DE102021134095A1

DE102021134095A1 - Drucktank mit thermisch aktivierbarem Druckentlastungssystem

Info

Publication number: DE102021134095A1
Application number: DE102021134095.0A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Frenz; Oliver Guvo; Frank Geiger; Laszlo Küppers
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2022-12-22

Abstract

Drucktank (10) für die Speicherung von Gas zur Montage in einem gasbetriebenen Fahrzeug als Treibstofftank, wobei der Drucktank (10) ein thermisch aktivierbares Druckentlastungssystem (11,11`) umfasst, welches eines oder mehrere TPRDs (Thermally-activated Pressure Relief Devices) (16) aufweist, die geeignet sind, bei Überschreiten einer Auslösetemperatur ein Ventil im TPRD (16) zu öffnen, wobei das Druckentlastungssystem (11,11`) zudem ein Druckentlastungsventil (18) und eine Notabströmleitung (31), beide an einem der beiden Enden des Drucktanks (10) angeordnet, umfasst, wobei zumindest eines der TPRDs (16) räumlich vom Druckentlastungsventil (18) getrennt und über eine Verbindungsleitung (17) mit dem Druckentlastungsventil (18) verbunden sind, wobei das Druckentlastungsventil (18) derart ausgeführt ist, dass es in einer Schließstellung den Drucktank (10) mit der Verbindungsleitung (17) und in einer Öffnungsstellung den Drucktank (10) mit der Notabströmleitung (31) verbindet, und wobei das Druckentlastungsventil (18) so ausgeführt ist, dass es von dem zumindest einen TPRD (16) über eine pneumatische Rückwirkung durch die Verbindungsleitung (17) ausgelöst werden kann, so dass es von der Schließstellung in die Öffnungsstellung wechselt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucktank für die Speicherung von Gas zur Montage in einem gasbetriebenen Fahrzeug als Treibstofftank, wobei der Drucktank ein thermisch aktivierbares Druckentlastungssystem aufweist, welches eines oder mehrere TPRDs (Thermally-activated Pressure Relief Devices) umfasst, die geeignet sind, bei Überschreiten einer Auslösetemperatur ein Ventil im TPRD zu öffnen.
Gasbetriebene Fahrzeuge haben beispielsweise einen Gasmotor oder eine Brennstoffzelle mit Elektromotor als Antrieb. Um ausreichend Treibstoff speichern zu können, insbesondere bei Nutzfahrzeugen, wird das Gas, das unter anderem Wasserstoff sein kann, unter hohem Druck im Drucktank gespeichert. Typisch für solche Drucktanks sind Drücke von über 200 bar, oftmals bis 500 bar und teilweise sogar bis 700 oder 875 bar. Das heißt dass der Drucktank nicht nur gasdicht unter diesem Druck sein muss, sondern auch dass er eine hohe mechanische Stabilität benötigt. Zudem muss er ausreichend groß sein.
Solche Drucktanks haben üblicherweise eine rotationssymmetrische, langgestreckte Form, die im Mittelbereich zylinderförmig und an beiden Enden mit gewölbten Polkappen abgeschlossen ist. Ein solcher 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 typischerweise eine Verstärkungsschicht aus faserverstärktem Kunststoff und einen innenliegenden Liner zur Abdichtung umfasst. Solche Drucktanks werden als Typ IV bezeichnet, wenn der Liner ebenfalls aus Kunststoff besteht.
Im Falle eines Brandes verliert der Drucktank nach und nach an Festigkeit, da die Wandung vom Feuer beschädigt wird. Um ein unkontrolliertes Bersten des Drucktanks und damit eine Explosion zu vermeiden, muss im Brandfall der Druck im Drucktank automatisch durch kontrolliertes Abströmen des Gases schnell auf Umgebungsdruck reduziert werden.
