JP7037668B2 - 可溶式安全装置、ガス容器、および、可溶式安全装置を組み立ててこれをガス容器内に設置するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、装置に関する独立請求項に記載の、ガス容器の貫通穴内に設置するための可溶式安全装置に関するものである。本発明は、さらに、ガス容器からガスを緊急排出するための貫通穴と、該貫通穴内に設置される可溶式安全装置とを備えた、装置に関する他の独立請求項に記載のガス容器に関する。さらに、本発明は、方法に関する独立請求項に記載の、可溶式安全装置を組み立ててこれをガス容器の貫通穴内に設置するための方法に関する。

高圧水素容器のようなガス容器を安全に作動させることができるようにするには、種々の環境因子に対し複数の安全処置を講じなければならない。たとえば、燃料電池車両のための高圧水素容器に対しては、火災時に水素容器の過熱によって水素容器が破裂に至る前に水素を排出させる装置が必要になる。これによって比較的大量の水素の急激な燃焼を阻止するためである。ガス供給技術においては、いわゆる熱起動式遮断装置が一般的であるが、しかしこれは全くの逆効果を生じさせる。というのは、温度が過度に上昇する事態で熱起動式遮断装置は開くのではなく、閉じるからである。市場で入手可能な他の解決手段は消火設備のスプリンクラーヘッドの原理にしたがって機能し、すなわちガラスアンプルが熱の誘導で破裂することによって弁が開く。火災の事態に相当する温度限界値を越えた場合に、タンク内に含まれている水素が水素容器の破裂に至る前に一定の条件の下で流出できるようにするためである。この従来技術の欠点としては、複雑な構造と、機械的感度と、構成サイズとが見られる。

さらに、特許文献１から、ガス圧によって負荷される容器のための安全装置がさらに読み取れる。この安全装置は、容器のガス側と容器の外側との間に貫通路を形成するために容器の圧力室に取り付け可能な接続機構を有し、この場合さらに、温度の影響のもとに貫通路による流動経路の開放を可能にする状態へ移行可能な、通常は貫通路を遮断している手段が設けられている。貫通路を遮断している手段は、特許文献１によれば、融点が周囲の容器壁の融点よりも低いように合金が選定されている蝋材であってよく、その結果温度が過度に高くなった場合に蝋材が溶融して貫通路を開放することで、容器内での減圧を可能にしている。しかしながら、容器内の作動温度が蝋材の溶融温度に接近すると、作動によって生じる蝋材内部の引張り応力または剪断応力に起因して、長時間にわたる塑性変形またはクリープによって非密封および／または固い蝋材の抜け落ちが生じることがある。

独国特許出願公開第１０２０１００１１８７８Ａ１号明細書

上述した問題性を考慮するため、装置に関する独立請求項に記載の可溶式安全装置、装置に関する他の独立請求項に記載のガス容器、および、方法に関する独立請求項に記載の、可溶式安全装置を組み立てて、ガス容器の貫通穴内に設置するための方法を本発明の範囲内で説明する。本発明の更なる有利な実施態様は以下の説明、従属項および図から明らかである。なお、可溶式安全装置と関連して説明されている構成要件および詳細は、本発明によるガス容器、本発明による方法との関連においても適用されることは言うまでもなく、また、それぞれその逆も然りであり、その結果本発明の個々の観点に対する開示事項に関しては、常に相互に関連しており、または、関連させてよい。

本発明の第１の観点によれば、ガス容器の貫通穴内に設置するための可溶式安全装置が提供される。可溶式安全装置は、引張り棒と、ガスをガス容器からこのガス容器の周囲に案内するための少なくとも１つの流体案内通路を備えたガイドスリーブと、可溶外筒とを有する。ガイドスリーブは少なくとも部分的に引張り棒のまわりにリング状に構成されている。可溶外筒はガイドスリーブを少なくとも部分的にカバー状に取り囲んでいる。引張り棒は、ガス容器内に設置された状態でガス容器から離間する方向に先細りになっている先細り部分を有している。ガイドスリーブは少なくとも１つの予定破断部分を有し、予定破断部分は貫通穴内への可溶式安全装置の設置の際に可溶材を少なくとも１つの流体案内通路内へ取り込むために破断し、これによって可溶外筒の可溶材は少なくとも１つの流体案内通路を流れるガス流をブロックするために少なくとも部分的に少なくとも１つの流体案内通路内へ侵入できる。引張り棒とガイドスリーブとは可溶材または可溶外筒よりも高い強度および／または耐温性を有している。

