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Ein Druckbehältersystem mit einer Druckbehälterbaugruppe für ein Kraftfahrzeug zur Speicherung von Brennstoff ist aus dem Stand der Technik bekannt. Es existiert ein Bestreben, die Brennstoffspeicher eines Kraftfahrzeugs in den Unterflurbereich unterhalb der Fahrgastzelle anzuordnen. Der Bauraum verlangt dafür neue Druckbehältersysteme, die anstatt weniger große Druckbehälter mehrere kleine Druckbehälter vorsehen. Ziel ist es dabei, möglichst viel Brennstoff in dem vorhandenen Bauraum unterzubringen, ohne dass sich dies merklich nachteilig auf die Kosten, das Gewicht oder sonstige Konstruktionsparameter auswirkt. Aus der auf die Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
DE 10 2021 106 038.9 ist ein solches Druckbehältersystem bekannt. In der Praxis besteht ein Bedürfnis, dass der Brennstoff in den einzelnen Druckbehältern nach der Betankung im Wesentlichen dieselbe oder ähnliche Brennstofftemperaturen aufweist.
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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, ein kostengünstiges, leichtes und/oder bauraumkonformes Speicherkonzept bereitzustellen, bei dem der Brennstoff in den einzelnen Druckbehältern nach der Betankung im Wesentlichen dieselbe oder ähnliche Temperaturen aufweist. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge). Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Das Druckbehältersystem 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. Das Druckbehältersystem ist mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln. Der Energiewandler kann beispielsweise eine Brennkraftmaschine oder ein Brennstoffzellensystem bzw. ein Brennstoffzellenstapel sein.
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Ein solches Druckbehältersystem umfasst i.d.R. mehrere Druckbehälter, bevorzugt composite overwrapped pressure vessels. Die Druckbehälter können beispielsweise 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 (z.B. mehr als 50 Kelvin oder mehr als 100 Kelvin) unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
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Das Kraftfahrzeug kann eine Mehrzahl an Druckbehälter umfassen. Bevorzugt kann eine Druckbehälterbaugruppe (auch „Container Assembly“ genannt) die Druckbehälter sowie permanent mit den Druckbehältern verbundene Trag-, Befestigungs- und/oder Schutzelemente aufweisen (z.B. Schutzschilder, Abschirmungen, Sperrschichten, Abdeckungen, Beschichtungen, Umwicklungen, etc.). Die Trag-, Befestigungs- und/oder Schutzelemente können zweckmäßig nur temporär und bevorzugt nur von Fachpersonal und/oder nicht zerstörungsfrei demontierbar sein. Eine solche Druckbehälterbaugruppe eignet sich besonders für flache Einbauräume, insbesondere im Unterflurbereich unterhalb des Fahrzeuginnenraums. Bevorzugt umfasst eine Druckbehälterbaugruppe mehr als 3 oder mehr als 5 oder mehr als 7 oder mehr als 10 Druckbehälter. Die Druckbehälter können in der Einbaulage im Kraftfahrzeug in Fahrzeugquerrichtung oder in Fahrzeuglängsrichtung orientiert sein.
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Die Druckbehälter 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 mit einem Wert zwischen 5 und 200, bevorzugt zwischen 7 und 100, und besonders bevorzugt zwischen 9 und 50 aufweisen. Das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis ist der Quotient aus der Gesamtlänge der einzelnen Druckbehälter (z.B. 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.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Brennstoffleitung für ein Druckbehältersystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere für das hier offenbarte Druckbehältersystem. Die Brennstoffleitung umfasst eine Wandung. Die Wandung ist eingerichtet, die gesamten mechanischen Belastungen zu kompensieren, die aus dem in der Brennstoffleitung herrschenden Innendruck resultieren. Im Inneren der Wandung ist vorteilhaft eine thermische Isolation vorgesehen.
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Zweckmäßig dient die Brennstoffleitung zumindest zur Betankung des Druckbehältersystems, insbesondere zur Befüllung des mindestens einen Druckbehälters. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Brennstoffleitung oder zumindest das Innere der Wandung im Wesentlichen gerade ausgebildet. Das Innere der Wandung dient also insbesondere zur Bereitstellung des Brennstoffkanals, durch den während der Betankung und ggfls. auch während der Entnahme der Brennstoff strömt.