Gesetzliche Vorschriften erfordern ein thermisch aktivierbares Druckentlastungssystem. Dafür werden sogenannte TPRDs (Thermally-activated Pressure Relief Device) verwendet. Ein TPRD ist ein Ventil, das im Normalzustand geschlossen ist und beim Überschreiten einer bestimmten, kritischen Temperatur öffnet. Eine bekannte Ausführung eines TPRD ist ein Ventil, bei dem eine flüssigkeitsgefüllte Glasampulle den Ventilkolben in der Schließstellung hält, wobei der Ventilkolben federbelastet ist und in die Öffnungsstellung gedrückt wird und damit die Leitung freigibt, sobald die Glasampulle bricht. Die Glasampulle wird so ausgeführt und gefüllt, dass sie bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur bricht. Tritt ein Feuer auf, wird die Auslösetemperatur erreicht und das Ventil öffnet. Das Gas aus dem Drucktank kann abströmen.
Es ist bekannt solche TPRD an Drucktanks vorzusehen. Um eine ausreichend schnelle Druckentlastung im Brandfall zu erreichen, muss das Gas bei geöffnetem TPRD möglichst ungehindert abströmen können. Dazu wird das TPRD ausreichend groß dimensioniert. Das heißt, es wird mit einem ausreichenden Strömungsquerschnitt ausgeführt und direkt mit dem Drucktank verbunden, so dass das Gas mit vollem Druck ausströmen kann. Daher wird das TPRD im Stand der Technik in das Tankventil beziehungsweise in den Endstopfen, welche direkt in einen der Bosse eingeschraubt sind, integriert.
Ein Beispiel dafür ist in der Druckschrift WO 2017/091595 A1 beschrieben. Dort wird zum Stand der Technik ausgeführt, dass an beiden Enden eines Drucktanks solche TPRD vorhanden sind. Zusätzlich kann für besonders lange Drucktanks auch entlang des Drucktanks ein weiteres TPRD vorgesehen werden, um bei einem Feuer im Mittelbereich des Drucktanks rechtzeitig die Druckentlastung auszulösen. Diese weiteren TPRDs müssen, wie zuvor beschrieben, ebenfalls auf einen ausreichenden Durchmesser ausgelegt und mit einer zusätzlichen Leitung, die unter dem vollen Druck des Drucktanks steht (also bis zu 875 bar), verbunden werden. Das macht das gesamte Druckentlastungssystem aufwändig und teurer.
Die in der genannten Druckschrift vorgeschlagene Lösung ist eine mechanische Auslösung die lange Verbindungsleitungen vermeidet. Mit Hilfe eines feuerempfindlichen Netzes, das über den gesamten Drucktank gespannt wird, sollen bei Beschädigung des Netzes durch ein Feuer die TPRDs an den Enden des Drucktanks mechanisch ausgelöst werden. Eine solche Vorrichtung ist wenig erprobt und unzuverlässiger. Zudem löst sie auch ungewollt bei einer anderen mechanischen Beschädigung des Netzes aus, was bei freiliegenden Drucktanks, wie sie in Nutzfahrzeugen verwendet werden, leicht vorkommen kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, einen Drucktank mit verbessertem Druckentlastungssystem für den Brandfall zu entwickeln, das kostengünstiger ist und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß zeichnet sich der Drucktank nach Anspruch 1 dadurch aus, dass das Druckentlastungssystem ein Druckentlastungsventil und eine Notabströmleitung, beide an einem der beiden Enden des Drucktanks angeordnet, umfasst, und dass zumindest eines der TPRDs räumlich vom Druckentlastungsventil getrennt und über eine Verbindungsleitung mit dem Druckentlastungsventil verbunden sind. Wobei das Druckentlastungsventil derart ausgeführt ist, dass es in einer Schließstellung den Drucktank mit der Verbindungsleitung und in einer Öffnungsstellung den Drucktank mit der Notabströmleitung verbindet. Und wobei das Druckentlastungsventil so ausgeführt ist, dass es von dem zumindest einen TPRD über eine pneumatische Rückwirkung durch die Verbindungsleitung ausgelöst werden kann, so dass es von der Schließstellung in die Öffnungsstellung wechselt.
Zudem sperrt es in der Schließstellung die Notabströmleitung ab und in der Öffnungsstellung sperrt es die Verbindungsleitung weitgehend oder bevorzugt vollständig ab.