本発明による可溶式安全装置を使用すると、たとえばねじのような通常の固定手段を設けずに済む。可溶式安全装置はガス容器の貫通穴の中に簡単にスライドさせて、そこで引張り棒を用いて補強することができる。この補強或いはガイドスリーブ内への引張り棒の圧入または引き込みにより、少なくとも１つの予定破断部分を破断させることができ、可溶外筒から出る可溶材は少なくとも１つの流体案内通路内へ侵入してこれを密封することができる。より正確に言えば、これによってガス容器の周囲に対してガス容器の内部容積部を密封することができる。たとえばねじのような通常の固定手段を設けずに済むことにより、可溶式安全装置は貫通穴を特に流体漏れがないように密閉することができる。さらに、提案された解決手段はコスト上比較的好ましいシステムを具現する。また、本可溶式安全装置は従来の可溶式安全装置に比べて特に軽量である。

ガス容器とは、好ましくは水素タンク、特に燃料電池車両またはこれに匹敵する適用例のための水素高圧タンクであると理解すべきである。すなわち、可溶式安全装置は特に水素タンクの貫通穴内へ設置するために構成されている。水素タンクの場合、密封性は重要な意味を持っている。たとえばねじのように水素タンクの外被面を貫通するような固定要素はできるだけ設けないようにすべきである。本発明により、これは少なくとも水素タンクから緊急にガスを排出させるための貫通穴の領域で保証することができる。

少なくとも１つの流体案内通路内に、可溶式安全装置を貫通穴内に設置する前に、すでに少なくとも部分的に可溶材が設けられていれば、更なる利点がある。これにより、可溶式安全装置を設置している間の、可溶外筒から少なくとも１つの流体案内通路内への可溶材の侵入はより少なくなるはずである。したがって、可溶式安全装置を貫通穴内に設置している間にガス容器を密封するための密封機能を特に簡単に且つ確実に得ることができる。さらに、複数の貫通穴内にそれぞれ少なくとも部分的に可溶材が挿入されていることが可能である。

可溶式安全装置および／または引張り棒は、それぞれ有利には回転対称な、または、実質的に回転対称な基本形状を有している。これにより、可溶式安全装置は特に簡単に貫通穴内に挿着可能である。引張り棒の回転対称な、または、実質的に回転対称な構成により、引張り棒を可溶式安全装置を貫通穴の中に設置している間に対応的に簡単にガイドスリーブ内に取り付けることができる。うっかりした、または軽率な設置ミスは、回転対称な構成によって十分阻止することができる。

比較的高い強度とは、特に比較的高い引張強度、比較的高い耐圧性、比較的高い圧縮強度、比較的高い曲げ強度、比較的高いねじり強さおよび／または比較的高い剪断強度の形態の比較的高い破壊強度であると理解すべきである。すなわち、引張り棒および／またはガイドスリーブの強度は対応的に比較的高い破壊強度を有し、特に可溶材またはこの可溶材を有している可溶式安全装置の一部分の少なくとも２倍の高さの破壊強度を有している。

耐温性または耐熱性とは、高温に対するそれぞれの材料および／または構成部材の耐性であると理解すべきである。比較的高い耐温性を持った材料および／または構成部材の場合、温度作用が高いとき、それぞれの温度依存特性は、耐温性がより低い材料および／または構成部材の場合よりも緩速に変化する。

可溶式安全装置の構成により、強度と密封との切り離しを簡単に得ることができる。これにより、（通常の可溶式安全装置とは異なり）長時間にわたる塑性変形またはクリープによってこのような可溶式安全装置の非密封または抜け落ちに至ることのある比較的大きな引張応力または剪断応力が可溶材内に発生しない。これにより、高い圧力に対して、および／または、予め決定された温度限界値付近の高い作動温度に対して、可溶式安全装置を使用することができる。予め決定された温度限界値を越えた場合、可溶外筒の可溶材と、少なくとも１つの流体案内通路内にある可溶材とが溶け、よってガス容器からガス容器の周囲へ至るガスのための経路を開放する。

本発明の更なる実施態様によれば、可溶式安全装置において、可溶材が１００℃と１６０℃の間または２００℃と３００℃の間の融点を有していることが可能である。本発明の範囲内での広範囲な実験では、この種の可溶材を備えた可溶式安全装置は特に確実に作動させることができることが明らかになった。

