DE4107845C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines eine Befüllöffnung aufweisenden Hochdruckbehälters nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Hochdruckbehältern, die ein Gas unter einem sehr hohen Druck speichern, ergibt sich zum einen die Problematik, das Gas in den Hochdruckbehälter einzufüllen, und zum anderen, die Be­ füllöffnung anschließend derart abzudichten, daß auch über einen längeren Zeitraum kein Druckverlust im Hochdruckbehälter entsteht. Eine solche Problematik ergibt sich beispielsweise, wenn ein solcher Hochdruckbehälter in einer sogenannten Airbag­ einheit zum Schutz von Insassen eines Fahrzeugs eingesetzt wird. Beim Einsatz solcher Schutzsysteme in Personenkraftwagen wird beispielsweise gefordert, daß der Hochdruckbehälter das in ihm gespeicherte Gas über die gesamte Lebensdauer des Personen­ kraftwagens, d. h. bis zu 15 Jahren, ohne Druckverlust hält, um zu jedem Zeitpunkt die Funktionssicherheit des Airbag zu ge­ währleisten.

Aus der DE-OS 24 20 411 ist ein Verfahren zum Befüllen eines Hochdruckbehälters bekannt, bei dem ein Behälter zum Befüllen zunächst in eine Druckkammer gelegt wird, wobei eine als Verschlußelement vorgesehene, in einer Füllbohrung angeordnete Schraube zunächst so weit herausgedreht wird, daß der Füllvorgang möglich wird. Diese Schraube wird anschließend noch innerhalb der Hochdruckkammer dicht eingedreht, und der an der Schraube vorgesehene Bund wird anschließend mit dem Behälter verschweißt. Es hat sich gezeigt, daß man auf diese Weise nicht den gewünschten dauerhaften Abschluß eines Hochdruckbehälters erreichen kann.

Aus der DE-OS 15 25 720 ist eine Dichtungsanordnung zum Verschließen von Bohrungen bekannt, bei der eine Kugel als Dichtkörper und gleichzeitig als Spreizglied verwendet wird, die auf eine mit umlaufenden Schneidkanten versehene Klemmhülse wirkt, die sich ihrerseits in einer Bohrung verklemmt. Ein dauerhafter Abschluß kann auf diese Weise aber nicht erzielt werden. Das gilt auch für ein aus der DE-OS 24 57 501 bekanntes Verfahren zum Füllen einer Druckkammer, bei dem man ebenfalls zunächst einen Verschließkörper lose in die Füllöffnung einsetzt und diesen dann nach dem Füllen der Druckkammer befestigt. Auch dort verwendet man zum Verschluß eine mit Ringnuten versehene Spreizhülse, in die eine Kugel als Aufweitkörper eingepreßt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß das in den Hochdruckbehältern eingefüllte Gas unter hohem Druck auch über einen langen Zeitraum ohne Druckverlust gespeichert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die dichte Verschweißung des zusätzlichen Verschlußelementes sorgt für den notwendigen dauerhaften Verschluß. Durch das neue Verfahren wird zum einen die Befüllung eines Hochdruckbehälters ermöglicht und zum anderen die notwendige dauerhafte Abdichtung und damit auch ein gleichbleibend hoher Druck im Hochdruckbehälter über einen langen Zeitraum gesichert.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Es hat sich gezeigt, daß durch diese zusätzlichen Maßnahmen ein besonders guter Verschluß auf relativ einfache Weise erreicht werden kann.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines Hochdruckbehälters mit einer in einem Anschlußstutzen vorgesehenen Befüllöffnung, in die ein Verschlußelement und ein Dichtelement eingesetzt sind, und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Anschlußstutzens nach Fig. 1, in der die Position des Verschlußelementes und des Dichtelementes innerhalb der Befüllöffnung ersichtlich ist.