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Die Wandung der Brennstoffleitung ist regelmäßig aus Metall hergestellt, bevorzugt aus Stahl, Edelstahl oder Aluminium oder einer deren Legierungen. Im Betrieb herrscht im Inneren der Brennstoffleitung ein Innendruck, der um ein Vielfaches höher ist als der Atmosphärendruck. Dieser Druckunterschied verursacht in der Wand der Brennstoffleitung mechanische Belastungen, z.B. mechanische Spannungen, die durch die Wandung der Brennstoffleitung kompensiert werden. Die Wandung kann hierzu noch verstärkt sein. I.d.R. ist die Wandung aus Metall hergestellt und weist eine ausreichende Dicke auf. Bevorzugt ist die Wandung eingerichtet, Innendrücke standzuhalten, die um den Faktor 2,0 oder den Faktor 2,5 oder den Faktor 3,0 höher sind als der nominale Betriebsdruck. Die hierin offenbarte thermische Isolation ist indes nicht eingerichtet, die mechanischen Belastungen zu kompensieren. Bevorzugt ist die Wandung eingerichtet, mindestens 90% der mechanischen Belastungen zu kompensieren, wohingegen die thermische Isolation weniger als 10 % der mechanischen Belastungen kompensieren kann. I.d.R. ist die Wandung eine äußere Wandung, die die Brennstoffleitung gegenüber der Atmosphäre abgrenzt, z.B. in Form einer Leitung oder eines massiven Blocks.
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Die Wandung kann zweckmäßig durch einen metallischen Block ausgebildet sein, in dem mindestens ein Brennstoffkanal eingebracht ist, beispielsweise durch Bohren. Bevorzugt ist der Block aus einem Leichtmetall, bevorzugt aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Zweckmäßig ist der Durchmesser des Brennstoffkanals, also die Innenquerschnittsfläche bzw. das Innere der Wandung, so gewählt, dass der Brennstoffkanal in einem Bearbeitungsvorgang, insbesondere spanabhebend und bevorzugt durch Bohren, herstellbar ist.
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Die hierin offenbarte thermische Isolation ist i.d.R. eingerichtet, den Wärmeübergang zwischen dem Brennstoff und der Wandung zu reduzieren. Somit kann sichergestellt werden, dass sich der Brennstoff während der Betankung auf dem Weg in den Druckbehälter weniger erwärmt. Zweckmäßig verringert die Isolation den Wärmeübergang zwischen dem Brennstoff und der Atmosphäre (oder den Wärmestrom zwischen Brennstoff und Wandung) um mindestens 10% oder mindestens 15%. Zweckmäßig bildet ein Kunststoffmaterial die Isolation aus, bevorzugt wird PTFE eingesetzt. Kunststoffmaterialien haben den Vorteil, dass sie vergleichsweise gute Wärmeisolatoren sind und zudem sich die Montage vereinfacht. Ferner sinkt die Gefahr, dass bei der Montage Späne entstehen. Ebenso ist vorstellbar, dass ein Metallmaterial die Isolation, insbesondere das hier offenbarte Rohr, ausbildet. Die Isolation umgibt in einer bevorzugten Ausgestaltung den Hauptströmungskanal, durch den der Großteil oder der gesamte Brennstoff strömt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die Isolation im Wesentlichen über die gesamte Länge der Brennstoffleitung. Vorteilhaft kann somit in fast allen Querschnitten der Brennstoffleitung der Wärmeübergang verringert werden, so dass sich die Brennstofftemperatur in den verschiedenen Druckbehältern des Druckbehältersystems weniger stark unterscheidet.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung bildet mindestens ein Rohr die thermische Isolation mit aus. Das Rohr kann jede geeignete Querschnittsgeometrie und Wandstärke aufweisen. Die Wandstärke der Isolation und insbesondere des Rohrs kann mindestens um den Faktor 2 oder um den Faktor 5 oder um den Faktor 10 geringer sein als die Wandstärke der Wandung. Das Rohr kann eine Wandstärke
von 0,1 mm bis 3 mm oder
von 0,2 mm bis 2 mm oder
von 0,2 mm bis 1 mm oder
von ca. 0,2 mm oder ca. 0,5 mm oder ca. 0,8 mm aufweisen. Zweckmäßig ist das Rohr als ein im Vergleich zur Wandung dünnwandiges Rohr ausgebildet. Das Rohr ist bevorzugt als ein in das Innere der Wandung einschiebbares Rohr ausgebildet. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess.
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Bevorzugt kann zumindest bereichsweise zwischen der Wandung und dem Rohr mindestens ein Spalt zur thermischen Isolation vorgesehen sein. In einer Ausgestaltung ist der Spalt als Ringspalt ausgebildet, der das Rohr vollständig umgibt. Der Spalt beabstandet zumindest bereichsweise das Rohr von der Innenwand der Wandung. Somit verschlechtert sich merklich der Wärmeübergang zwischen dem Rohr und der Wandung, insbesondere wenn sich in dem Spalt im Wesentlichen stehender Brennstoff (i.d.R: Wasserstoff) befindet. Zweckmäßig weist der Spalt eine Spaltbreite zwischen 0,05 mm und 10 mm oder
zwischen 0,1 mm und 8 mm oder
zwischen 0,15 mm und 5 mm oder
zwischen 0,20 mm und 2 mm oder
ca. 0,1 mm oder ca. 0,5 mm oder ca. 1,0 mm auf.