Besonders bevorzugt können mehrere, insbesondere alle TPRDs räumlich vom Druckentlastungsventil getrennt und über eine Verbindungsleitung mit dem Druckentlastungsventil verbunden sein. Und bevorzugt kann das Druckentlastungsventil so ausgeführt sein, dass es von mehreren, insbesondere von allen TPRDs über eine pneumatische Rückwirkung durch die Verbindungsleitung ausgelöst werden kann, so dass es von der Schließstellung in die Öffnungsstellung wechselt.
Die pneumatische Rückwirkung über die Verbindungsleitung zwischen dem einen oder mehreren TPRDs und dem Druckentlastungsventil erfolgt derart, dass beim Öffnen eines TPRDs (also im Falle eines Feuers) das Druckentlastungsventil am Drucktank geöffnet wird. Beispielsweise kann die pneumatische Rückwirkung ein kurzzeitiger Druckabfall in der Verbindungsleitung sein, sobald eines der TPRDs öffnet und Gas aus der Verbindungsleitung abströmen kann.
So kann die Feuererkennung der TPRDs von der Druckentlastungsfunktion getrennt werden. Der Vorteil dadurch ist, dass das Druckentlastungsventil mit der Notabströmleitung direkt an einem der beiden Bosse angeordnet werden kann. Während die TPRDs zur Feuererkennung an beliebigen Stellen rund um den Drucktank angeordnet werden können. Die Verbindungsleitung kann dabei sehr viel einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden, da die Verbindungsleitung nicht für die Notabströmung der hohen Gasmenge aus dem Drucktank benötigt wird, sondern nur für die pneumatische Rückwirkung. Sobald das Druckentlastungsventil im Brandfall in die Öffnungsstellung gewechselt hat, strömt keine nennenswerte oder gar keine Gasmenge mehr über die TPRDs ab. Die hohe Gasmenge wird nur über die Notabströmleitung direkt am Drucktank kontrolliert abgeleitet. So kann auch die gesamte Verrohrung des Druckentlastungssystems einfacher gestaltet werden, da nur noch von einer kurzen Notabströmleitung die Gasmenge im Brandfall kontrolliert nach oben abgeführt werden muss. Bei Ausführungen nach dem Stand der Technik muss dagegen die gesamte Gasmenge von jedem einzelnen TPRD kontrolliert nach oben abgeführt werden können, was viel mehr und aufwändiger ausgelegte Verrohrung erfordert.
Besonders wenn mehrere Drucktanks an einem Fahrzeug installiert sind, bietet die erfindungsgemäße Ausführung eine enorme Verbesserung, da die Vorteile bei jedem Drucktank zum Tragen kommen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn mindestens drei TPRDs vorgesehen sind und diese bevorzugt entlang des Drucktanks verteilt angeordnet sind. Dadurch kann der Drucktank auf der gesamten Länge abgesichert werden und auch lokale Feuer können rechtzeitig erkannt werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die TPRDs je eine Glasampulle umfassen, die so ausgeführt ist, dass sie bei Überschreiten der gewünschten Auslösetemperatur bricht und das Ventil im TPRD öffnet. Alternativ sind auch andere Auslösemechanismen am TPRD möglich, um das Ventil bei Überschreiten einer Auslösetemperatur zu öffnen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung weist die Verbindungsleitung einen geringeren Durchmesser als die Notabströmleitung auf. Somit kann das gesamte System einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden. Zudem reduziert sich dadurch auch das Gewicht, was bei Anwendungen in Fahrzeugen ein weiterer Vorteil ist.
Eine zusätzliche Verbesserung ergibt sich, wenn die Verbindungsleitung auf einen geringeren Maximaldruck als der Drucktank ausgelegt ist, insbesondere wenn die Verbindungsleitung auf einen Maximaldruck von höchsten 200 bar ausgelegt ist. Möglich wird das nur durch die erfindungsgemäße Ausführung des Druckentlastungssystems.
Besonders bevorzugt ist in der Verbindungsleitung zwischen TPRDs und Druckentlastungsventil ein Druckminderer vorhanden. So kann der Druck zwischen Druckminderer und TPRDs weiter abgesenkt werden und die Verbindungsleitung nach dem Druckminderer kann auf sehr viel geringeren Druck ausgelegt werden. Das vereinfacht die Sicherheitsprüfungen und macht das System kostengünstiger.
