EP1286103B1 - Behälter zum Speichern von Gas unter hohem Druck - Google Patents

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EP1286103B1
EP1286103B1 EP20020015922 EP02015922A EP1286103B1 EP 1286103 B1 EP1286103 B1 EP 1286103B1 EP 20020015922 EP20020015922 EP 20020015922 EP 02015922 A EP02015922 A EP 02015922A EP 1286103 B1 EP1286103 B1 EP 1286103B1
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EP
European Patent Office
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vessel
pressure vessels
pressure
wall
separating wall
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EP20020015922
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EP1286103A3 (de
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Christoph Heep
Andreas Jauss
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GM Global Technology Operations LLC
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    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
    • F17C2270/0178—Cars

Definitions

  • the invention relates to a container for storing gas under high pressure, in particular of natural gas, with at least two pressure vessels, which are connected to form a structural unit, wherein at least one pressure vessel has a connecting piece for loading and unloading.
  • Such containers are used in particular in natural gas-powered vehicles.
  • the operating pressure of the container is very high at about 200 bar, so that the container must be made of high pressure resistant material, in particular metal.
  • variable pressure vessel made of plastic. Several pressure vessels are arranged side by side and held together by means of a common enclosure such that a smaller pack size is present than in individual cylindrical bottles.
  • each pressure vessel in the form of cylindrical bottles is connected to form a unit, each is a hydraulically independent individual container.
  • Each individual pressure vessel accordingly requires a connection or valve connection for loading or unloading.
  • the valve connections cause additional expense and are unfavorable for optimal space utilization.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a container which on the one hand has the necessary strength for storing gas under high pressure and on the other hand allows better space utilization in cars.
  • any number of pressure vessels can be connected together to form a one-piece container.
  • the partition wall ensures that the container remains dimensionally stable under the influence of the high pressure of about 200 bar.
  • About the passage opening in the partition pressure equalization takes place between the pressure vessels.
  • the partition wall is not subject to any bending load, as it is the same on both sides Internal pressure is charged.
  • the result is a container with a honeycomb-like structure, which allows a good use of space.
  • the nozzle for loading and unloading can be arranged at a location that is favorable in terms of space utilization.
  • the container is also distinguished by the fact that in principle there is no higher membrane stress level than in the known cylindrical pressure vessels, d. H. the container is under internal pressure substantially free of bending moments. Thus high loads are avoided and the container can be built weight optimized.
  • the partition wall is substantially planar and has at its edge on both sides approaches that extend at an angle to the partition wall.
  • the transition areas between the lugs and the partition are rounded.
  • the Y-shaped shape of the partition in the edge region has the advantage that the lugs with the container walls facing them form abutments which can be welded by means of thin-gap technology. This allows the use of high strength relatively thin-walled steel sheet.
  • the wall thickness of the welded container is therefore not greater than the wall thickness of the known seamless cylindrical bottles.
  • a preferred embodiment is characterized in that the pressure vessels have a substantially cylindrical container wall with a circular segment-shaped cross-section and connect to the container wall on both sides substantially hemispherical ball bottoms.
  • pressure vessels are unequal length and / or have different cross-sections.
  • the outer shape of the container can thus be very variably adapted to the vehicle structure.
  • the partition is curved at least at one end so that the end portions of different lengths adjacent Pressure vessel are connectable. This makes it possible to connect the end region of the shorter pressure vessel with a non-aligned end of the adjacent pressure vessel while maintaining the structurally favorable membrane voltage level or membrane voltage state.
  • each pressure vessel is provided with a revision opening.
  • the inspection openings can be arranged on the front side of the spherical bottom in the form of pipe sockets. These can also be used to hold the container.
  • the inventive method for producing a container for storing gas under high pressure, in particular natural gas with at least two pressure vessels wherein at least one pressure vessel is provided with a nozzle for loading and unloading is characterized in that the pressure vessel is a cylindrical container wall having a circular segment Have cross-section, are welded to the both sides in a first step, ball floors. Subsequently, the container wall and the ball bottoms of adjacent pressure vessels via a common partition at approaches the partition wall, which form joints with the walls of the pressure vessel welded together by laser welding.