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Zweckmäßig beträgt das Verhältnis vom Innenquerschnitt des Rohrs im Zähler und der Querschnittfläche des Spaltes im Nenner mindestens 1,5 oder mindestens 2,0 oder mindestens 5 oder mindestens 10 oder mindestens 15 oder mindestens 27.
Zweckmäßig kann das Rohr zumindest bereichsweise derart brennstoffdurchlässig sein, dass sich der Druck in dem Spalt und der Druck in dem Innenbereich des Rohrs zumindest angleichen.
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In einer Ausgestaltung beträgt in einigen oder allen Querschnitten der Brennstoffleitung die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Spalt verglichen zum Druck im Innenbereich des Rohrs desselben Querschnitts der Brennstoffleitung zumindest während der Betankung und bevorzugt auch während der Entnahme weniger als 20% oder weniger als 10% oder weniger als 5% des Drucks im Innenbereichs des Rohrs. Bevorzugt ist die maximale Druckdifferenz zwischen dem Druck im Spalt verglichen zum Druck im Innenbereich des Rohrs desselben Querschnitts der Brennstoffleitung zumindest während der Betankung und bevorzugt auch während der Entnahme in einigen oder allen Querschnitten der Brennstoffleitung kleiner als 2,0 bar oder kleiner als 1,0 bar oder kleiner als 0,5 bar. Aufgrund von Strömungswiderständen in der Brennstoffleitung nimmt der Druck in der Brennstoffleitung in Strömungsrichtung kontinuierlich ab. Daher beziehen sich die vorgenannten Druckdifferenzen zwischen Spalt und Innenbereich jeweils auf Querschnitte, die denselben Druckverlust ausgesetzt sind, da sie gleich weit von der Brennstoffquelle entfernt sind.
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Vorteilhaft ist die sich zumindest während der Betankung einstellende Druckdifferenz zwischen dem Druck im Spalt verglichen zum Druck im Innenbereichs des Rohrs so gering, dass sich das Rohr nicht oder nur so geringfügig ausdehnt, dass das Rohr außerhalb der Anlagebereiche nicht die Wandung berührt. Somit verschlechtert sich nicht der Wärmeübergang zur Wandung hin. Die Brennstoffdurchlässigkeit kann durch mindestens einen Durchgang bzw. mindestens eine Öffnung realisiert sein, durch die der Brennstoff in den Spalt einströmen kann. Auch andere Ausgestaltungen sind vorstellbar.
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In einer Ausgestaltung sind im Rohr Löcher für den Durchtritt des Brennstoffs zwischen den Spalt(en) und dem Innenbereich des Rohrs vorgesehen. Vorteilhaft kann die Gesamtfläche aller Löcher in der Rohrwand (für den Druckausgleich zwischen Rohrinnerem und dem Spalt) zwischen 5% und 40% oder zwischen 10% und 30% oder zwischen 15% und 25% der Gesamtfläche der Innenwand des Rohrs ausmachen.
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Die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs im mindestens einen Spalt kann während der Betankung mindestens um den Faktor 10 oder um den Faktor 100 oder um den Faktor 1000 kleiner sein als im Inneren des Rohrs. In einer bevorzugten Ausgestaltung kommt der Brennstoff während der Betankung im Wesentlichen zum Stehen.
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Das Rohr kann mindestens einen Anlagebereich aufweisen, in dem das Rohr an der Wandung anliegt. In den anderen Bereichen außer dem Anlagebereich kann das Rohr durch den mindestens einen Spalt von der Wandung beabstandet sein. Vorteilhaft verringern sich so die Bereiche, in denen von der Wandung direkt mittels Wärmeleitung Wärmeenergie auf den Brennstoff übertragen werden kann. Gleichzeitig kann das Rohr einfach innerhalb der Wandung angeordnet und zentriert werden. In einer Ausgestaltung weist hierzu das Rohr aufgeweitete Bereiche auf, deren Querschnitte größere Außendimensionen aufweisen als andere Querschnitte des Rohrs. Falls das Rohr eine kreisrunde Querschnittsgeometrie aufweist, kann das Rohr im Anlagebereich einen größeren Außendurchmesser aufweisen als in anderen Bereichen des Rohrs, in dem kein Anlagebereich vorgesehen ist. In einer anderen Ausgestaltung weist das Rohr konstante Außenabmaße auf und die Wandung ist zur Ausbildung der Anlagebereiche bereichsweise verengt.
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Das Rohr kann mindestens eine Abzweigung aufweisen, die jeweils mit einem Leistenanschluss zum Anschließen eines Druckbehälters fluidverbunden ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Abzweigung einen Ringspalt, über den der Brennstoff in den Leistenanschluss gelangen kann. Bevorzugt kann benachbart zur Abzweigung mindestens ein Anlagebereich vorgesehen sein. Der Ringspalt kann beispielsweise durch mindestens einen Anlagebereich von dem mindestens einem Spalt zur thermischen Isolation abgetrennt sein. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind in den Anlagebereichen die Öffnungen vorgesehen, durch die der Brennstoff in den mindestens einen Spalt zur thermischen Isolation gelangt. Eine solche Ausgestaltung ist einfacher und kostengünstiger zu fertigen und besonders funktionssicher.