Der Hochdruckbehälter nach Fig. 1 weist eine im wesentlichen hohlzylindrische Form auf und erstreckt sich entlang einer zur Zeichenebene lotrechten Längsachse. Der Hochdruckbehälter (1) dient zur Speicherung eines Gases in seinem Behälterinneren (2). Das Gas befindet sich in dem Hochdruckbehälter (1) unter einem hohen Druck von etwa 400 bis 500 bar. Der Hochdruckbehälter (1) besteht aus einem Hohlkörper aus Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, der mit einer als Verstärkung für den Hochdruckbehälter (1) dienenden Faserverbundwicklung umwickelt ist. Ein solcher Hochdruckbehälter wird beispielsweise für Gaskissenschutzsystem in Personenkraftwagen eingesetzt, bei denen sich bei einem Unfall ein Gaskissen (Airbag) in Richtung der Fahrzeuginsassen innerhalb weniger Millisekunden aufbläst und diese somit in ihren Sitz zurückhält. Dadurch sind Fahrzeuginsassen bei Unfällen weitgehend vor Verletzungen geschützt. Aufgrund des hohen Drucks, unter dem das Gas im Hochdruckbehälter gespeichert ist, kann dieser relativ klein gehalten werden, so daß er beispielsweise in einem kleinen, speziell dafür ausgelegten Fach in der Armaturentafel unter­ gebracht werden kann.

Um das Gas, beispielsweise Stickstoff, unter dem benötigten hohen Druck von etwa 400 bis 500 bar in das Behälterinnere (2) des Hochdruckbehälters (1) einfüllen zu können, ist an dem Hochdruckbehälter (1) ein Anschlußstutzen (3) angeformt, der mit einer in Richtung der Achse (8) ins Behälterinnere (2) ragenden zylindrischen Befüllöffnung (6) versehen ist. Zum Befüllen ist eine prinzipiell bekannte Hochdruckkammer vorge­ sehen, in der der Hochdruckbehälter (1) positioniert wird. Das Befüllen des Hochdruckbehälters (1) erfolgt derart, daß die den Hochdruckbehälter (1) enthaltende Hochdruckkammer verschlossen wird und mit dem unter dem hohen Druck stehenden Gas befüllt wird. Die Hochdruckkammer ist geringfügig größer als der Hoch­ druckbehälter (1) selbst. Das Füllvolumen der Hochdruckkammer ist daher verhältnismäßig gering. Auch das Totvolumen, d. h. die Differenz zwischen dem Füllvolumen der Hochdruckkammer und dem des Hochdruckbehälters, ist vergleichsweise gering. Dadurch ist auch der Energieverlust beim Befüllen und Leeren der Hochdruck­ kammer relativ klein. Aufgrund des Druckausgleichs ist auch das Behälterinnere (2) des Hochdruckbehälters (1) mit dem unter hohem Druck stehenden Gas befüllt, sobald in der Hochdruck­ kammer der vorgegebene Systemdruck des in ihm befindlichen Gases vorhanden ist. Aufgrund des Druckes im Behälterinneren (2) und in der Hochdruckkammer ist es notwendig, die Befüllöff­ nung (6) innerhalb der Hochdruckkammer zu verschließen, um den in der Hochdruckkammer erreichten Druck auch erhalten zu können.

Dazu ist in der Hochdruckkammer eine nicht dargestellte Einrich­ tung zum gas- und druckdichten Einsetzen eines Verschlußelemen­ tes (4) in die Befüllöffnung (6) des Hochdruckbehälters (1) vorgesehen, die von einem Bereich außerhalb der Hochdruckkammer betätigbar ist. Dies ist notwendig, um das zum Erzeugen der hohen Drücke notwendige abgeschlossene System innerhalb der Hochdruckkammer zu erhalten. Da der Druck in der Hochdruck­ kammer dem Druck im Behälterinneren (2) entspricht, kann das Verschlußelement (4) in diesem abgeschlossenen System ohne Gegendruck eingesetzt werden. Während des Einsetzens des Ver­ schlußelementes besteht auch keine Gefahr, daß während dem Einsetzen des Verschlußelementes (4) Gas aus dem Behälter­ inneren herausströmt und sich damit der Druck im Behälter­ inneren (2) verringert.