さらに、本発明による可溶式安全装置では、可溶材が少なくとも実質的に金属を有し、特にインジウム、すず、ビスマスおよび／またはこれらの合金を有していることが考えられる。これらの材料は、本発明の範囲内での実験において特に適していることが明らかになった。可溶材は、好ましくは完全に金属から成っている。可溶材の少なくとも大部分が共融合金を有しているならば、特にインジウム・すずまたはビスマス・すずを有しているならば、有利な場合がある。さらに、可溶材の少なくとも大部分が調和溶融合金を有しているならば、特にインジウム・ビスマスを有しているならば、有利な場合がある。きわめて意外なことに、本発明の範囲内での広範囲な実験では、可溶材がプラスチックも有していてよいこと、しかも少なくとも大部分がプラスチックから成っていてよいことが明らかになった。プラスチックを使用する場合、重量および加工に関する利点を得ることができる。

さらに、本発明による可溶式安全装置では、ガス容器内に組付けた状態で、可溶式安全装置がガス容器の貫通穴内で密封栓を形成していることが可能である。したがって、可溶式安全装置は好ましくは貫通穴内へ圧入するための栓形状またはプラグ形状を有している。よって、可溶式安全装置は特にこの種のカバー状密封手段とは異なっている。栓形状またはプラグ形状は、ガス容器の貫通穴内への特に容易な設置のために用いる。

さらに、本発明による可溶式安全装置では、引張り棒および／またはガイドスリーブが、金属から成り、または、実質的に金属から成っていることが考えられる。これにより、引張り棒および／またはガイドスリーブを、コスト上比較的好ましい態様で所望の耐温性および／または強度を備えて提供することができる。引張り棒および／またはガイドスリーブはたとえば鋼から成っていてよい。

さらに、本発明による可溶式安全装置では、引張り棒が、ガス容器の貫通穴内への可溶式安全装置の設置のため、破壊することなくガイドスリーブに対し相対的に変位可能であるようにガイドスリーブ内に位置決めされているよう構成されていてよい。これは、上述の、ガス容器の貫通穴内への可溶式安全装置の簡単な設置を可能にする。引張り棒は、特にガイドスリーブを破壊または損傷させずに変位可能であるようにガイドスリーブ内に位置決めまたは支持されている。これはもちろん、特に可溶式安全装置がまだ貫通穴内に組付けされていない時点に該当するものである。

本発明の他の観点によれば、ガス容器からの緊急ガス排出のための貫通穴を備えたガス容器が提供される。このガス容器は前述したような可溶式安全装置を有し、可溶式安全装置は、ガス容器からのガスの排出をコントロールするために貫通穴内に配置されている。これによって、本発明によるガス容器は、本発明による可溶式安全装置に関して詳述した利点と同じ利点をもたらす。ガス容器は好ましくは水素タンクの形態で、特に自動車用水素高圧タンクの形態で構成されている。ガス容器の貫通穴は、少なくとも部分的に、ガス容器の内部容積部からガス容器の周囲の方向に先細りになっている、特に引張り棒の先細り部分に対応して先細りになっている先細り部分を有している。これも、目的とする前述の強度と密封との切り離しにつながる。本ガス容器では、可溶式安全装置は貫通穴内に圧入して配置されている。

また、本発明では、ガイドスリーブが、貫通穴内において、少なくとも部分的に引張り棒と可溶外筒との間の先細り部分の領域にサンドイッチ状に圧入されていることが考えられる。これは可溶式安全装置のコンパクト性に有益である。さらに、これにより引張り棒と可溶外筒との間でガイドスリーブの省スペースで、同時により確実な着座を可能にすることができる。

さらに、本発明によるガス容器においては、引張り棒の最大径が貫通穴の内径よりも小さいことが可能である。これによって、引張り棒を含めた可溶式安全装置のすべての部分を、貫通穴内への可溶式安全装置の設置のために、ガス容器またはガス容器の内部容積部の外側から貫通穴を通ってガス容器の内部容積部の方向へ案内し得ることが可能である。これは、ガス容器内への、または、その貫通穴内への可溶式安全装置の特に容易な設置を可能にする。

本発明の他の観点によれば、前述した可溶式安全装置を組み立てて、これをガス容器の貫通穴内に設置するための方法が提供される。この方法は、以下のステップを有している。すなわち、
－ガイドスリーブを準備するステップと、
－前記ガイドスリーブを可溶外筒で被覆するステップと、
－引張り棒を少なくとも部分的に前記ガイドスリーブ内へ挿入するステップと、
－前記引張り棒と前記ガイドスリーブと前記可溶外筒とを備えた構成部材複合体を前記貫通穴内へ挿入するステップと、そして前記構成部材複合体が前記貫通穴内にある時に、
－前記引張り棒を先細り部分の先細り方向に変位させることによって少なくとも１つの予定破断部分を破断させるために前記引張り棒を前記ガイドスリーブ内へ圧入するステップと、
を有する。