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Die Isolation kann alternativ oder zusätzlich durch eine auf der Innenseite der Wandung aufgebrachte Isolationsbeschichtung ausgebildet werden.
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Besonders bevorzugt verbindet die Brennstoffleitung als gemeinsame Brennstoffleitung mehrere Druckbehälter. Die Brennstoffleitung kann insbesondere stromauf vom (Hochdruck-)Druckminderer vorgesehen sein. Die Brennstoffleitung ist zweckmäßig ausgebildet, im Wesentlichen denselben oder höheren Drücken standzuhalten wie die Druckbehälter, die an der Brennstoffleiste angeschlossen sind. Die einzelnen Druckbehälter der Druckbehälterbaugruppe sind über die Brennstoffleitung bzw. der Brennstoffleiste unmittelbar miteinander fluidverbunden, so dass die einzelnen Druckbehälter nach dem Prinzip kommunizierender Röhren im Wesentlichen im bestimmungsgemäßen Zustand denselben Druck aufweisen.
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Die Brennstoffleitung kann bevorzugt als Brennstoffleiste ausgebildet sein. Die Brennstoffleiste kann auch als Hochdruckbrennstoffleiste bezeichnet werden. Grundsätzlich kann eine solche Brennstoffleiste ähnlich ausgestaltet sein wie eine Hochdruckeinspritzleiste einer Brennkraftmaschine. Bevorzugt bildet ein einziges, einstückiges Rohr bzw. ein einziger einstückiger Block oder ein einziges Gehäuse die Brennstoffleiste aus. Zweckmäßig umfasst die Brennstoffleiste mehrere Leistenanschlüsse zum direkten Anschluss der Druckbehälter. Vorteilhaft sind die einzelnen Leistenanschlüsse direkt am Leistengehäuse bzw. Block bzw. Rohr vorgesehen und/oder weisen alle denselben Abstand untereinander auf. Eine solche Brennstoffleiste ist beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen mit den Anmeldenummern
DE 10 2020 128 607.4 und
DE 10 2020 123 037.0 offenbart, deren Inhalt hinsichtlich der Ausgestaltung der Brennstoffleiste (auch als Verteilerrohr oder Rail bezeichnet) und der Anbindung der Druckbehälter hiermit per Verweis hier mit aufgenommen wird. Alternativ kann die Brennstoffleiste als Metallblock ausgebildet sein, wie es beispielsweise in der Druckschrift
DE 602017034685 D1 offenbart ist.
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Die Brennstoffleiste kann im Wesentlichen biegesteif ausgebildet sein. Biegesteif bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Brennstoffleiste gegen Verbiegen steif ist bzw. dass im funktionsgemäßen Gebrauch der Brennstoffleiste nur eine für die Funktion unmerkliche und unbeachtliche Verbiegung sich einstellt. In einer alternativen Ausgestaltung kann die Brennstoffleiste derart ausgebildet sein, dass die Brennstoffleiste Lageänderungen der Druckbehälter, und insbesondere von deren Anschlussstücken, kompensieren kann. Lageänderungen sind Abweichungen zwischen einer Istlage der Druckbehälter (im Betrieb, während der Herstellung, während eines Serviceeinsatzes oder sonstigen Situation) und einer bei der Konstruktion angenommenen Solllage. Lageänderungen resultieren beispielsweise durch die Ausdehnung der Bauteile (z.B. der Druckbehälter) aufgrund von Innendruckänderungen und/oder Temperaturänderungen. Ferner können aufgrund von Fertigungstoleranzen Lageänderungen (Lageabweichungen) auftreten. Die Brennstoffleiste kann eingerichtet sein, einen Toleranzausgleich senkrecht zu den Druckbehälterlängsachsen des Druckbehältersystems zu ermöglichen. Vorteilhaft ist die Brennstoffleitung bzw. die Brennstoffleiste und i.d.R. auch das nachstehend beschriebene Absperrventil Bestandteil der Druckbehälterbaugruppe.
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An oder unmittelbar benachbart zu jedem Ende der Brennstoffleitung kann jeweils mindestens eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung vorgesehen sein. Benachbart zum Ende umfasst dabei die Anordnung der TPRDs in einem Abstand von maximal 0,1 x L, wobei L die Gesamtlänge der Brennstoffleiste ist. Eine thermisch aktivierbare Druckentlastungseinrichtung, auch Thermal Pressure Relief Device (= TPRD) oder Thermosicherung genannt, ist i.d.R. benachbart zum Druckbehälter vorgesehen. Bei Hitzeeinwirkung (z.B. durch Flammen) wird durch das TPRD der im Druckbehälter gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen. Die Druckentlastungseinrichtung lässt den Brennstoff ab, sobald die Auslösetemperatur des TPRDs überschritten wird (=wird thermisch aktiviert).