In einer bevorzugten Ausführung ist das Druckentlastungsventil in einem Endstopfen des Drucktanks integriert oder direkt an diesen angeschlossen ist. Der Endstopfen ist in den Boss des Drucktanks eingeschraubt und verschließt diesen an einem Ende. Im anderen Boss ist das Tankventil eingeschraubt.
Bei senkrechter Anordnung des Drucktanks am Fahrzeug, wie es insbesondere bei Nutzfahrzeugen vorkommt, wird das Tankventil meist unten und der Endstopfen oben angebracht. Durch die Integration des Druckentlastungsventils am Endstopfen ergibt sich eine besonders kurze Notabströmleitung, was sehr vorteilhaft ist.
Die Verbesserungen und die Einsparungen wirken sich besonders stark aus, wenn zumindest eines der TPRDs mindestens einen Meter vom Druckentlastungsventil entfernt angeordnet ist, insbesondere wenn mehrere TPRDs mindestens einen Meter vom Druckentlastungsventil entfernt angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäße Ausführung vereinfacht sich die Verrohrung enorm.
Eine zusätzliche Verbesserung wird erzielt, wenn die TPRDs über eine gemeinsame Verbindungsleitung mit dem Druckentlastungsventil verbunden sind. So kann weiter der Verrohrungsaufwand und Prüfaufwand reduziert werden. Je weniger Verbindungen und Verschraubungen vorhanden sind, umso besser.
In einer besonders bevorzugten Ausführung umfasst, das Druckentlastungsventil eine verstellbare Drossel, derart gestaltet, dass die Verbindung zwischen Drucktank und Verbindungsleitung in der Schließstellung des Druckentlastungsventil nur über die Drossel erfolgen kann, und dass die Drossel geschlossen wird, wenn da Druckentlastungsventil in die Öffnungsstellung wechselt. Über die Drossel wird die Gasmenge begrenzt, die bei Öffnung eines TPRD abströmen kann. Zudem wird nach dem Öffnen des Druckentlastungsventils die Abströmung über die Verbindungsleitung zum TPRD ganz unterbunden. Dadurch kann die Ableitung von den TPRDs einfach direkt in die Umgebung erfolgen, da sichergestellt ist, dass keine größere Gasmenge ins Feuer geblasen wird. Die große Gasmenge zur Druckentlastung des Drucktanks wird kontrolliert über die Notabströmleitung nach oben abgeleitet.
Um die Wirkung der Drossel noch zu verbessern ist es von Vorteil, wenn die Drossel so ausgeführt ist, dass der Strömungsquerschnitt im Bereich der Drossel mindestens um den Faktor 20 kleiner ist als der Strömungsquerschnitt der Notabströmleitung.
In einer erfindungsgemäßen Ausführung umfasst das Druckentlastungsventil einen Ventilkolben und ein Federelement, wobei das Federelement den Ventilkolben in die Schließstellung drückt und wobei es so ausgeführt ist, dass die Druckkraft des Gases aus dem Drucktank den Ventilkolben gegen das Federelement Richtung Öffnungsstellung drückt. Die schließende Kraft des Federelements wird vom statischen Druck in der Verbindungsleitung unterstützt. Das Federelement und der Ventilkolben sind dabei so ausgelegt, dass der Ventilkolben vom Druck des Gases aus dem Drucktank in die Öffnungsstellung geschoben werden kann, sobald der Druck in der Verbindungsleitung zum TPRD stark abfällt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn Druckentlastungsventil eine Dichtung aufweist, die in der Öffnungsstellung des Druckentlastungsventils die Drossel zur Verbindungsleitung schließt. So wird verhindert, dass nach dem Öffnen des Druckentlastungsventils noch weiter Gas in die Verbindungsleitung und gegebenenfalls ins Feuer strömen kann. Der Ringspalt zwischen Ventilkolben und Gehäuse mit der beschriebenen Dichtung bilden die Drossel. Die Drosselwirkung ist dabei von der Stellung des Ventilkolbens abhängig.
