DE69711447T2

DE69711447T2 - Behälter für druckflüssigkeit, insbesondere für flüssiggas

Info

Publication number: DE69711447T2
Application number: DE69711447T
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Charles; Patrick Jacquier; Lionel Ponnet
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA; SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2017-12-13
Also published as: DE69711447D1; JP3869017B2; WO1998026209A1; JP2001506737A; KR20000057555A; US6206027B1; FR2757248A1; ES2175504T3; EP0960305B1; CN1076808C; ATE215202T1; KR100540464B1; EP0960305A1; FR2757248B1; CN1240508A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter für Fluid unter Druck, insbesondere für ein Fluid unter erhöhtem Druck, d.h. recht oberhalb von 1 MPa, typischerweise oberhalb von 5 MPa.
Ein besonderes, jedoch nicht ausschließliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist dasjenige der Behälter für Flüssiggase, insbesondere der in Kraftfahrzeugen verwendeten Behälter für Flüssig-Propangas (FPG).

Hintergrund der Erfindung

Das Vorhandensein von Behältern unter Druck in der Nähe von Personen oder empfindlichen Gütern oder in einem begrenzten Raum führt zu Sicherheitsproblemen. Die übliche Lösung besteht darin, eine widerstandsfähige, somit schwere Umhüllung zu verwenden. Ferner beschränken die optimalen Ausgestaltungen der Umhüllungen, wobei es diese Ausgestaltungen den Umhüllungen erlauben, dem inneren Druck am besten standzuhalten, wohl oftmals die Möglichkeiten des Einbaus, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Hieraus ergibt sich eine bedeutende Beeinflussung des nutzbaren Volumens des Fahrzeugs. Darüber hinaus bedingen die Sicherheitsnormen, dass die mit derartigen Behältern ausgerüsteten Fahrzeuge einem Verbot des Zugangs zu Straßentunneln unterliegen können.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung hat zum Ziel, einen Behälter für Fluid unter erhöhtem Druck zu schaffen, wobei dieser Behälter die obigen Nacheile nicht aufweist, und die Erfindung schlägt zu diesem Zweck einen Behälter vor, der eine Mehrzahl von Elementarbehältern, die mit wenigstens einer Sammeleinrichtung parallel verbunden sind, und eine Verschlusseinrichtung aufweist, die es erlaubt, irgendeinen der Elementarbehälter in Reaktion auf einen Druckabfall in diesem zu isolieren.
Die Elementarbehälter sind vorteilhafterweise durch Röhren gebildet.
Ein erster Vorteil der Erfindung liegt in einer sehr großen Möglichkeit der Anpassung an den verfügbaren Raum. In der Tat wird das Halten bei dem Druck durch den Querschnitt und die Dicke der Wand jedes Elementarbehälters bestimmt, wie auch immer die allgemeine Gestalt des Behälters ist. Es ist daher möglich, das Volumen des Behälters in dem verfügbaren Raum dadurch zu verteilen, dass von Elementarbehältern unterschiedlicher Längen Gebrauch gemacht wird, oder dadurch, dass die Elementarbehälter in Reihen mit variablen Anzahlen pro Reihe angeordnet werden, oder dadurch, dass die Elementarbehälter in verschiedenen, untereinander verbundenen Unterbaugruppen umgruppiert werden. Diese Möglichkeit ist insbesondere für Kraftfahrzeuge interessant, um es so einzurichten, dass die Unterbringung des Behälters das nutzbare Volumen nicht beeinträchtigt.
Darüber hinaus ist der Behälter dank seiner modularen Konzeption einfach und wenig kostspielig herzustellen. Dies trifft insbesondere auch auf die Elementarbehälter in Gestalt von Röhren zu, weil dieselben Röhren, auf erwünschte Längen geschnitten, es erlauben, Behälter jeglicher Gestalten und jeglicher Volumina herzustellen.
Außerdem weisen diese Elementarbehälter eine Fähigkeit auf, einen von außen stammenden Druck auszuhalten, typischerweise einen Unterdruck relativ zum Elementarbehälter, was jede komplexe Gestalt des Behälters ohne eine spezifische Bauart und ohne eine spezifische Bemessung verbietet.