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An der Druckbehälterbaugruppe bzw. an der Brennstoffleitung kann ein elektrisch betätigbares und stromlos geschlossenes Absperrventil vorgesehen sein, das eingerichtet ist, die Druckbehälterbaugruppe bzw. die Brennstoffleiste gegenüber den übrigen brennstoffführenden Leitungen der zum Energiewandler führenden Brennstoffversorgungsanlage abzusperren. Dieses Absperrventil besitzt die Funktion eines On-Tank-Valves eines herkömmlichen Druckbehälters. Zweckmäßig ist lediglich ein stromlos geschlossenes Absperrventil vorgesehen. Das Absperrventil kann beispielsweise unmittelbar an die Druckbehälterbaugruppe an- bzw. einschraubbar sein. Das (gemeinsame) Absperrventil ist das erste Ventil, das stromab eines jeden der an der gemeinsamen Brennstoffleitung angeschlossenen Druckbehälter vorgesehen ist.
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Vorteilhaft sind die Druckbehälter in der Einbaulage im Wesentlichen zwischen den Türschwellern angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann das Unterbodenchassis an den Seiten energieabsorbierende Crash-Deformationsstrukturen, bevorzugt mit Fachwerkstrukturen, umfassen, die eingerichtet sind, die an die Druckbehälterbaugruppe übertragene Impaktenergie im Fall einer Kollision zumindest zu reduzieren.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie insbesondere eine Rail für ein Druckbehältersystem. Die Rail kann bevorzugt aus Metall ausgebildet sein, meistens aus Aluminium. Sie kann eine relativ hohe Wärmekapazität und relativ gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Zweckmäßig ist sie zur Betankung mit vorgekühltem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, ausgebildet. Ein Aspekt der hier offenbarten Technologie besteht darin, den Wasserstoff-Betankungsmassenstrom von der Rail thermisch zu isolieren. Das könnte man z.B. durch eine Kunststoff-Innenbeschichtung des langen Kanals in der Rail erreichen. Zweckmäßig kann vorgesehen sein, als Isolation ein im Vergleich zur Kanalwand dünnwandiges Rohr in einen Kanal einzuschieben. Das Rohr kann in einigen Bereichen aufgeweitet sein. Mit diesen Aufweitungen kann es innerhalb des Kanals fixiert werden. An jedem Abzweig zu einem Druckbehälter können mehrere Querbohrungen vorgesehen sein.
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Zweckmäßig ist der Querschnitt, insbesondere Bohrungsdurchmesser, des Kanals größer als der brennstoffdurchströmte Querschnitt. Zweckmäßig beträgt der Innendurchmesser des Kanals bzw. der Bohrung ca. 3 mm bis 10 mm. Die Länge des Kanals beträgt bevorzugt ca.
- - 50 * D bis 300 *D oder
- - 100 * D bis 200 * D,
wobei D der Bohrdurchmesser des Kanals ist. Solche Durchmesser lassen sich besonders wirtschaftlich herstellen. Zweckmäßig wird der Brennstoffkanal durch Bohrungen vorgesehen, die von zwei gegenüberliegenden Stirnseiten aus in einen Block eingebracht werden. Um nicht zu hohe Druckverluste zu erzeugen, können Brennstoffleitungen mit einem Innendurchmesser von mindestens 3 mm verwendet werden.
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Vorteilhaft wird der Kanal durch Bohren vorgesehen. Besonders vorteilhaft beträgt die Bohrtiefe max. 1,7m oder max. 0,9m oder max. 0,8m oder max. 0,7m oder max. 0,6m. Zweckmäßig ist die Bohrtiefe 2 cm bis 20 cm oder 5cm bis 10cm geringer als die Gesamtlänge des Blocks.
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Der Spalt zur Kanalwand könnte 2mm oder weniger oder 1mm oder weniger betragen. Zweckmäßig kann der Kanaldurchmesser so gewählt sein, dass der Kanal für die Brennstoffleiste von nur einer Seite herstellbar ist. Wobei die Brennstoffleiste eine Länge
zwischen 0,6 m und 2,4 m oder
zwischen 1,0 m und 2,0 m oder
zwischen 1,2 m und 1,8 m aufweist.