これにより、本発明による方法も上に詳述した利点と同じ利点をもたらす。本方法の範囲内では、すべての構成部材をガス容器の外側から貫通穴を通じて挿入可能である。これは、ガス容器の貫通穴内への可溶式安全装置の特に容易な設置を可能にする。可溶式安全装置を貫通穴内に設置するため、まずガイドスリーブの周囲を、可溶外筒を可溶材で構成するために鋳造し、続いて引張り棒をガイドスリーブに貫通させ、その後この構成部材複合体を少なくとも部分的に貫通穴内で位置決めし、次に引張り棒を引っ張ることで、可溶式安全装置を貫通穴内に圧入する。次に、引張り棒の、ガス容器の外側に突出している端部は、切り離すことができる。

本発明を改善する更なる手段は、図に概略的に図示されている本発明のいくつかの実施形態に対する以下の説明から明らかである。請求の範囲、以下の説明または図から明らかになる、構造的詳細および空間的配置を含むすべての構成要件および／または利点は、それ自体にとっても、種々のコンビネーションにおいても発明にとって重要でありうる。

本発明による可溶式安全装置を第１の設置状態で示す断面図である。 図１に図示した可溶式安全装置の他の断面図である。 図１に図示した可溶式安全装置を第２の設置状態で示す断面図である。

同一の機能および作動方式を備えた要素には、図１ないし図３においてそれぞれ同じ参照符号が付してある。

図１には、ガス容器１０００から緊急にガスを排出させるための貫通穴４を備えた水素高圧タンクの形態のガス容器１０００が概略的に図示されている。貫通穴内には、ガス容器１０００からのガスの排出をコントロールするための可溶式安全装置１００が位置決めされている。可溶式安全装置１００は、図１によれば、ガス容器１０００の貫通穴４内で密閉栓を形成している。

可溶式安全装置１００は、引張り棒１と、ガスをガス容器１０００から該ガス容器１０００の周囲へ案内するための複数の流体案内通路２ａを備えたガイドスリーブ２と、可溶外筒３とを有している。ガイドスリーブ２は引張り棒１のまわりにリング状に構成され、可溶外筒３はガイドスリーブ２をカバー状に取り囲んでいる。引張り棒１は、ガス容器１０００から離間する方向またはガス容器１０００の周囲６の方向に先細りになっている先細り部分１ａを有している。ガイドスリーブ２は特に図２に図示した予定破断部分２ｂを有し、予定破断部分は、貫通穴４内への可溶式安全装置１００の設置の際に、可溶材３ａを流体案内通路２ａ内へ取り込むために破断し、これによって可溶外筒３の可溶材３ａは、流体案内通路２ａを流れるガス流をブロックするために流体案内通路２ａ内へ侵入することができる。引張り棒１とガイドスリーブ２とは、それぞれ、可溶材３ａまたは可溶材３ａを備えた可溶式安全装置１００の構成部材一部分よりも高い強度および耐温性を有している。

可溶材３ａは、実質的に、ほぼ１２０℃の融点を持つインジウム・すず化合物として構成されている。引張り棒１とガイドスリーブ２とは、それぞれ金属から成っている。図１で認められるように、引張り棒１は、可溶式安全装置１００をガス容器１０００の貫通穴４のなかに設置するため、破壊することなくガイドスリーブ２に対し相対的に変位可能であるようにガイドスリーブ２内に位置決めされている。さらに、図１には、ガイドスリーブ２が貫通穴４内にして先細り部分１ａの領域において引張り棒１と可溶外筒３との間にサンドイッチ状に圧入されていることが示されている。引張り棒１の最大径は、貫通穴４の内径よりも小さい。

図３に図示したようなガス容器１０００の場合、ガス容器１０００のガス圧によって生じる力は、可溶式安全装置１００の領域において該可溶式安全装置からガス容器１０００の壁へ伝達させることができる。これは、前述した強度と密封との望ましい切り離しにつながる。これによって、長時間にわたる塑性変形により可溶式安全装置内での非密封性または可溶式安全装置の抜け落ちに至ることがある、可溶材内の比較的大きな引張り応力または剪断応力を阻止することができる。