Die vorliegende Erfindung bietet ebenfalls die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien für die Elementarbehälter zu verwenden, z.B. Metalle, Metalllegierungen oder Verbundwerkstoffe. Diese Letzteren können eine Verstärkung aus Kohlenstofffasern, aus Fasern aus "Kevlar" (eingetragene Marke) oder aus Glasfasern und eine Harzmatrix, z.B. Epoxi, aufweisen.
Darüber hinaus kann, da die notwendigen Bedingungen, insbesondere die Dicke der Wand, wohl weniger streng für jeden Elementarbehälter als für einen einen einzigen Körper bildenden Behälter mit dem Volumen des herzustellenden Behälters sind, der Massengewinn in Bezug auf einen einen einzigen Körper bildenden Behälter bedeutend sein.
Ein anderer Vorteil des Behälters entsprechend der Erfindung ist seine Sicherheit. Dank der Verschlusseinrichtung gefährdet die Beschädigung eines Elementarbehälters nicht die Gesamtheit des Behälters und seines Inhalts und begrenzt die Belästigung der Umgebung im Falle einer Undichtigkeit. Die Geringfügigkeit der Ausströmung und des Gesamtvolumens des Fluids, das entweicht, wenn nur ein Elementarbehälter beschädigt wird, führt selbst dazu, dass gewisse Anwendungsbeschränkungen, z.B. der verbotene Zugang zu Straßentunneln, nicht mehr gerechtfertigt sein können.
Vorteilhafterweise ist diese Verschlusseinrichtung als ein Sperrventil ausgebildet, das z.B. durch eine biegsame Membran gebildet ist, wobei dieses Sperrventil an jedem mit einem Sammler verbundenen Ende des Elementarbehälters angeordnet ist und das Ende des Elementarbehälters in Reaktion auf einen Abfall des Drucks, der in dem Elementarbehälter herrscht, in Bezug auf den in dem Sammler herrschenden Druck verschließen wird. Eine selbe biegsame Membran kann in einem Sammler, der mit einer Mehrzahl von Enden von Elementarbehältern verbunden ist, angeordnet sein, um mehreren Elementarbehältern gemeinsam zu sein.
Der Behälter kann mit einem Schutzschild versehen sein, der mindestens jede mit Zwischenraum angeordnete Fläche bedeckt.
Der Schutzschild weist vorteilhafterweise eine Abschirmungsstruktur auf, die aus einer starren Verkleidungsplatte und einer darunter liegenden, dicken Schicht aus zellenförmigem Schaummaterial oder Bienenwabenmaterial besteht. Die Verkleidungsplatte, beispielsweise aus Verbundwerkstoff, ist dazu befähigt, einen Teil der Energie eines Stoßes oder eines Projektils zu absorbieren und die nicht absorbierte Energie auf das Schaummaterial zu übertragen, das dazu befähigt ist, diese nicht absorbierte Energie über eine große Fläche des Behälters zu zerstreuen, um die Verformungen darunter liegender Strukturen zu vermeiden. Der Wert der ohne funktionelle Beschädigung des Behälters in seiner Gesamtheit zu absorbierenden Stöße wird die Bemessung des Schutzschildes bedingen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Andere Besonderheiten und Vorteile eines Behälters entsprechend der Erfindung treten beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung hervor, die zur Erläuterung, nicht aber zur Beschränkung dient, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen zeigen:
Fig. 1 bzw. 2 eine sehr schematische Endansicht bzw. eine sehr schematische Seitenansicht zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Behälters entsprechend der Erfindung;
Fig. 3 eine Detailansicht zur Veranschaulichung der Anbringung einer Elementarröhre an einem Sammler in dem Behälter gemäß den Fig. 1 und 2.
Fig. 4 und 5 sehr schematische Schnittansichten zur Veranschaulichung der Verschlusseinrichtung für die Elementarröhren in dem Behälter gemäß den Fig. 1 und 2;
Fig. 6 eine Schnittansicht eines Behälters entsprechend der Erfindung, der mit einem Schutzschild gegen Stöße und gegen Projektile ausgerüstet ist und
Fig. 7 eine sehr schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Ausführungsform eines Behälters entsprechend der Erfindung in mehreren Teilen.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