Der Hochdruckbehälter (1) wird vor dem Befüllen in der Hoch­ druckkammer in eine vorbestimmte Lage positioniert und in dieser Lage fixiert. Diese Position ist relativ zu der Ein­ richtung zum gas- und druckdichten Einsetzen des Verschluß­ elementes (4) so ausgerichtet, daß die Achse (8) der Befüll­ öffnung (6) koaxial zur Einschiebebewegung des Verschlußelemen­ tes (4) ist. Die Einrichtung zum Einsetzen des Verschlußelemen­ tes (4) hält das Verschlußelement (4) demnach relativ zur Be­ füllöffnung (6) so, daß das Verschlußelement (4) lediglich axial in die Befüllöffnung (6) eingeschoben werden muß. Die Einrichtung zum Einsetzen des Verschlußelementes enthält bei­ spielsweise eine angetriebene Schraubspindel, die koaxial zur Achse (8) des in der Hochdruckkammer fixierten Hochdruckbehäl­ ters (1) ausgerichtet ist und an ihrem vorderen Ende mit Hilfe von Klemmitteln oder ähnlichem das Verschlußelement (4) hält. Die Schraubspindel ist beispielsweise mit einem Antrieb ver­ sehen, der mittels eines Schalters an der Außenwand der Hoch­ druckkammer betätigbar ist. Es ist auch möglich, die Schraub­ spindel durch die Wandung der Hochdruckkammer nach außen zu führen und in der Wandung entsprechend druckdicht zu lagern. Die Betätigung der Schraubspindel erfolgt dann in einfacher Weise von außen.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 besteht das Ver­ schlußelement (4) aus einer zylinderförmigen Spitze (11), deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser der zylindrischen Befüllöffnung (6) sowie aus drei koaxial hintereinander ange­ ordneten, sich zum Ende (10) des Verschlußelementes (4) konisch erweiternden Ringschneiden (9), deren Rückseite jeweils radial zur Längsachse des Verschlußelementes (4) vom Verschlußelement (4) abragt. Der maximale Durchmesser der Ringschneide (9) ist größer als der Innendurchmesser der Befüllöffnung (6), so daß das Verschlußelement (4) in seinem in die Befüllöffnung (6) eingepreßten Zustand formschlüssig in die Innenwandung der Be­ füllöffnung (6) einschneidet. Dazu besteht das Verschlußelement (4) aus einem härteren Werkstoff als der Anschlußstutzen (3) des Hochdruckbehälters (1). Im Ausführungsbeispiel besteht der Anschlußstutzen (3) sowie der Hochdruckbehälter (1) aus Aluminium, und ist mittels einer nicht dargestellten Faserver­ bundwicklung verstärkt. Das Verschlußelement (4) besteht im Ausführungsbeispiel aus einem korrosionsbeständigen Stahl. Im Bereich der Spitze des Verschlußelementes (4) ist eine konzentrisch zur Längsachse des Verschlußelementes (4) nach innen ragende zylindrische Aussparung (12) vorgesehen, die in Richtung des Behälterinneren (2) offen ist und etwa auf halber Länge des Verschlußelementes (4) endet. Durch den hohen Druck im Behälterinneren (2) wird das Verschlußelement (4) nach der Entnahme des Hochdruckbehälters (1) aus der Hochdruckkammer im Bereich dieser Aussparung (12) auseinandergedrückt, so daß sich die Ringschneide (9) in diesem Bereich verstärkt von innen gegen die Wandung der Befüllöffnung (6) preßt. Das Verschluß­ element (4) ist so dimensioniert, daß es dem Druck des Gases im Behälterinneren (2) für einen bestimmten Zeitraum standhält und die Befüllöffnung (6) druck- und gasdicht verschließt. Nach dem Einsetzen des Verschlußelementes (4) kann daher der Druck aus der Hochdruckkammer entlassen werden, so daß die Hochdruck­ kammer geöffnet und der Hochdruckbehälter (1) herausgenommen werden kann.