Um das Druckentlastungssystem bei großen Drucktanks weiter zu verbessern kann am zweiten Ende des Drucktanks ein weiteres Druckentlastungsventil und eine weitere Notabströmleitung angeordnet sind, wobei das Druckentlastungsventil so ausgeführt ist, dass es von mehreren TPRDs über pneumatische Rückwirkung ausgelöst werden kann. Dabei kann jedes Druckentlastungsventil seine eigenen mit einer Verbindungsleitung zugeordneten TPRDs aufweisen. Oder es können mehrere TPRDs über eine oder mehrere Verbindungsleitungen sowohl mit dem einen als auch mit dem weiteren Druckentlastungsventil verbunden sein. So kann gegebenenfalls eine noch schnellere Abströmung über zwei Druckentlastungsventile ermöglicht werden.
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 nach dem Stand der Technik
2a Erfindungsgemäßer Drucktank mit Druckentlastungssystem
2b Pneumatik-Schema für eine erfindungsgemäße Ausführung des Druckentlastungssystems
3a eine Ausführung des Entlastungsventil (geschlossen)
3b (offen)
4a weitere Ausführung des Entlastungsventil (geschlossen)
4b (offen)
5 Pneumatik-Schema für eine weitere Ausführung des Druckentlastungssystems

1 zeigt einen Drucktank 1 mit Druckentlastungssystem 8 nach dem Stand der Technik. Der Drucktank 1 weist eine Wandung 2 und zwei Bosse 3 an den jeweiligen Enden des Drucktanks auf. In einem Boss ist das Tankventil 5 montiert, das die Tankleitung 34 öffnet und absperrt, um Betankung und Gasabgabe im Betrieb zu regeln. Im zweiten Boss ist der Endstopfen 4 montiert, der den Drucktank abschließt. Sowohl im Tankventil 5 als auch im Endstopfen 4 ist jeweils ein TPRD 6 vorhanden, welche im Brandfall - bei Überschreiten der Auslösetemperatur - öffnen, und das Gas aus dem Drucktank über die jeweilige Notabströmleitung 31 abführt. Zusätzlich ist in der Mitte des Drucktanks ein weiteres TPRD 6 vorhanden, das über die Hochdruckleitung 7 direkt an den Drucktank angeschlossen ist. Dieses ist nötig, um bei Feuer in der Mitte des Drucktanks rechtzeitig die Druckentlastung auszulösen. Auch diese TPRD mündet in eine eigene Notabströmleitung 31. Alle Notabströmleitungen 31 müssen bis zur sicheren Ableitung 33 nach oben in die Umgebung geführt werden. So entsteht wie zuvor beschrieben großer Verrohrungsaufwand. Und insbesondere die Hochdruckleitung 7 muss besonders druckfest ausgeführt und entsprechend regelmäßig geprüft und gewartet werden. Des Weiteren muss jedes TPRD 6 für sich so ausgelegt sein, dass die hohe Gasmenge, die zur Druckentlastung schnell abströmen muss, alleine durch das eine TPRD 6, das aufgrund der Temperatur geöffnet hat, abströmen kann.
In 2a ist eine erfindungsgemäße Ausführung des Drucktanks 10 mit dem thermisch aktivierbaren Druckentlastungssystem 11 dargestellt. Hier sind die TPRDs 16 über die Verbindungsleitung 17 mit dem Druckentlastungsventil 18 verbunden, welches zusammen mit dem Endstopfen 14 an dem Boss 3 angeordnet ist. Es ist nur eine Notabströmleitung 31 direkt am Druckentlastungsventil 18 vorhanden, die über eine kurze Strecke in die sichere Ableitung 33 in die Umgebung mündet.
In der dargestellten Ausführung sind drei TPRDs 16 vorgesehen, die über die Länge des Drucktanks 10 angeordnet sind. Bei einer Drucktank-Länge von beispielsweise 2,5 m, sind mehrere TPRDs weiter als 1 m vom Druckentlastungsventil 18 entfernt. Es können durchaus noch weitere TPRDs vorhanden sein, um den Drucktank 10 besser abzusichern. Ebenso können statt der gemeinsamen Verbindungsleitung 17 mehrere Verbindungsleitungen verwendet werden. Da die Verbindungsleitung 17 nicht für die Abströmung einer großen Gasmenge im Brandfall ausgelegt werden muss, ist der Verrohrungsaufwand geringer.