In der nachfolgenden Beschreibung wird die Herstellung eines Behälters für Flüssiggas unter erhöhtem Druck und insbesondere eines Behälters für Flüssigpropangas für ein Kraftfahrzeug in Betracht gezogen. Der Fachmann wird verstehen, dass sich die bestehenden Prinzipien unmittelbar auf andere Anwendungen für Behälter für Gas oder für Flüssigkeit unter Druck anwenden lassen, beispielsweise Behälter für giftige Produkte an industriellen Standorten oder Behälter für Halon-Gas.
Fig. 1 und 2 zeigen einen Behälter 10, wie er durch eine Mehrzahl von Elementarröhren 20 gebildet ist, die mit Sammlern 30 parallel verbunden sind.
Die Röhren 20 sind parallel zueinander und in mehreren übereinander gelegten Reihen angeordnet, d.h. mit einer Anordnung im "Bündel". Die Röhren weisen gleichen Durchmesser und gleiche Wanddicke auf. Sie bestehen z.B. aus Metall, wie Stahl, oder aus Verbundwerkstoff, wie Epoxiharz, das mit Fasern aus Kohlenstoff oder "Kevlar" (eingetragene Marke") verstärkt ist.
Die Längen der Röhren 20 und die Anzahlen der Röhren in den Reihen sind derart gewählt, um das Volumen in optimaler Weise einzunehmen, das für die Anordnung des Behälters verfügbar ist, z.B. unter dem Fahrzeugchassis. In den Fig. 1 und 2 sind die Grenzen des verfügbaren Volumens durch strichpunktierte Linien veranschaulicht. Wie sich unmittelbar feststellen lässt, eignet sich die Herstellung des Behälters in modularer Gestalt, wobei von Elementarröhren ausgegangen wird, insbesondere gut für eine Anpassung des Behälters an unterschiedliche Ausgestaltungen.
An jedem ihrer beiden Enden ist jede Röhre 20 mit einem Sammler 30 verbunden. In dem veranschaulichten Beispiel liegt jeder Sammler 30 in Gestalt einer Röhre vor, mit welcher die Elementarröhren 20 mit einer gleichen Reihe von Röhren verbunden sind. Zusätzliche Sammler 32, 34 verbinden die Sammler 30 an zwei Enden des Behälters untereinander und parallel. Die Sammler 32, 34 sind mit einer Leitung 36 verbunden, die den Behälter 10 mit einem (nicht gezeigten) Auslass für die Anwendung und mit einem (nicht gezeigten) Einlass zur Auffüllung verbindet.
Jedes Ende des Elementarbehälters 20 ist mit einem Sammler 30 mit Hilfe eines Anschlusses 22 verbunden, der an einem Ende 22a mit einem Ende des Elementarbehälters 20 verschraubt oder verschweißt ist und der an seinem anderen Ende mit der Sammlerröhre 30 verschraubt oder verschweißt ist. Der Anschluss 22 dringt an diesem anderen Ende 22b leicht in die Röhre 30 ein, wobei dieses Ende 22b in das Innere der Röhre vorsteht (Fig. 3, 4, 5).
Obwohl man das Vorhandensein eines Sammlernetzes an jedem Ende der Elementarröhren ins Auge gefasst hat, so ist es selbstverständlich möglich, nur ein Sammlernetz an einem Ende der Röhren vorzusehen, wobei die anderen Enden dieser Röhren geschlossen sind.
Darüber hinaus könnte an Stelle der Verwendung von Sammlern 30 in Gestalt von Röhren, die selbst parallel mit den Sammlerröhren 32, 34 verbunden sind, jede Sammlereinheit an jedem Ende des Behälters durch eine Rohrschlange, die sämtliche Reihen der Röhren durchläuft, oder durch einen hohlen Flansch gebildet sein. Der Flansch ist somit durch zwei parallele, voneinander beabstandete Wände gebildet, die über ihren Umfang dicht miteinander verbunden sind, wobei die eine der Wände mit Löchern versehen ist, durch welche hindurch die Anschlüsse für die Elementarröhren eindringen.
Die Fig. 4 und 5 zeigen eine biegsame Membran 40, die eine Verschlusseinrichtung einer Elementarröhre 20 in dem Fall bildet, in dem der Druck in dieser beispielsweise infolge eines Risses oder einer Beschädigung abfallen wird, wobei ein derartiger Riss oder eine derartige Beschädigung von einem Stoß oder einem Aufprall eines Projektils herrührt.
In dem veranschaulichten Beispiel liegt die Membran 40 in Gestalt eines Bandes aus biegsamem Material vor, wobei sich dieses Band über die gesamte Länge des Sammlers 30 mit seinen Seiten rechtwinklig zu Achsen der Elementarröhren 20 der Reihe, die dem Sammler zugeordnet ist, erstreckt. Auf diese Art bildet die Membran 40 eine Verschlusseinrichtung, die durch sämtliche Röhren 20 dieser Reihe gemeinsam benutzt wird. An ihren Enden ist die Membran 40 an geschlossenen Enden des Sammlers 30 z.B. durch Klebung oder durch mechanische Mittel befestigt.