  • Fig. 1 shows a container consisting of three pressure vessels 1.
  • the container is made of high-strength sheet, namely of water-treated fine-grained steel.
  • the pressure vessel 1 each have a cylindrical container wall. 2 with a circular segment-shaped cross section.
  • the container wall 2 was cold rolled or pressed from the steel sheet. It is also possible to cut out the container wall 2 from a tube.
  • At the container wall 2 close to the front side substantially semi-circular spherical floors 3, which also consist of high-strength cold-pressed steel sheet.
  • a ball bottom 3 has a nozzle 4 for loading and unloading.
  • the container wall 2 is welded to the ball bottoms 3, preferably by means of thin-gap technology, in particular laser welding.
  • a flat partition 5 Between two pressure vessels 1 is a flat partition 5. In the embodiment, this is designed web-like.
  • the partition 5 is also made of sheet steel.
  • approaches 7 are formed circumferentially on both sides. The cut surface of the dividing wall is thus ypsilon-shaped in the region of the edge. ( FIG. 3 and FIG. 4 ).
  • the lugs 7 diverge circumferentially so obliquely outwards that the lugs with the walls of the pressure vessel 1 to form joints.
  • the transition areas are rounded inwards.
  • the lugs 7 are preferably produced by cold compression.
  • the lugs 7 extend at an angle to the partition, wherein in each case the angle of the two approaches can be different in size and are chosen so that the lugs 7 with the walls of the pressure vessel 1 abut each other.
  • the lugs 7 on the edge of the partition 5 it is possible to weld the individual parts by means of thin-gap technology.
  • the edges of the parts to be joined are melted by means of a laser beam and bonded cohesively.
  • This technique is particularly suitable for welding high-strength materials with thin wall thicknesses. The heat input into the material is low, so that hardly any welding distortion occurs.
  • a large-volume weld in which relatively large amounts of foreign material must be introduced, avoided.
  • Each partition 5 has a passage opening 6, so that a pressure equalization between the pressure vessels 1 is formed during filling.
  • Fig. 5 a container with two equal-length pressure vessels 1 and a shorter pressure vessel 1a is shown.
  • the partition 5a between the pressure vessel 1 and the shorter pressure vessel 1a is in Fig. 6 shown.
  • the ends of the partition 5a are, like a ski tip, simply curved.
  • Each pressure vessel is provided with an inspection opening, not shown.
  • the pressure vessel 1 may have a different cross-sectional shape.
  • the pressure vessel 1 may have a different sized cross-section.
  • the partition wall 5 may have a plurality of passage openings 6, so that a grid construction is formed.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Behälter zum Speichern von Gas unter hohem Druck, insbesondere von Erdgas, mit mindestens zwei Druckbehältern, die zu einer Baueinheit verbunden sind, wobei mindestens ein Druckbehälter einen Stutzen zum Be- und Entladen aufweist.
  • Derartige Behälter werden insbesondere in erdgasbetriebenen Fahrzeugen eingesetzt. Der Betriebsdruck der Behälter ist mit etwa 200 bar sehr hoch, so dass die Behälter aus hochdruckfestem Material, insbesondere Metall bestehen müssen.
  • Aus der Praxis ist die Verwendung von zylinderförmigen Flaschen aus Stahl bekannt. Je nach Menge des zu speichernden Gases werden mehrere Flaschen eingesetzt, die jeweils einen Stutzen bzw. Ventilansatz zum Be- und Entladen aufweisen. Der Platzbedarf derartiger Flaschenbündel ist relativ hoch. Es sind auch formveränderliche Druckbehälter aus Kunststoff bekannt. Mehrere Druckbehälter werden nebeneinander angeordnet und mittels einer gemeinsamen Umhüllung derart zusammen gehalten, dass ein kleineres Packmaß vorliegt als bei einzelnen zylindrischen Flaschen.