Eine ebenso erfindungsgemäße Ausführung ist ein Drucktank 10, bei dem das Druckentlastungsystem 11 nur ein TPRD 16 umfasst, welches am zylindrischen Abschnitt des Drucktanks 10, insbesondere im mittleren Bereich zwischen den beiden Tankenden angeordnet ist. Das kann ausreichend sein, um jegliches Feuer in der Nähe des Drucktanks 10 zu erkennen und die Druckentlastung rechtzeitig auszulösen. Die gestrichelt dargestellten TPRDs (16) sind in diesem Fall nicht notwendig.
Die TPRDs 16 weisen jeweils eine Auslassleitung 32 auf, die ohne Probleme lokal direkt in die Umgebung führen kann, da im Brandfall nur kurzzeitig Gas durch das TPRD 16 austritt. Zudem können die TPRDs 16 viel kleiner als bei bisherigen Systemen ausgelegt werden, da durch sie nur eine kleine Gasmenge ausströmen muss. In bisherigen Systemen muss jedes TPRD 6 so ausgelegt sein, dass die gesamte hohe Gasmenge zur Druckentlastung durch sie abströmen kann.
Tritt ein Feuer im Bereich des Drucktanks 10 auf, wird das nächstgelegene TPRD 16 die Auslösetemperatur überschreiten und öffnen. Dadurch fällt der Druck in der Verbindungsleitung 17 zumindest kurzzeitig ab, was die gewünschte pneumatische Rückwirkung auf das Druckentlastungsventil 18 erzeugt und dieses automatisch von der Schließstellung in die Öffnungsstellung schaltet. Dadurch strömt das Gas mit hoher Menge aus dem Drucktank 10 über die Notabströmleitung 31 aus, wodurch die schnelle Druckentlastung im Drucktank 10 erreicht wird. So kann eine Explosion vermieden werden, selbst wenn die Wandung 2 des Drucktanks durch einen Brand nach und nach beschädigt wird.
Andererseits ist das Druckentlastungssystem 18 nicht nur zuverlässig, sondern auch einfacher aufgebaut und deutlich kostengünstiger als die bisher bekannten Systeme. Zudem kann es sehr flexibel an unterschiedliche Drucktanks 10 angepasst werden.
2b zeigt das thermisch aktivierbare Druckentlastungssystem 11 für einen erfindungsgemäßen Drucktank als Pneumatik-Schema. Das Druckentlastungsventil 18 verbindet die Zuleitung 30 aus dem Drucktank mit der Verbindungsleitung 17 oder der Notabströmleitung 31. Im Normalzustand ist das Druckentlastungsventil 18 in der Schließstellung. Der Druck aus der Zuleitung 30 wirkt zum einen direkt und zum anderen über die Drossel 20 von der Verbindungsleitung 17 aus auf den Ventilkolben. Dazu drückt das Federelement den Ventilkolben in die Schließstellung.
Die Verbindungsleitung 17 ist von den TPRDs 16 abgesperrt. Die TPRDs 16 sind jeweils mit einer Glasampulle 24 ausgeführt, die flüssigkeitsgefüllt ist und bricht, wenn eine bestimmte Auslösetemperatur überschritten wird. Beispielsweise können Glasampullen für 100°C oder 110°C verwendet werden. Sobald eine der Glasampullen 24 bricht, öffnet die am entsprechenden TPRD vorhandene Feder mit Unterstützung durch den anliegenden statischen Druck aus der Verbindungsleitung 17 das Ventil. Gas aus der Verbindungsleitung 17 strömt kurzzeitig ab, wodurch der Druck abfällt und das Druckentlastungsventil 18 über die pneumatische Rückwirkung ausgelöst wird. Das Druckentlastungsventil 18 wechselt dabei in die Öffnungsstellung und gibt die Verbindung zur Notabströmleitung 31 frei. Die Drossel 20 ist hier als verstellbare Drossel dargestellt, da sie beim Öffnen des Druckentlastungsventils 18 geschlossen wird und so die Strömung in die Verbindungsleitung 17 unterbunden wird.