Die biegsame Membran 40 besteht beispielsweise aus einem Verbundwerkstoff, der durch ein durch Fasern verstärktes Elastomer gebildet ist. Bei normalem Betrieb ist die Membran 40 nicht verformt und lässt die Zugänge zu den Röhren 20 frei, die an die Sammlerröhre 30 angeschlossen sind (Fig. 4). Die Aufrechterhaltung eines identischen Druckes an jeder Seite der Membran ergibt sich aus der Tatsache, dass diese den Sammler 30 nicht in zwei Längsvolumina unterteilt, die dicht voneinander isoliert sind.
Im Fall eines plötzlichen Druckabfalls in einer Elementarröhre 20 (Fig. 5) verformt sich die Membran 40 automatisch und wird das Ende 22a des Anschlusses 22 entsprechend dieser Röhre abdichten. Das gleiche Phänomen ergibt sich an jedem Ende der Elementarröhre, wenn diese mit einer Sammlereinheit an jedem ihrer Enden verbunden ist. Auf diese Art wird der schadhafte Teil des Behälters rasch gegenüber dem übrigen Teil des Behälters isoliert, welcher weiterhin benutzt werden kann, und die möglichen Fluidverluste sind sehr begrenzt.
Die Verwendung einer biegsamen Membran ist wegen ihrer geringen Kosten und wegen ihrer Zuverlässigkeit vorteilhaft, weil kein bewegliches Teil erforderlich ist. Jedoch könnten andere Ausführungsformen einer Verschlusseinrichtung verwendet werden, z.B. Rückschlagventile, wobei ein solches Rückschlagventil mit jedem Ende der Elementarröhre verbunden ist und wobei die Rückschlagventile sodann einer leichten Rückstellkraft unterworfen werden, welche die Rückschlagventile bei Fehlen eines Unterdrucks in den entsprechenden Elementarröhren offen hält.
Wie bereits angegeben, erlaubt es die Verwendung von Elementarröhren, die einen genügend kleinen Durchmesser aufweisen können, typischerweise unterhalb 5 cm, ja sogar unterhalb 1 cm, sehr hohe Drücke mit verhältnismäßig wenig dicken Wänden auszuhalten. Beispielsweise können Röhren aus Verbundwerkstoff Kohlenstoff/Epoxid mit einem Außendurchmesser gleich 8 mm und einer Wanddicke von 1 mm einen Innendruck von 100 MPa aushalten.
Ein Behälter selbst für ein Fluid mit hohem Druck kann sodann wesentlich weniger schwer als ein einstückiger Behälter mit gleichem Fassungsvermögen sein.
Um die Elementarröhren gegen Stöße und Projektile zu schützen, ist es wünschenswert, den Behälter mit einem Schutzschild an wenigstens jeder exponierten Fläche zu versehen.
Ein derartiger Schild ist einzig in Fig. 6 dargestellt. In diesem Beispiel weist er eine Schicht 42 aus Schaumstoff, insbesondere aus Polyurethanschaum auf, die das Bündel der Elementarröhren 20 und die Sammlerröhren einhüllt. Die Schicht 42 ist mit einer starren Struktur oder Schale 44 bedeckt, die z.B. aus einem Verbundwerkstoff mit einer Matrix aus Epoxiharz besteht, die durch Aramidfasern verstärkt ist. Die Schale 44 kann durch Drapieren von imprägnierten Fasergebilden auf dem Schaum 42 und durch Polymerisation des Harzes gebildet sein. Gemäß einer Abwandlung können die imprägnierten Fasergebilde auf der Innenseite einer Form drapiert werden, in deren Inneres der Behälter zur Bildung der Verkleidungsschicht aus Schaum eingebracht wird. Dieser Schild kann ebenfalls durch eine Umhüllung aus Fasern, z.B. Aramid, und mit einer Werkstoffdicke in "Bienenwaben"-Struktur anstelle von Schaumstoff und mit der Funktion von Schaumstoff gebildet sein.
Die Verwendung eines Schutzschildes ist ganz besonders wünschenswert, wenn die Elementarröhren (und die Sammlerröhren) aus einem nichtmetallischen Material bestehen, insbesondere aus einem Verbundwerkstoff, der oftmals weniger widerstandsfähig gegenüber Stößen ist und weniger Plastizität als die metallischen Materialien aufweist.
In dem Falle eines Stoßes oder eines Aufpralls verteilt die starre Schale 44 den Druck auf die Oberfläche des Schaums 42. Dieser verstärkt die Verteilung des Drucks derart, dass keine Verformung an der hinteren Seite des Schaums in Berührung mit den Elementarröhren des Behälters bewirkt wird.
Im Vorhergehenden ist ein Behälter 10 in Betracht gezogen worden, der eine komplizierte Gestalt aufweisen kann, jedoch in einer einzigen Anordnung aus Elementarröhren 20 ausgebildet ist.
Wenn mehrere getrennte Räume für die Unterbringung des Behälters verfügbar sind und wenn keiner unter ihnen ein ausreichendes Volumen bietet, ist es möglich, wie die Fig. 7 zeigt, den Behälter 10 in mehreren Unterbaugruppen 12, 14 herzustellen. Jede Unterbaugruppe weist eine Mehrzahl von Elementarröhren auf, deren Längen und Anordnungen in Abhängigkeit von dem verfügbaren Platz gewählt sind. Die Unterbaugruppen 12, 14 sind miteinander durch eine oder mehrere Leitungen 38 verbunden.