Um den Hochdruckbehälter nun dauerhaft abzudichten, ist ein im wesentlichen zylindrisches Dichtelement (5) vorgesehen, das zu­ sätzlich zu dem Verschlußelement (4) in die Befüllöffnung (6) eingesetzt wird, bis sein rückseitiges Stirnende mit dem Stirn­ ende des Anschlußstutzens (3) bündig abschließt. Dazu wurde das Verschlußelement (4) noch innerhalb der Hochdruckkammer so weit in die Befüllöffnung (6) eingepreßt, daß auch das Dichtelement (5) noch in der Befüllöffnung (6) Platz findet. Der Außendurch­ messer des zylindrischen Dichtelementes (5) ist geringfügig größer als der Innendurchmesser der zylindrischen Befüllöffnung (6), so daß das Dichtelement (5) mittels einer Preßpassung in die Befüllöffnung (6) einsetzbar ist. Das Dichtelement (5) besteht ebenfalls aus Aluminium oder aus einem anderen, mit dem Werkstoff des Anschlußstutzens (3) verschweißbaren Werkstoff. Das Dichtelement (5) wird nach dem Entnehmen des befüllten Hochdruckbehälters (1) aus der Hochdruckkammer bei Umgebungs­ druck mit dem Anschlußstutzen (3) gas- und druckdicht ver­ schweißt, wie es anhand der Schweißnaht (7) des Ausführungsbei­ spiels der Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die Schweißnaht (7) wurde durch eine Ringschweißung mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls hergestellt. Damit ist die Befüllöffnung dauerhaft gas- und druckdicht abgedichtet. Wird der Hochdruckbehälter (1) für ein Gaskissenschutzsystem in einem Personenkraftwagen eingesetzt, so muß die Zeitdauer, während der der Hochdruck­ behälter (1) gas- und druckdicht sein muß, wenigstens der Lebensdauer des Personenkraftwagens, d. h. etwa 10 bis 15 Jahre, entsprechen.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das Ver­ schlußelement (4) beispielsweise mit einem Außengewinde ver­ sehen, und ist in die mit einem entsprechenden Innengewinde versehene Befüllöffnung (6) eingeschraubt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich das Verschlußelement (4) über nahezu die gesamte Länge der Befüllöffnung (6), wobei sein rückseitiges Ende (10) bündig mit der Stirnseite des Anschlußstutzens (3) abschließt. Bei dieser Ausführung wird das Verschlußelement (4) selbst mit dem An­ schlußstutzen (3) verschweißt, so daß der Einsatz eines zusätz­ lichen Dichtelementes (5) entfällt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Befüllen eines eine Befüllöffnung aufweisen­ den Hochdruckbehälters mit einem Druckmedium, insbesondere Gas, unter hohem Fülldruck und zum anschließenden Verschließen der Befüllöffnung des Hochdruckbehälters zum Speichern des unter dem hohen Fülldruck stehenden Druckmediums, bei dem der Hochdruckbehälter (1) in einer druckdicht verschließbaren, dem Fülldruck entsprechenden Hochdruckkammer positioniert und mit dem Druckmedium befüllt und die Befüllöffnung (6) in der unter dem Fülldruck stehenden Hochdruckkammer mittels eines Verschlußelementes (4) gas- und druckdicht verschlossen wird, wonach der Hochdruckbehälter (1) aus der Hochdruckkammer entnommen und die Befüllöffnung (6) bei Umgebungsdruck gasdicht verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verschweißen zum dauerhaften Abdichten der Befüllöffnung (6) ein zusätzliches Dichtelement (5) bei Umgebungsdruck von außen vor das Verschlußelement (4) in die Befüllöffnung (6) eingesetzt und das Dichtelement (5) mit dem Hochdruckbehälter (1) gasdicht verschweißt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschlußelement (4) ein solches mit wenigstens einer sich radial über den Umfang erstreckenden Ringschneide (9) und mit einem zum Behälterinneren (2) offenen hohlen Bereich (12) im Bereich mindestens einer Ringschneide verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dichtelement (5) ein zylindrisches Dichtelement verwendet wird und daß dieses Dichtelement mit Preßsitz in der Befüllöffnung so eingesetzt wird, daß es bündig mit der Befüllöffnung (6) abschließt und daß das Dichtelement dann mittels einer Ringschweißung mit dem Hochdruckbehälter (1) verbunden wird.