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Wenn die Betankung läuft, strömt nahezu der komplette Massenstrom durch das dünnwandige Rohr. Im Spalt zwischen dünnwandigem Rohr und Kanal befindet sich stehender Wasserstoff. Wasserstoff hat einen relativ niedrigen Wärmeleitwert und isoliert daher gut. Bei 200bar und 15°C beträgt er 0,2W/m/K. An jedem Abzweig zu einem Tank strömt der Wasserstoff durch die Querbohrungen des dünnwandigen Rohrs in den Ringspalt. Von dort strömt er in den Abzweig zum Tank. In der 2 ist ein 8-Tank-System gezeichnet. In diesem Fall würde 1/8 des Betankungsmassenstroms in den ersten Tank strömen und 7/8 strömen im dünnwandigen Rohr weiter zu den nachfolgenden Tanks. Aufgrund des relativ gut isolierten dünnwandigen Rohrs wird der strömende Wasserstoff weniger durch die Rail aufgewärmt. Das heißt, die Rail kühlt in der relativ kurzen Betankungszeit von wenigen Minuten nicht ganz durch. Auch der Wärmetauscher-Effekt der Rail kommt deutlich weniger zum Tragen. Die Wandstärke des dünnwandigen Rohrs kann relativ klein sein beziehungsweise kann ein Werkstoff mit relativ kleiner Festigkeit verwendet werden, denn es wirkt innen und außen fast der gleiche Druck. Der maximale Druckunterschied zwischen innen und außen wird so groß wie der Druckverlust des strömenden Gases zwischen zwei Tank-Abzweigen. Er beträgt in der Regel wenige bar.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht des Druckbehältersystems,
- 2 eine schematische Ansicht der Brennstoffleitung 200 und mehreren Druckbehälter 100,
- 3a, 3b Querschnittsansichten entlang der Linie A-A der 2, und
- 4 eine schematische Ansicht des Details G der 2.
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Die 1 zeigt eine schematische Ansicht des Druckbehältersystems der hier offenbarten Technologie. Der Tankstutzen 420 ist über eine Brennstoffleitung mit einer Verteilereinheit 410 fluidverbunden. In der Verteilereinheit 410 kann ein Rückschlagventil vorgesehen sein, das eingerichtet ist, ein Rückströmen zum Tankstutzen 420 hin zu unterbinden. Die Verteilereinheit 410 ist fluidverbunden mit einem On-Tank-Valve 310 des weiteren Druckbehälters 300, der beispielsweise unterhalb der Rücksitzbank angeordnet sein kann. Ein solcher weiterer Druckbehälter 300 muss aber nicht vorgesehen sein. In dem On-Tank-Valve 310 kann zweckmäßig ein Absperrventil, ein Temperatursensor, eine Rohrbruchsicherung und/oder ein Filter vorgesehen sein (hier teilweise nicht gezeigt). In einer weiteren Ausgestaltung kann am gegenüberliegenden Ende des weiteren Druckbehälters 300 ebenfalls ein TPRD vorgesehen sein.
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Eine Brennstoffleitung 406 verbindet die Verteilereinheit 410 mit einer Druckminderungseinheit 430, in der hier eine Rohrbruchsicherung 432, mindestens ein Drucksensor, mindestens ein Temperatursenor, ein mechanisches Sicherheitsventil 436 sowie ein Druckminderer 434 vorgesehen sein kann. Stromab vom Druckminderer 434 ist hier ferner eine Serviceschnittstelle 438 vorgesehen, die zum Ablassen von Brennstoff vorgesehen ist.
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Die Brennstoffleitung 402 verbindet die Verteilereinheit 410 mit dem Absperrventil 210. Das Absperrventil 210 (vgl. 2) ist ein elektrisch betätigbares Absperrventil, das eingerichtet ist, die Fluidverbindung der Druckbehälterbaugruppe 10 vom restlichen Kraftstoffversorgungssystem abzutrennen. Die Brennstoffleitung 200 ist hier als Brennstoffleiste ausgebildet. Sie ist in bzw. an der Druckbehälterbaugruppe 10 vorgesehen. Die Brennstoffleiste ist eine Leitung, von der Leistenanschlüsse für die Befestigung der einzelnen Druckbehälter 100 abgehen (vgl 2). Die Brennstoffleitung 200 kann als derart mechanisch steife Brennstoffleiste ausgeführt sein, dass auch bei Intrusion während eines Unfalls die Brennstoffleiste nicht aufbricht. Alternativ kann eine vergleichsweise flexible Brennstoffleitung vorgesehen sein, die in ein Leitungsgehäuse aufgenommen ist. Das Leitungsgehäuse dient dazu, die Brennstoffleitung 200 zusätzlich vor mechanischer Intrusion zu schützen. Die einzelnen Druckbehälter 100 der Druckbehälterbaugruppe 10 sind im Wesentlichen parallel zueinander und gleich beabstandet voneinander angeordnet. Diese Druckbehälter 100 weisen hier im Wesentlichen dieselbe Länge auf. Je nach Bauraum, in den die Druckbehälterbaugruppe 10 eingebaut werden soll, können einzelne Druckbehälter 100 der Druckbehälterbaugruppe 10 unterschiedlich lang sein und/oder einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Bevorzugt sind zwischen den einzelnen Druckbehältern 100 und der Brennstoffleitung 200 keine weiteren elektrisch betätigbare Absperrventile vorgesehen, so dass im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Druckbehältersystems die einzelnen Druckbehälter 100 der Druckbehälterbaugruppe 10 untereinander direkt fluidverbunden sind, so wie kommunizierende Röhren. Das Bezugszeichen L bezeichnet hier die Gesamtlänge der Brennstoffleitung 200.
