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Die Erfindung betrifft einen Drucktank für die Speicherung von Gas zur Montage in einem gasbetriebenen Fahrzeug, wobei der Drucktank eine rotationssymmetrische, langgestreckte Form hat, die im Mittelbereich zylinderförmig und an beiden Enden mit gewölbten Polkappen abgeschlossen ist. Der Drucktank weist eine Wandung, die einen Hohlraum zur Speicherung des Gases umschließt, sowie ein metallisches Anschlussstück, einen sogenannten Boss, an jeder der Polkappen auf, wobei die Wandung eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Kunststoff und einen innenliegenden Liner zur Abdichtung umfasst, und wobei der Drucktank eine Halterung zur Aufnahme der Gewichtskraft und zur Befestigung des Drucktanks an einem Fahrzeug umfasst.
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Gasbetriebene Fahrzeuge haben beispielsweise einen Gasmotor oder eine Brennstoffzelle mit Elektromotor als Antrieb. Um ausreichend Treibstoff speichern zu können, wird das Gas, das unter anderem Wasserstoff sein kann, unter hohem Druck im Tank gespeichert. Typisch für solche Drucktanks sind Drücke von über 200 bar, oftmals bis 600 bar und teilweise sogar bis 700 oder 800 bar. Das heißt dass der Drucktank nicht nur gasdicht unter diesem Druck sein muss, sondern auch dass er eine hohe mechanische Stabilität benötigt und sicher im Fahrzeug befestigt werden muss.
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Im Stand der Technik sind Drucktanks für gasbetriebene Fahrzeuge bekannt. Diese Drucktanks weisen eine Wandung auf, die zur Abdichtung einen innenliegenden Liner, beispielsweise aus Thermoplast, und zur Schaffung der mechanischen Stabilität eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Kunststoff umfasst. Bevorzugt ist die Verstärkungsschicht gewickelt und als CFK-Schicht ausgeführt. CFK steht für Kohlenfaserverstärkten Kunststoff. Solche Drucktanks werden als Typ IV bezeichnet.
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Der Boss hat eine Durchgangsbohrung und ein Anschlussgewinde. Bei zumindest einem der beiden Bosse ist eine Tankarmatur angeschlossen, die es ermöglicht, den Drucktank zu befüllen oder kontrolliert Gas zu entnehmen. Am anderen Boss ist die Durchgangsöffnung mit einem Verschluss abgedichtet oder es ist dort eine weitere Tankarmatur oder ein Sicherheitsventil vorgesehen.
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Aus dem Stand der Technik sind solche Drucktanks bekannt und auch diverse Möglichkeiten die Drucktanks am Fahrzeug zu befestigen. Beispielsweise beschreibt die
DE 202007015487 U1 Drucktanks, die mit zwei Spannbändern als Befestigungseinrichtung an einer Tragstruktur verspannt werden und über die Tragstruktur am Boden eines Fahrzeuges befestigt sind. In der
US 2012/0152215 A1 wird eine weitere Ausführung von Drucktanks für Nutzfahrzeuge gezeigt. Die Drucktanks sind horizontal liegend unter dem Fahrzeugboden befestigt. In dieser Ausführung sind die Drucktanks wiederum mit Befestigungsbändern, die den zylindrischen Teil umschließen, an einer Tragstruktur befestigt.
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Die im Stand der Technik bekannten Drucktanks und ihre Befestigungsvorrichtungen bieten bislang keine Flexibilität für die Anordnung der Drucktanks im Fahrzeug. Insbesondere bei Nutzfahrzeugen, die mehrere und größere Drucktanks für Treibstoff benötigen, um eine ausreichende Reichweite zu ermöglichen, und bei denen besonders auf eine platzsparende Anordnung zu achten ist, ist eine verbesserte und flexiblere Befestigung der Drucktanks vorteilhaft.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucktank mit verbesserten und flexibleren Befestigungsmöglichkeiten bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich der beanspruchte Drucktank dadurch aus, dass die Halterung auf der der Wandung des Drucktanks zugewandten Seite wannenförmig ausgebildet ist mit einer konkaven Krümmung in Längsrichtung L und einer konkaven Krümmung in Radialrichtung R, derart dass die Halterung den Drucktank im Bereich der Wandung der Polkappen umschließt, und dadurch, dass zwischen Halterung und Wandung des Drucktanks eine elastische Zwischenschicht vorhanden ist.