  • Obwohl die Druckbehälter in Form von zylindrischen Flaschen zu einer Baueinheit verbunden sind, handelt es sich jeweils um hydraulisch unabhängige Einzelbehälter. Jeder einzelne Druckbehälter benötigt dementsprechend einen Stutzen bzw. Ventilanschluss zum Be- oder Entladen. Die Ventilanschlüsse verursachen zusätzlichen Aufwand und sind ungünstig für eine optimale Raumausnutzung.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Behälter zu schaffen, der einerseits die notwendige Festigkeit zum Speichern von Gas unter hohem Druck aufweist und der andererseits eine bessere Raumausnutzung in Pkws ermöglicht.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 0 895 017 A1 , welche als nächstliegender Stand der Technik anzusehen ist, zeigt einen Gasbehälter mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
  • Die Aufgabe wird durch einen Behälter mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Beliebig viele Druckbehälter können miteinander zu einem einstückigen Behälter verbunden werden. Die Trennwand bewährleistet, dass der Behälter unter dem Einfluss des hohen Druckes von etwa 200 bar formstabil bleibt. Über die Durchtrittsöffnung in der Trennwand findet ein Druckausgleich zwischen den Druckbehältern statt. Die Trennwand unterliegt keiner Biegebelastung, da sie beidseitig durch den gleichen Innendruck belastet ist. Es entsteht somit ein Behälter mit einer wabenartigen Struktur, die eine gute Raumausnutzung ermöglicht. Der Stutzen zum Be-und Entladen kann an einer Stelle angeordnet werden, die im Hinblick auf die Raumausnutzung günstig ist.
  • Der Behälter zeichnet sich auch dadurch aus, dass prinzipiell kein höheres Membranspannungsniveau vorliegt als bei den bekannten zylindrischen Druckbehältern, d. h. der Behälter ist unter Innendruckbelastung im wesentlichen frei von Biegemomenten. Damit werden hohe Belastungen vermieden und der Behälter kann gewichtsoptimiert gebaut werden.
  • Die Trennwand ist im Wesentlichen eben ausgebildet und weist an ihrem Rand beidseitig Ansätze auf, die in einem Winkel zur Trennwand verlaufen. Die Übergangsbereiche zwischen den Ansätzen und der Trennwand sind abgerundet. Durch eine entsprechende Wahl der Radien kann an den Übergangsstellen das Membranspannungsniveau positiv beeinflusst bzw. entsprechend eingestellt werden.
  • Die Y-förmige Formgebung der Trennwand im Randbereich hat den Vorteil, dass die Ansätze mit den ihnen zugewandten Behälterwänden Stossstellen bilden, die mittels Dünnspalttechnik verschweißt werden können. Dies ermöglicht die Verwendung von hochfestem relativ dünnwandigem Stahlblech. Die Wanddicke des geschweißten Behälters ist daher nicht größer als die Wanddicke der bekannten nahtlosen zylinderförmigen Flaschen.
  • Herstellungstechnisch ist es besonders vorteilhaft, den Rand der Trennwand mittels einer Stauchung, vorzugsweise einer Kaltstauchung, zu beidseitigen Ansätzen zu verformen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter eine im Wesentlichen zylinderförmige Behälterwand mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen und dass sich an die Behälterwand beidseitig im Wesentlichen halbkugelförmige Kugelböden anschließen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, die Druckbehälter ungleich lang sind und/oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Die äußere Form des Behälters kann somit sehr variabel an die Fahrzeugstruktur angepasst werden.
  • Bei ungleich langen Druckbehältern ist die Trennwand wenigstens an einem Ende derart gekrümmt, dass die Endbereiche unterschiedlich langer benachbarter Druckbehälter verbindbar sind. Dadurch wird es möglich, den Endbereichs des kürzeren Druckbehälters mit einem nicht fluchtenden Ende des benachbarten Druckbehälters unter Einhaltung des strukturmechanisch günstigen Membranspannungsniveaus, bzw. Membranspannungszustandes, zu verbinden.
