O-Ring, ein Delta-Ring, eine Flüssigdichtung, und dergleichen ausgebildet ist, und/oder die zweite Dichtung (5) in einer Ausströmrichtung (A) eines durch die erste Dichtung (3) leakenden Gases, das von dem gasführenden Leitungselement (1) ausströmt, nach der ersten Dichtung (3) angeordnet ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ventilkörper (3a) eine zumindest teilweise konusförmige Form, gerundete Form, sphärische Form, kugelförmige Form aufweist, und/oder der in dem Gegenstück (2) vorgesehene Ventilsitz (4) eine sich verjüngende Form, insbesondere kegelförmige Form, aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Dichtung (3) an einer Stirnseite des Verschraubungskörpers (10) ausgebildet ist und/oder die zweite Dichtung (5) an einer Umfangsfläche (10a) des bevorzug zylinderförmig ausgebildeten Verschraubungskörpers (10) vorgesehen oder ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Ventilkörper (3a) und der Ventilsitz (4) derart ausgebildet sind, dass eine ringförmige Kontaktfläche ausgebildet wird, wobei eine Mittelachse des Ventilsitzes (4) und eine Mittelachse des Ventilkörpers (3a) parallel zueinander, insbesondere koaxial zueinander, angeordnet sind und der Ventilkörper (3a) parallel zu den beiden Mittelachsen, insbesondere in Einbaurichtung (E), verschiebbar ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisen zumindest einen Fluidkanal (7a, 7b, 7c), der ein offenes Ende aufweist, das zwischen der ersten Dichtung (3) und der zweiten Dichtung (5) vorgesehen ist und dazu eingerichtet ist, ein durch die erste Dichtung (3) leakendes Gas, das von dem gasführenden Leitungselement (1) ausströmt, zu erfassen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei der zumindest eine Fluidkanal (7a, 7b, 7c) in dem Verschraubungskörper (10) und/oder in dem Gegenstück (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100), insbesondere der Verschraubungskörper (10), dazu eingerichtet ist, bei der gasdichten Verbindungsherstellung zwischen Verschraubungskörper (10) und Gegenstück (2) eine rein translatorische Bewegung, insbesondere in Richtung der Einbaurichtung (E) durchzuführen.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verschraubungskörper (10) mit zumindest zwei, bevorzugt vier, Durchgangsbohrungen (10b) für die Aufnahme von Befestigungsschrauben versehen ist, wobei die Durchgangsbohrungen (10b) bevorzugt an einem Flanschansatz (10c) des Verschraubungskörpers (10) vorgesehen sind, und die Durchgangsbohrungen (10) in einer Ausströmrichtung (A) eines durch die erste Dichtung (3) leakenden Gases, das von dem gasführenden Leitungselement (1) ausströmt, bevorzugt hinter den beiden Dichtungen (3, 5) angeordnet sind.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine dritte Dichtung (8), die als eine Radialdichtung, eine elastische Dichtung, ein O-Ring, ein Delta-Ring, eine Flüssigdichtung, und dergleichen ausgebildet ist, wobei die dritte Dichtung (8) in einer Ausströmrichtung eines durch die erste Dichtung (3) leakenden Gases, das von dem gasführenden Leitungselement (1) ausströmt, nach der ersten Dichtung (3) oder nach der zweiten Dichtung (5) angeordnet ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Anspruch 6 oder 7, ferner aufweisend einen zweiten Fluidkanal (7b), der ein offenes Ende aufweist, das zwischen der zweiten Dichtung (5) und der dritten Dichtung (5) vorgesehen ist und dazu eingerichtet ist, ein durch die erste Dichtung (3) und durch die zweite Dichtung (5) leakendes Gas, das von dem gasführenden Leitungselement (1) ausströmt, zu erfassen.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das gasführende Leitungselement (1) durch eine Schweißverbindung (9) mit dem Verschraubungskörper (10) gasdicht verbunden ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der im abgedichteten Zustand der Ventilkörper (3a) der ersten Dichtung (3) gegen den in dem Gegenstück (2) ausgebildeten Ventilsitz (4) über eine Verschraubung, insbesondere zumindest zwei, bevorzugt vier, Spannschrauben, gepresst ist.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Ventilkörper (3a), insbesondere der Verschraubungskörper (10), und/oder der Ventilsitz (4) aus einem Metall, insbesondere einem Stahlwerkstoff, bevorzugt einem nicht rostenden Stahlwerkstoff, ausgebildet ist, wobei bevorzugt der Ventilsitz (4) aus einem härteren Material hergestellt ist wie der Ventilkörper (3a).
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Anspruch 6, 7 und/oder 11, wobei der zumindest eine Fluidkanal (7a), bevorzugt zumindest die beiden Fluidkanäle (7a, 7b) in eine gemeinsame Sensorkammer (11) kanalisiert werden, in welcher ein Gassensor (12) zur Detektion von Gas angeordnet ist.
Verfahren zur Verbindung eines gasführenden Leitungselements (1), insbesondere eines wasserstoffführenden Leitungselements, mit einem Gegenstück (2), insbesondere mit einem Bauteil, bevorzugt unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: - Einsetzen eines Verschraubungskörpers (10) in eine komplementär ausgebildete Ausnehmung (2a) des Gegenstücks (2), - Festschrauben des Verschraubungskörpers (10) mittels einer Verschraubung an dem Gegenstück (2), wobei: eine erste Dichtung (3), insbesondere durch Pressen eines Ventilkörpers (3a) der ersten Dichtung (3) gegen einen in dem Gegenstück (2), insbesondere in der Ausnehmung (2a), vorgesehenen Ventilsitz (4), in einen abgedichteten Zustand gebracht wird, und eine zweite Dichtung (5), die auf einem Dichtungswirkprinzip arbeitet, das unabhängig von einer axialen Verschiebung, insbesondere in einer Einbaurichtung (E), die zur Herstellung der Dichtwirkung der ersten Dichtung (3) notwendig ist, seine dichtende Wirkung ausübt, in einen abgedichteten Zustand, insbesondere zwischen dem Verschraubungskörper (10) und der Ausnehmung (2a), gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt einer Leckagedetektion, wobei zwischen der ersten Dichtung (3) und der zweiten Dichtung (5) ein offenes Ende eines Fluidkanals (7a) angeordnet ist und das andere Ende des Fluidkanals (7a) in einer Sensorkammer (11) mündet, in welcher ein Gassensor (12) angeordnet ist, - liegt nun eine Leckage an der ersten Dichtung (3) vor, strömt das leckende Gas, welches aus dem ersten Leitungselement (1) ausströmt oder leckt, in den Fluidkanal (7a) und durch diesen in die Sensorkammer (11), wobei - der Gassensor (12) das in die Sensorkammer (11) einströmende Gas, insbesondere den Wasserstoff, erfasst und damit eine Leckage der ersten Dichtung (3) erfasst.