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Durch die wannenförmige Ausbildung der Halterung wird der Drucktank flächig abgestützt, so dass keine punktuelle oder linienförmige Überlastung der Wandung auftritt. Durch die Positionierung im Bereich der Polkappe wird die Stützkraft direkt in die steife Verstärkungsschicht der Wandung eingebracht und so auf den gesamten Drucktank übertragen. Die empfindliche Übergangsstelle zwischen Boss und Wandung, die besonders wegen der dauerhaften Dichtigkeit geschützt werden muss, wird durch die Befestigungsvorrichtung nicht extra belastet. Zusätzlich kann die Halterung Kräfte in Längsrichtung L und in Radialrichtung R aufnehmen. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dabei durch die gleichzeitige Verwendung einer elastischen Zwischenschicht zwischen Halterung und Wandung. Somit werden Stöße und Schwingungen zwischen Fahrzeug und Drucktank gedämpft. Und die Halterung kompensiert damit auch eine gewisse Ausdehnung des Drucktanks in Längsrichtung L oder in Radialrichtung R, wenn sich dieser aufgrund von Druck- oder Temperaturänderungen verformt.
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In Kombination mit einer weiteren Halterung kann der erfindungsgemäß ausgeführte Drucktank unter beliebiger Lage am Fahrzeug sicher befestigt werden, insbesondere auch stehend also im Wesentlichen senkrecht. Das bietet große Flexibilität bei der Einplanung der Drucktanks im Fahrzeug, so dass der vorhandene Bauraum gut ausgenutzt und diverse andere Aspekte wie Sicherheit oder Zugänglichkeit gut berücksichtigt werden können.
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Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass der Drucktank keinen weiteren Polkappenschutz benötigt, da die wannenförmige Halterung bereits die Polkappe und den Boss schützt.
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Unter elastisch wird in diesem Zusammenhang eine Materialeigenschaft verstanden, die derart ausgebildet ist, dass sich die Zwischenschicht bei den zwischen Drucktank und Halterung auftretenden Kräften elastisch verformen lässt.
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Bevorzugt ist die Zwischenschicht durchgängig flächig ausgebildet. Alternativ kann diese aus mehreren flächig ausgebildeten Streifen oder Bereichen bestehen.
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Die Krümmung in Radialrichtung R ist die entlang des radialen Umfangs, die Krümmung in Längsrichtung L ist die Krümmung senkrecht zur radialen Krümmung. Dadurch ergibt sich eine Schale, die ähnlich oder gleich zur dreidimensionalen Krümmung der Polkappe ausgebildet ist.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn eine weitere Halterung vorhanden ist, welche auf der der Wandung des Drucktanks zugewandten Seite wannenförmig ausgebildet ist mit einer konkaven Krümmung in Längsrichtung L und einer konkaven Krümmung in Radialrichtung R, derart dass die weitere Halterung den Drucktank im Bereich der Wandung der zweiten Polkappe umschließt, und zwischen der weiteren Halterung und der Wandung des Drucktanks eine weitere elastische Zwischenschicht vorhanden ist.
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So wird der Drucktank auf beiden Seiten durch je eine solche, erfindungsgemäß ausgestaltete Halterung mit den oben genannten Vorteilen befestigt.
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Insbesondere kann der Drucktank zur im Wesentlichen senkrechten Befestigung an einem Fahrzeug ausgelegt sein, wobei die Halterung im unteren Bereich des Drucktanks und die weitere Halterung im oberen Bereich des Drucktanks angeordnet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist die Halterung und/oder die weitere Halterung so ausgebildet, dass sie den Drucktank entlang des radialen Umfangs vollständig umschließt. Das heißt, beispielsweise kann die Halterung eine durchgehende, ringförmige Wanne bilden, in der die Polkappe abgestützt wird. Dadurch ist der Drucktank besonders gut abgestützt und die Halterung ist einfach zu gestalten.
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Weiterhin kann die Halterung und/oder die weitere Halterung zweiteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Dadurch lässt sich die Halterung beziehungsweise der Drucktank in der Halterung einfacher montieren.