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Die Enden der Druckbehälter 100, die mit der Brennstoffleitung 200 verbunden sind, sind die proximalen Enden der Druckbehälter 100. Die Enden der Druckbehälter 100, die an der gegenüberliegenden Seite vorgesehen sind, sind die mit Bezug auf die Brennstoffleitung 120 distalen Enden der Druckbehälter 100.
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Vorteilhaft sind an den distalen Enden der beiden äußeren Druckbehälter 100 - also diejenigen Druckbehälter 100, die in der Draufsicht nicht an jeder Seite einen weiteren Druckbehälter 100 aufweisen - jeweils ein TPRD und vorteilhaft auch jeweils ein Temperatursensor vorgesehen. In dem Gehäuse bzw. Block des Absperrventils 210 ist ebenfalls ein TPRD vorgesehen. Ferner ist am bzw. benachbart zum Ende der Brennstoffleitung ein TPRD vorgesehen, das dem Absperrventil 210 gegenüberliegt. Vorteilhaft sind die TPRDs, die Sensoren und die Ventile, sofern lokal an denselben Stellen der Druckbehälter 100 bzw. der Brennstoffleiste 200 angeordnet, in gemeinsamen Gehäusen bzw. Blöcken vorgesehen, so dass vorteilhaft die Anzahl an abzudichtenden Schnittstellen verringert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Druckbehälterbaugruppe 10 lediglich einen Temperatursensor aufweist. Der lediglich eine Temperatursensor kann bevorzugt im bzw. am bzw. benachbart zum Gehäuse des Absperrventils 210 vorgesehen sein. In einer alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Sensor an bzw. benachbart zu dem Ende der Brennleitung vorgesehen ist, dass dem Ende vom Absperrventil 210 gegenüber liegt. Dies hat den Vorteil, dass die Fertigungskosten sich verringern. Ferner können somit die Schnittstellen für die an den distalen Enden der Druckbehälter vorgesehenen TPRDs kleiner ausfallen, da diese nur die TPRDs und nicht noch zusätzlich einen Temperatursensor aufweisen. Insgesamt wirkt sich dies vorteilhaft auf die Bauraumausnutzung aus. Auch müssen keine elektrischen Leitungen zu den distalen Enden der Druckbehälter geführt werden. Zweckmäßig ist der Temperatursensor derart integriert, dass der Temperatursensor eingerichtet ist, sowohl die Temperatur während der Betankung als auch bei der Entnahme zu erfassen. Sofern lediglich eine Druckbehälterbaugruppe ohne weiteren Druckbehälter (z.B. ein Rücksitztank) vorgesehen ist, könnte auch der Drucksensor aus der Druckminderungseinheit in das Gehäuse des Absperrventils überführt werden. Vorteilhaft ist der Drucksensor derart vorgesehen, dass er zwischen der Brennstoffleitung 200 und dem Absperrventil 210 vorgesehen ist. Somit kann eine Druckmessung auch bei geschlossenem Absperrventil 210 durchgeführt werden.
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Vorteilhaft ist die Brennstoffleiste, und insbesondere die in der Brennstoffleiste angeordnete Wandung und die thermische Isolation, im Wesentlichen gerade ausgebildet.
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Die 2 zeigt die Brennstoffleitung 200 und das Absperrventil 210, das eingerichtet ist, die Druckbehälterbaugruppe 10 vom restlichen Kraftstoffversorgungssystem abzutrennen. Im Gehäuse des Absperrventils 210 kann beispielsweise zusätzlich eine Rohrbruchsicherung, ein Manual Valve und/oder ein TPRD vorgesehen sein. Mit dem Absperrventil 210 fluidverbunden ist die Brennstoffleitung 200, die hier wiederum als Brennstoffleiste ausgebildet ist. Die Brennstoffleitung 200 verläuft im Wesentlichen gerade. Im Inneren der Brennstoffleitung 200 ist eine Bohrung vorgesehen. Diese kann von einer der Stirnseiten aus eingebracht worden sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass von beiden Stirnseiten der gegenüberliegenden Enden der Brennstoffleitung 200 jeweils eine Bohrung vorgesehen ist, die sich in der Mitte treffen. Die mindestens eine Bohrung bildet die Innenwand der Wandung 202 der Brennstoffleitung 200 aus. Die Brennstoffleitung 200 wird hier von einem Aluminiumblock ausgebildet. Dies muss aber nicht so sein. Im Inneren der Wandung 202 ist die thermische Isolation 204 vorgesehen. Die thermische Isolation 204 wird hier von einem Rohr mit ausgebildet. Das Rohr ist zweckmäßig ein Kunststoffrohr, das bevorzugt konzentrisch in der Wandung 202 vorgesehen ist. Wie genauer in 4 zu sehen ist, gehen Abzweigungen 206 von der Isolation 204 ab, die eine Fluidverbindung zu den einzelnen Druckbehältern 100 herstellen. Zwischen dem Rohr und der Wandung 202 sind zumindest abschnittsweise mehrere Spalte 203 vorgesehen.