Die 3a und 3b zeigen eine Ausführung für das Druckentlastungsventil 18. Einmal in Schließstellung (3a) und einmal in Öffnungsstellung (3b). Der Ventilkolben 21 wird von dem Federelement 23 und dem statischen Druck in der Verbindungsleitung 17 in die Schließstellung gedrückt und sperrt somit die Notabströmleitung 31 ab. Über die Drossel 22 kann etwas Gas über die Zuleitung vom Drucktank in die Verbindungsleitung 17 strömen. Das erfolgt solange, bis der Druck in der Verbindungsleitung 17 genauso hoch ist wie in der Zuleitung 30. Die Verbindungsleitung 17 ist durch die TPRD 16 abgesperrt.
Löst nun eines der TPRD 16 aus, strömt Gas aus der Verbindungsleitung 17 über dieses TPRD ab, der Druck in der Verbindungsleitung 17 fällt rapide ab, da über die Drossel 20 nicht so schnell Gas aus der Zuleitung 30 nachströmen kann. Durch das Druckungleichgewicht am Ventilkolben 21 verschiebt der Gasdruck in der Zuleitung 30 den Ventilkolben 21 in die Öffnungsstellung. Das Gas aus dem Drucktank kann ungehindert und schnell über die Notabströmleitung 31 abströmen und so die schnelle Druckentlastung gewährleisten. Gleichzeitig ist die Strömung zur Verbindungsleitung 17 über die Dichtung 22 und den Ventilkolben 21 abgesperrt.
4a und 4b zeigen eine alternative Ausführung des Druckentlastungsventils 18 mit einem etwas anders ausgeführten Ventilkolben 21 und einem anderen Ventilgehäuse.
In 5 ist eine weitere Ausführung des Druckentlastungssystems 11' für einen erfindungsgemäßen Drucktank 10 als Pneumatik-Schaltschema dargestellt. Die wesentliche Änderung ist, dass zwischen Druckentlastungsventil 18 und den TPRDs 16 ein Druckminderer 19 vorgesehen ist. Dadurch wird der Druck von der Verbindungsleitung 17, welcher im Normalzustand bei geschlossenem Druckentlastungsventil 18 dem Druck im Drucktank entspricht, auf einen niedrigeren Druck im Teil 17a der Verbindungsleitung reduziert. Der Teil 17a der Verbindungsleitung und die TPRDs 16 müssen somit nur auf einen deutlich geringeren Druck ausgelegt werden, zum Beispiel auf einen Druck unter 200 bar, bevorzugt auf unter 100 bar, besonders bevorzugt nur auf bis zu 30 bar. Dadurch können die TPRDs 16 und die Verrohrung nach dem Druckminderer 19 sehr viel kostengünstiger ausgeführt werden. Die Funktion entspricht der des zuvor beschriebenen Druckentlastungssystems.