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Optional kann die Halterung dabei so ausgebildet sein, dass die beiden oder mehrere Teile der Halterung den radialen Umfang des Drucktanks nur teilweise umschließen. In jedem Fall aber so viel, dass der Drucktank auch in Radialrichtung R sicher gehalten ist. Und diese sollten so ausgebildet sein, dass die Teile der Halterung jeweils wannenförmig sind.
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Besonders bevorzugt besteht die elastische Zwischenschicht aus einem Polymer oder einer Polymermischung, insbesondere aus einem Elastomer oder aus Gummi. Insbesondere ist es von Vorteil ein Material zu wählen, dass die elastischen Eigenschaften dauerhaft gewährleistet, so dass nicht zu viel zusätzlicher Wartungsaufwand durch Tausch der Zwischenschicht anfällt.
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Weiterhin kann die elastische Schicht der Halterung und/oder mit der Wandung des Drucktanks kraftschlüssig, insbesondere durch Verkleben oder Vulkanisieren, verbunden sein. Gleiches gilt analog für die weitere Zwischenschicht an der weiteren Halterung. Durch die kraftschlüssige Verbindung ist eine sichere Positionierung der Zwischenschicht immer gegeben, bei der Montage und auch bei einem Wechsel der Drucktanks.
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Vorteilhafterweise ist die Halterung und/oder die weitere Halterung starr, und insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt. Durch gewährleistet sie bei richtiger Dimensionierung dauerhaft die benötigte Stabilität und ist einfach zu fertigen.
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Unter starr wird in diesem Zusammenhang eine Materialeigenschaft verstanden, die derart ausgebildet ist, dass sich die Halterung bei den am Drucktank auftretenden Kräften nicht verformen lässt.
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In weiteren erfindungsgemäßen Ausführungen ist die Halterung und/oder die weitere Halterung im Übergangsbereich zwischen dem zylinderförmigen Bereich und der Polkappe oder ausschließlich im Bereich der Polkappe angeordnet. Je nach Anwendungsfall kann die Halterung so an die Randbedingungen ideal angepasst werden.
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Des Weiteren kann die Wandung des Drucktanks einen Wulst aufweisen, der bevorzugt im Übergangsbereich zwischen dem zylinderförmigen Bereich und der Polkappe oder im Endbereich des zylinderförmigen Bereiches angeordnet ist, und der von der Halterung und/oder der elastischen Zwischenschicht formschlüssig umfasst wird. Dadurch kann die Halterung so ausgebildet werden, dass der Drucktank nicht aus der Halterung herausrutschen kann. Somit kann der Drucktank mit nur einer Halterung am Fahrzeug befestigt werden, was wiederum Vorteile bietet.
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Insbesondere kann der Wulst aus dem Material der Verstärkungsschicht gebildet werden. Beispielsweise kann er bei der Fertigung der Verstärkungsschicht gleich mitgefertigt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Halterung und/oder die weitere Halterung so ausgebildet ist, dass diese keinen direkten Kontakt mit der Wandung des Drucktanks haben, sondern nur die elastische Zwischenschicht mit der Wandung des Drucktanks in Kontakt ist. Dadurch wird verhindert, dass die Verstärkungsschicht durch die starre Halterung beschädigt wird. Zudem wird sichergestellt, dass eine Verformung des Drucktanks aufgrund von Druck- oder Temperaturschwankungen durch die elastische Zwischenschicht ausreichend kompensiert werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die Halterung und/oder die weitere Halterung so angeordnet ist, dass diese keinen Kontakt mit dem Boss haben. So wird der Boss und vor allem die Verbindungsstelle zwischen Boss und Wandung nicht zusätzlich durch Biegekräfte oder nicht vollständig gedämpfte Vibrationen belastet. Dadurch wird die Dichtigkeit an dieser Verbindungsstelle nicht beeinträchtigt.
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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
- 1 Drucktank ohne Darstellung der Halterung
- 2 Teil eines erfindungsgemäßen Drucktanks im Längsschnitt
- 3 Teil eines weiteren erfindungsgemäßen Drucktanks im Längsschnitt
- 4 Querschnitt eines erfindungsgemäßen Drucktanks in Draufsicht
- 5 Querschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Drucktanks
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Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche beziehungsweise analoge Bauteile oder Komponenten.