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Die 3a zeigt eine Schnittansicht A-A der Ausgestaltung der 2. Es ist gut zu sehen, dass die hier vom Rohr mit ausgebildete Isolation 204 beabstandet zur Wandung 202 ausgebildet ist. Die Wandung 202 wird hier von einem Metallblock ausgebildet, in dem ein Brennstoffkanal eingebracht wurde. Zwischen dem Rohr und der Wandung 202 ist ein Spalt 203 ausgebildet. Der Spalt 203 umgibt hier vollständig das Rohr. Es fällt auf, dass bei im Vergleich zur Ausgestaltung der 3b ein annähernd gleicher Strömungsquerschnitt für den Brennstofftransport während der Betankung ausgebildet wird, wohingegen die in dem Metallblock eingebrachte Bohrung einen viel größeren Querschnitt aufweist. Eine Bohrung mit einem solchen Durchmesser lässt sich einfacher herstellen als die Bohrung, die in der Ausgestaltung gemäß der 3b vorgesehen ist. Dies erleichtert die Herstellung der Brennstoffleitung 200.
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Die 3b zeigt eine Schnittansicht A-A einer alternativen Ausgestaltung, bei der die Isolation 204 durch Beschichten aufgebracht wurde. Fast der gesamte Innenquerschnitt der Wandung 202 steht hier für den Transport des Brennstoffs während der Betankung zur Verfügung.
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Die 4 zeigt eine schematische Ansicht des Details G der 2. Der Leistenanschluss 207 dient zum Anschließen eines Druckbehälters 100 (nicht gezeigt). Der mechanische Anschluss wurde hier vereinfachend weggelassen. Er könnte auf jeder geeigneten Art und Weise realisiert werden. Der Leistenanschluss 207 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Brennstoffleitung 200. Im Inneren der im Metallblock vorgesehenen Bohrung ist hier das die Isolation 204 mit ausbildende Rohr wiederum konzentrisch vorgesehen. Im Bereich des Leistenanschlusses 207 ist hier die Abzweigung 206 vorgesehen. Die Abzweigung 206 umfasst hier mehrere Durchtrittsöffnungen 209, durch die der Brennstoff in den Ringspalt 205 gelangt. Unmittelbar benachbart zur Abzweigung sind hier zwei Anlagebereiche 201 vorgesehen. In den Anlagebereichen 201 liegt das Rohr an der Innenoberfläche der Wandung 202 an. Die Anlagebereiche 201 weisen im Vergleich zu den übrigen Bereichen, z.B. den Bereichen, in denen ein Spalt 203 vorgesehen ist, einen vergrößerten Außendurchmesser auf. Die Anlagebereiche 201 dienen zur Befestigung und Zentrierung der Isolation 204. Zwischen dem Rohr und der Wandung 202 sind hier jeweils benachbart zu den Analgebereichen 201 jeweils ein Spalt 203 gezeigt. Der Spalt 203 enthält ebenfalls Brennstoff. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in den Anlagebereichen 201 Überlaufkanäle vorgesehen sind, die einzelnen Spalte 203 mit dem inneren Strömungsquerschnitt des Rohrs verbinden. Die Überlaufkanäle können beispielsweise durch Rillen in den Umfangsflächen der Anlagebereiche 201 ausgebildet werden. Zweckmäßig sind die Fluidverbindungen zu jedem Spalt 203 so gestaltet, dass diese Spalte 203 keine stark durchströmten Kanäle ausbilden. Dies kann dadurch verhindert werden, dass lediglich an einem Ende eines Spaltes Öffnungen bzw. Überlaufkanäle vorgesehen sind. Bevorzugt bilden also die Spalte 203 Totvolumina mit stehendem Brennstoff aus. Eine solche Ausgestaltung führt dazu, dass jeder Spalt 203 nur vergleichsweise schlecht die Wärme von der Atmosphäre auf den Brennstoff überträgt. Während der Betankung ist die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs im Inneren des Rohrs der Isolation 204 um ein Vielfaches höher als die Strömungsgeschwindigkeit im Spalt 203. Somit kann insgesamt ein schlechterer Wärmeübergang vom Brennstoff zur Umgebung realisiert werden, so dass im mit Bezug zum Absperrventil 210 distalen Druckbehälter 100 weniger erwärmter Brennstoff einströmt. Somit kann insgesamt eine gleichmäßigere Brennstofftemperatur in den Druckbehältern 100 erzielt werden.
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Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen parallel angeordnete Druckbehälter“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „parallel angeordnete Druckbehälter“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung von parallel angeordnete Druckbehälter“).
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021106038 [0001]
- DE 102020128607 [0023]
- DE 102020123037 [0023]
- DE 602017034685 D1 [0023]