Claims

1. Behälter für Fluid unter Druck, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine Mehrzahl von Elementarbehältern (20), die mit wenigstens einer Sammeleinrichtung (30, 3234) parallel verbunden sind, und eine Verschlusseinrichtung (40) aufweist, die es erlaubt irgendeinen der Elementarbehälter in Reaktion auf einen Druckabfall in diesem zu isolieren.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarbehälter Röhren (20) sind.

3. Behälter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet dass die Elementarbehälter (20) zueinander parallel angeordnet sind.

4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass er mehrere Reihen von Elementarbehältern (20) aufweist.

5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass die Anzahl der Elementarbehälter (20) in jeder Reihe veränderbar ist.

6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er Elementarbehälter (20) verschiedener Längen aufweist.

7. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Unterbaugruppen (12, 14) aufweist, die miteinander verbunden sind und von denen jede eine Mehrzahl von Elementarbehältern aufweist.

8. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschlusseinrichtung, an jedem mit einem Sammler (30) verbundenen Ende des Elementarbehälters (20) angeordnet, ein Sperrventil (40) aufweist, wobei das Sperrventil das Ende des Elementarbehälters in Reaktion auf einen Abfall des Drucks, der in dem Elementarbehälter herrscht, in Bezug auf den in dem Sammler herrschenden Druck verschließen wird.

9. Behälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrventil eine biegsame Membran (40) ist.

10. Behälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die biegsame Membran (40) in einem Sammler (30), der mit einer Mehrzahl von Elementarbehältern (20) verbunden ist, angeordnet und mehreren Elementarbehältern gemeinsam ist.

11. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Schutzschild (42, 44) versehen ist, der mindestens jede exponierte Fläche bedeckt.

12. Behälter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzschild eine Schicht (42) aus zellenförmigem Schaummaterial oder Bienenwabenmaterial aufweist, wobei diese Schicht (42) mit einer starren Schale (44) aus Verbundwerkstoff bedeckt ist.

13. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet dass die Elementarröhren (20) aus Verbundwerkstoff sind.