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1 zeigt den Drucktank 1 mit je einem Boss 4,4` an den beiden Polkappen. In den Boss 4 ist eine Tankarmatur 5 zum Füllen und zum kontrollierten Entnehmen von Gas eingeschraubt. Der Boss 4' ist mit einem Verschluss abgedichtet. Alternativ kann er ein Sicherheitsventil aufnehmen. Die Wandung des Drucktanks 1 umschließt den Hohlraum 2 und wird von einem innenliegenden Liner 3 und einer Verstärkungsschicht 6 gebildet. Der Liner 3 ist bevorzugt aus thermoplastischem Kunststoff wie beispielsweise Polyamid und wird oft im Blasformverfahren hergestellt. Die Verstärkungsschicht 6 wird durch ein Wickelverfahren mit Tapes aus faserverstärktem Kunststoff, bevorzugt aus CFK (Kohlenstofffaser-verstärkter Kunststoff), hergestellt. Der Drucktank 1 ist rotationssymmetrisch um die Längsrichtung L. Die Radialrichtung ist mit R bezeichnet. Besonderes Augenmerk muss bei solchen Drucktanks auf die Abdichtung zwischen Boss 4,4` und Liner 3 gelegt werden. Insbesondere bei großen Drucktanks, wie sie bei Nutzfahrzeugen benötigt werden, um eine ausreichende Reichweite zu ermöglichen, ist die sichere Befestigung am Fahrzeug eine anspruchsvolle Herausforderung. Die Halterung des Drucktanks ist auf dieser Darstellung nicht zu sehen.
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In 2 ist der untere Teil des erfindungsgemäßen Drucktanks 1 im Längsschnitt dargestellt, wobei der Drucktank 1 zur senkrechten Montage im Fahrzeug vorgesehen ist. Der Drucktank 1 und die Halterung 10 können ebenso für eine anders ausgerichtete Anordnung im Fahrzeug verwendet werden. Der Drucktank 1 weist eine Wandung auf, die den innenliegenden Liner 3 und die Verstärkungsschicht 6 umfasst. Sie ist im mittleren Bereich zylinderförmig und am Ende als Polkappe ausgebildet und wird mit dem Boss 4' abgeschlossen.
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Die Halterung 10 umschließt die Wandung des Drucktanks rundherum auf dem gesamten radialen Umfang. Alternativ kann die Halterung 10 auch zweiteilig oder mehrteilig ausgeführt werden, so dass die Wandung nur partiell umschlossen wird. In jedem Fall ist die Halterung wannenförmig ausgebildet mit einer dreidimensionalen Krümmung sowohl in Längsrichtung L als auch in Radialrichtung R, so dass der Drucktank mit seiner Polkappe in dieser Wannenform aufgenommen wird. Der Boss 4' befindet sich in einer Aussparung der ringförmigen Halterung. Auf der Außenseite weist die Halterung 10 zwei oder mehrere Befestigungsvorrichtungen 10a auf, über die der Drucktank 1 am Fahrzeug mit einer Verschraubung 11 befestigt werden kann.
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Zwischen der Wandung und der Halterung 10 ist die elastische Zwischenschicht 12 angeordnet. Diese kann bevorzugt mit der Halterung 10 oder der Wandung des Drucktanks kraftschlüssig verbunden sein, zum Beispiel durch Kleben oder Vulkanisieren. Dadurch ist sie immer sicher in der richtigen Position, was die Montage erleichtert. Die elastische Zwischenschicht ist so ausgestaltet, dass sie zum einen Vibrationen oder Stöße kompensieren kann. Und zum anderen so, dass sie Durchmesseränderungen oder Längenänderungen des Drucktanks, die durch Druck- oder Temperaturschwankungen entstehen, kompensieren kann.
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Im dargestellten Beispiel umschließt die Halterung 10 die Wandung des Drucktanks ausschließlich im Bereich der Polkappe. Zudem ist zu erkennen, dass die Halterung 10, die bevorzugt starr und aus Metall ausgeführt ist, die Wandung des Drucktanks nicht direkt berührt, sondern immer die elastische Zwischenschicht 12 dazwischen liegt. Ebenso wenig kommt die Halterung 10 mit dem metallischen Boss 4' in Kontakt, so dass die Verbindungsstelle zwischen Boss und Wandung nicht zusätzlich durch die Halterung und die darüber eingeleiteten Kräfte belastet wird. Es entsteht kein zusätzliches Risiko für Undichtigkeiten.