  • Vorzugsweise ist jeder Druckbehälter mit einem Revisionsöffnung versehen. Damit besteht die Möglichkeit, die Trennwand im Rahmen von regelmäßigen Inspektionen zu überprüfen. Die Revisionsöffnungen können stirnseitig am Kugelboden in Form von Rohrstutzen angeordnet sein. Diese können auch zur Halterung des Behälters genutzt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Behälters zum Speichern von Gas unter hohem Druck, insbesondere von Erdgas mit mindestens zwei Druckbehältern wobei mindestens ein Druckbehälter mit einem Stutzen zum Be- und Entladen versehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter eine zylinderförmige Behälterwand mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen, an die in einem ersten Schritt beidseitig Kugelböden angeschweißt werden. Anschließend werden die Behälterwand und die Kugelböden von benachbarten Druckbehältern über eine gemeinsame Trennwand an Ansätzen der Trennwand, die mit den Wänden der Druckbehälter Stoßstellen bilden mittels Laserschweißen miteinander verschweißt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Behälters im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
  • Die Zeichnung zeigt in:
    • Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemäßen Behälter;
    • Fig. 2 in perspektivischer Ansicht einen aufgeschnittenen Druckbehälter;
    • Fig. 3 in perspektivischer Ansicht eine Trennwand;
    • Fig. 4 eine Detaildarstellung der Schnittfläche der Trennwand;
    • Fig. 5 in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters;
    • Fig. 6 eine Sicht auf die Trennwand des Behälters nach Fig. 5.
  • Fig. 1 zeigt einen Behälter, der aus drei Druckbehältern 1 besteht. Der Behälter besteht aus hochfestem Blech und zwar aus wasservergütetem Feinkornstahl. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, weisen die Druckbehälter 1 jeweils eine zylinderförmige Behälterwand 2 mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt auf. Die Behälterwand 2 wurde kalt aus dem Stahlblech gewalzt oder gepresst. Es ist auch möglich, die Behälterwand 2 aus einem Rohr auszuschneiden. An die Behälterwand 2 schließen sich stirnseitig im wesentlichen halbkreisförmige Kugelböden 3 an, die ebenfalls aus hochfestem kalt gepresstem Stahlblech bestehen. Ein Kugelboden 3 weist einen Stutzen 4 zum Be- und Entladen auf. Die Behälterwand 2 wird mit den Kugelböden 3 verschweißt, vorzugsweise mittels Dünnspalttechnik, insbesondere Laserschweißen.
  • Zwischen zwei Druckbehältern 1 befindet sich eine ebene Trennwand 5. Beim Ausführungsbeispiel ist diese stegartig ausgeführt. Die Trennwand 5 besteht ebenfalls aus Stahlblech. Am Rand der Trennwand sind umlaufend beidseitig Ansätze 7 ausgebildet. Die Schnittfläche der Trennwand ist im Bereich des Randes somit ypsilonförmig. (Fig. 3 und Fig. 4). Von der stegartigen Trennwand ausgehend divergieren die Ansätze 7 umlaufend derart schräg nach außen, dass die Ansätze mit den Wänden der Druckbehälter 1 Stoßstellen zu bilden. Die Übergangsbereiche sind nach innen gerundet. Die Ansätze 7 werden vorzugsweise durch eine Kaltstauchung hergestellt.