Bezugszeichenliste

1: Drucktank
2: Wandung
3: Boss
4: Endstopfen
5: Tankventil
6: TPRD
7: Hochdruckleitung
8: Thermisch aktivierbares Druckentlastungssystem
10: Drucktank
11, 11': Thermisch aktivierbares Druckentlastungssystem
14: Endstopfen
15: Tankventil
16: TPRD
17,17a: Verbindungsleitung
18: Druckentlastungsventil
19: Druckminderer
20: Drossel
21: Ventilkolben
22: Dichtung
23: Federelement
24: Glasampulle
30: Zuleitung
31: Notabströmleitung
32: Auslassleitung
33: Sichere Ableitung in Umgebung
34: Tankleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017091595 A1 [0007]

Claims

Drucktank (10) für die Speicherung von Gas zur Montage in einem gasbetriebenen Fahrzeug als Treibstofftank, wobei der Drucktank (10) ein thermisch aktivierbares Druckentlastungssystem (11,11') aufweist, welches eines oder mehrere TPRDs (Thermally-activated Pressure Relief Devices) (16) umfasst, die geeignet sind, bei Überschreiten einer Auslösetemperatur ein Ventil im TPRD (16) zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckentlastungssystem (11,11`) ein Druckentlastungsventil (18) und eine Notabströmleitung (31), beide an einem der beiden Enden des Drucktanks (10) angeordnet, umfasst, und dass zumindest eines der TPRDs (16) räumlich vom Druckentlastungsventil (18) getrennt und über eine Verbindungsleitung (17,17a) mit dem Druckentlastungsventil (18) verbunden sind, wobei das Druckentlastungsventil (18) derart ausgeführt ist, dass es in einer Schließstellung den Drucktank (10) mit der Verbindungsleitung (17,17a) und in einer Öffnungsstellung den Drucktank (10) mit der Notabströmleitung (31) verbindet, und wobei das Druckentlastungsventil (18) so ausgeführt ist, dass es von dem zumindest einen TPRD (16) über eine pneumatische Rückwirkung durch die Verbindungsleitung (17,17a) ausgelöst werden kann, so dass es von der Schließstellung in die Öffnungsstellung wechselt.
Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein TPRD (16) vorgesehen ist und dieses am zylindrischen Abschnitt des Drucktanks (10) angeordnet ist.
Drucktank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei TPRDs (16) vorgesehen sind und diese insbesondere entlang des Drucktanks (10) verteilt angeordnet sind.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TPRDs (16) je eine Glasampulle (24) umfassen, die so ausgeführt ist, dass sie bei Überschreiten der gewünschten Auslösetemperatur bricht und das Ventil im TPRD (16) öffnet.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (17,17a) einen geringeren, inneren Durchmesser als die Notabströmleitung (31) aufweist.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (17,17a) auf einen geringeren Maximaldruck als der Drucktank (10) ausgelegt ist, insbesondere dass die Verbindungsleitung (17,17a) auf einen Maximaldruck von höchsten 200 bar ausgelegt ist.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (17,17a) zwischen TPRDs (16) und Druckentlastungsventil (18) ein Druckminderer (19) vorhanden ist.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckentlastungsventil (18) in einem Endstopfen (4) des Drucktanks (10) integriert oder direkt an diesen angeschlossen ist.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der TPRDs (16), insbesondere wenn mehrere TPRDs (16) mindestens einen Meter vom Druckentlastungsventil (18) entfernt angeordnet sind.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TPRDs (16) über eine gemeinsame Verbindungsleitung (17,17a) mit dem Druckentlastungsventil (18) verbunden sind.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckentlastungsventil (18) eine verstellbare Drossel (20) umfasst, derart gestaltet, dass die Verbindung zwischen Drucktank (10) und Verbindungsleitung (17) in der Schließstellung des Druckentlastungsventil nur über die Drossel (20) erfolgen kann, und dass die Drossel (20) geschlossen wird, wenn das Druckentlastungsventil (18) in die Öffnungsstellung wechselt.
Drucktank nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (10) so ausgeführt ist, dass der Strömungsquerschnitt im Bereich der Drossel (10) mindestens um den Faktor 20 kleiner ist als der Strömungsquerschnitt der Notabströmleitung (31).
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckentlastungsventil (18) einen Ventilkolben (21) und ein Federelement (23) umfasst, wobei das Federelement (23) den Ventilkolben (21) in die Schließstellung drückt und wobei es so ausgeführt ist, dass die Druckkraft des Gases aus dem Drucktank (10) den Ventilkolben (21) gegen das Federelement (23) Richtung Öffnungsstellung drückt.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckentlastungsventil (18) eine Dichtung (22) umfasst, die in der Öffnungsstellung des Druckentlastungsventils die Drossel (20) zur Verbindungsleitung (17) schließt.
Drucktank nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten Ende des Drucktanks (10) ein weiteres Druckentlastungsventil (18) und eine weitere Notabströmleitung (31) angeordnet sind, wobei das Druckentlastungsventil (18) so ausgeführt ist, dass es von mehreren TPRDs (16) über pneumatische Rückwirkung ausgelöst werden kann.