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In 3 ist für eine weitere erfindungsgemäße Ausführung der untere Teil des Drucktanks 1 im Längsschnitt dargestellt, wobei der Drucktank 1 ebenfalls zur senkrechten Montage im Fahrzeug vorgesehen ist. Der Drucktank 1 und die Halterung 20 können ebenso für eine anders ausgerichtete Anordnung im Fahrzeug verwendet werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Wandung des Drucktanks einen Wulst 7 auf. Bevorzugt besteht der Wulst 7 aus dem gleichen Material wie die Verstärkungsschicht 6 und ist am besten auch direkt beim Wickeln der Verstärkungsschicht 6 mit hergestellt worden. Alternativ kann der Wulst 7 auch nachträglich auf die Wandung aufgebracht werden. Bevorzugt ist der Wulst 7 im Übergangsbereich zwischen dem zylinderförmigen Bereich und der Polkappe oder im Endbereich des zylinderförmigen Bereiches angeordnet ist. Die Halterung 20 ist wannenförmig ausgebildet, derart dass sie die Wandung des Drucktanks inklusive des Wulstes 7 umschließt. Der Wulst 7 wird von der Halterung 20 und der elastischen Zwischenschicht 22 formschlüssig umfasst, so dass der Drucktank 1 nicht in Längsrichtung L aus der Halterung 20 herausrutschen kann. Gegebenenfalls kann der Drucktank 1 dadurch mit nur einer Halterung 20 sicher befestigt werden.
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Die Befestigung am Fahrzeug erfolgt beispielsweise über die Verschraubung 21 an der Befestigungsvorrichtung 20a der Halterung.
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Die Darstellungen der 4 und 5 zeigen jeweils Querschnitte eines erfindungsgemäßen Drucktanks 1 in Draufsicht. 4 zeigt eine Ausführung, bei der die Halterung 10 die Wandung des Drucktanks auf dem gesamten radialen Umfang umschließt. Bevorzugt ist die Halterung 10 einteilig ausgeführt. Alternativ könnte sie auch zweiteilig oder mehrteilig aus wannenförmigen Teilstücken aufgebaut sein. Die elastischen Zwischenschicht 12 ist ebenfalls einteilig und durchgängig dargestellt. Sie könnte alternativ aus mehreren Streifen oder mehreren flächigen Bereichen bestehen. Wichtig ist vor allem, dass sich die Haltekräfte über eine ausreichend große Fläche verteilen.
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In 5 ist eine erfindungsgemäße Ausführung gezeigt, in der die Halterung 20 zweiteilig ausgeführt ist und den radialen Umfang der Wandung nicht vollständig umschließt. Auch hier ist es wiederum notwendig, dass die umschlossenen Bereiche ausreichend groß sind, so dass sich die Haltekräfte auf eine große Fläche verteilen.
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Diese Ausführung mit zweiteiliger Halterung 20 bietet Vorteile bei der Montage. Insbesondere bietet sie sich an, wenn eine Ausführung mit Wulst 7, wie in 3 dargestellt, gewählt wird. Hier können die zwei Teile der Halterung 20 geöffnet werden, um den Drucktank 1 mit dem Wulst 7 auf der Wandung aufnehmen und formschlüssig umgreifen.
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Zwischen der Halterung 20 ist eine elastische Zwischenschicht 22 vorgesehen, die auch hier eine oder zwei durchgehende Schichten sein können oder aus mehreren Streifen oder flächigen Bereichen zusammengesetzt sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drucktank
- 2
- Hohlraum
- 3
- Liner
- 4, 4'
- Boss
- 5
- Tankarmatur
- 6
- Verstärkungsschicht
- 7
- Wulst
- 10, 20
- Halterung
- 10a, 20a
- Befestigungsvorrichtung
- 11, 21
- Verschraubung
- 12, 22
- elastische Zwischenschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007015487 U1 [0005]
- US 20120152215 A1 [0005]