  • Die Ansätze 7 verlaufen in einem Winkel zur Trennwand, wobei jeweils die Winkel der beiden Ansätze unterschiedlich groß sein können und so gewählt werden, dass die Ansätze 7 mit den Wänden der Druckbehälter 1 aneinander stoßen. Durch die Ansätze 7 am Rand der Trennwand 5 wird es möglich, die einzelnen Teile mittels Dünnspalttechnik zu verschweißen. Hierbei werden mittels eines Laserstrahls die Ränder der zu verbindenden Teile aufgeschmolzen und stoffschlüssig verbunden. Diese Technik ist besonders geeignet zum Verschweißen von hochfesten Werkstoffen mit dünnen Wandstärken. Die Wärmeeinbringung in das Material ist gering, so dass kaum ein Schweißverzug entsteht. Außerdem wird eine großvolumige Schweißnaht, bei der relativ große Mengen an Fremdmaterial eingebracht werden muss, vermieden.
  • Jede Trennwand 5 weist eine Durchtrittsöffnung 6 auf, so dass beim Befüllen ein Druckausgleich zwischen den Druckbehältern 1 entsteht.
  • In Fig. 5 ist ein Behälter mit zwei gleich langen Druckbehältern 1 und einem kürzeren Druckbehälter 1a dargestellt. Die Trennwand 5a zwischen dem Druckbehälter 1 und dem kürzeren Druckbehälter 1a ist in Fig. 6 dargestellt. Die Enden der Trennwand 5a sind, ähnlich einer Skispitze, einfach gekrümmt. Jeder Druckbehälter ist mit einer nicht dargestellten Revisionsöffnung versehen.
  • Im Rahmen der Erfindung sind ohne Weiteres Abwandlungen möglich. So können die Druckbehälter 1 eine andere Querschnittsform aufweisen. Die Druckbehälter 1 können einen unterschiedlich großen Querschnitt aufweisen. Die Trennwand kann 5 eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 6 aufweisen, so dass eine Gitterkonstruktion entsteht.

Claims (8)

  1. Behälter zum Speichern von Gas unter hohem Druck, insbesondere von Erdgas, mit mindestens zwei Druckbehältern (1), wobei mindestens ein Druckbehälter (1) mit mindestens einem Stutzen (4) zum Be- und Entladen versehen ist, wobei die Druckbehälter (1) über eine gemeinsame Trennwand (5) miteinander verschweißt sind, und wobei die Trennwand (5) mindestens eine Durchtrittsöffnung (6) für das Gas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (5) an ihrem Rand beidseitig Ansätze (7) aufweist, die in einem Winkel zur Trennwand (5) verlaufen, wobei die Ansätze mit den Wänden (2) der Druckbehälter (1) Stoßstellen bilden.
  2. Behälter nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet; dass die Trennwand (5) im Wesentlichen eben ausgebildet ist.
  3. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter (1) eine im Wesentlichen zylinderförmige Behälterwand (2) mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen und dass sich an die Behälterwand (2) beidseitig im Wesentlichen halbkreisförmige Kugelböden (3) anschließen.
  4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter (1) unterschiedlich lang sind und unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
  5. Behälter nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet; dass die Trennwand (5) wenigstens an einem Ende derart gekrümmt ist, dass die Endbereiche unterschiedlich langer benachbarter Druckbehälter verbindbar sind.
  6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter (1) unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
  7. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass jeder Druckbehälter (1) mit einer Revisionsöffnung versehen ist.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Behälters zum Speichern von Gas unter hohem Druck mit mindestens zwei Druckbehältern (1), wobei mindestens ein Druckbehälter (1) mit einem Stutzen zum Be- und Entladen (4) versehen ist, wobei die Druckbehälter (1) eine zylinderförmige Behälterwand (2) mit einem kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen, an die beidseitig Kugelböden (3) angeschweißt werden und dass anschließend die Behälterwand (2) und die Kugelböden (3) von benachbarten Druckbehältern über eine gemeinsame Trennwand (5), die an ihrem Rand beidseitig Ansätze (7) aufweist, die in einem Winkel zur Trennwand (5) verlaufen und mit den Wänden (2) der Druckbehälter (1) Stoßstellen bilden, an den Ansätzen (7) der Trennwand mittels Laserschweißen miteinander verschweißt werden.
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