次に、図１および図３を参照して、可溶式安全装置１００を組み立ててガス容器１０００の貫通穴４内に設置するための方法を説明する。本方法の範囲内では、まずガイドスリーブ２を準備する。次に、可溶外筒３を形成するため、可溶材３ａをガイドスリーブ２の上に取り付ける。その後、引張り棒１の細い端部をガイドスリーブ２に挿入する。その後、引張り棒１とガイドスリーブ２と可溶外筒３とから成る構成部材複合体を、図１に示したようにガス容器１０００の周囲６からガス容器１０００の内部容積部５の方向において貫通穴４内へ挿入する。この構成部材複合体が貫通穴４内にあれば、ただちに引張り棒１を周囲６の方向または先細り部分１ａの先細り方向に、すなわち図では右側へ変位させまたは引張り、これによってガイドスリーブ２内に圧入する。これにより、図２に図示した予定破断部分２ｂが破断し、可溶外筒３内および／またはガイドスリーブ２内の可溶材３ａは、流体案内通路２ａが流体を密封して閉じられるように該流体案内通路内に侵入することができる。すなわちこのステップにより、ガス容器１０００は貫通穴４の領域において周囲６に対し密封される。この場合、外側から、すなわち周囲６において、逆圧がガイドスリーブ２と可溶外筒３とにもたらされ、その結果これらは貫通穴４内の望ましい位置での位置決めが維持される。最後に、引張り棒１の突出している先端を切り離すことができる。

本発明は、図示した実施形態以外に更なる構成原理が可能である。それ故、本発明は図に図示した実施形態に限定して考察されるべきでない。

１ 引張り棒
１ａ 引張り棒の先細り部分
２ ガイドスリーブ
２ａ ガイドスリーブの流体案内通路
２ｂ ガイドスリーブの予定破断部分
３ 可溶外筒
３ａ 可溶外筒の可溶材
４ 貫通穴
１００ 可溶式安全装置
１０００ ガス容器

Claims (9)

1. 引張り棒（１）と、ガスをガス容器（１０００）からこのガス容器（１０００）の周囲に案内するための少なくとも１つの流体案内通路（２ａ）を備えたガイドスリーブ（２）と、可溶外筒（３）とを有する、前記ガス容器（１０００）の貫通穴（４）内に設置するための可溶式安全装置（１００）において、前記ガイドスリーブ（２）が少なくとも部分的に前記引張り棒（１）のまわりにリング状に構成され、前記可溶外筒（３）が前記ガイドスリーブ（２）を少なくとも部分的にカバー状に取り囲み、前記引張り棒（１）が、前記ガス容器（１０００）内に設置された状態で前記ガス容器（１０００）から離間する方向に先細りになっている先細り部分（１ａ）を有し、前記ガイドスリーブ（２）が少なくとも１つの予定破断部分（２ｂ）を有し、前記予定破断部分が前記貫通穴（４）内への前記可溶式安全装置（１００）の設置の際に可溶材（３ａ）を前記少なくとも１つの流体案内通路（２ａ）内へ取り込むために破断し、これによって前記可溶外筒（３）の可溶材（３ａ）が前記少なくとも１つの流体案内通路（２ａ）を流れるガス流をブロックするために少なくとも部分的に前記少なくとも１つの流体案内通路（２ａ）内へ侵入でき、前記引張り棒（１）と前記ガイドスリーブ（２）とが前記可溶材（３ａ）よりも高い強度および／または耐温性を有している可溶式安全装置（１００）。
2. 前記可溶材（３ａ）が少なくとも金属を有し、前記金属は、インジウム、すず、ビスマスおよび／またはこれらの合金であることを特徴とする、請求項１に記載の可溶式安全装置（１００）。
3. 前記可溶式安全装置（１００）が、前記ガス容器（１０００）内に組付けられた状態で、前記ガス容器（１０００）の前記貫通穴（４）内で密封栓を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載の可溶式安全装置（１００）。
4. 前記引張り棒（１）および／または前記ガイドスリーブ（２）が、金属から成っていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載の可溶式安全装置（１００）。
5. 前記引張り棒（１）が、前記ガス容器（１０００）の前記貫通穴（４）内への前記可溶式安全装置（１００）の設置のため、破壊することなく前記ガイドスリーブ（２）に対し相対的に変位可能であるように前記ガイドスリーブ（２）内に位置決めされていることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載の可溶式安全装置（１００）。
6. ガス容器（１０００）から緊急ガス排出するための貫通穴（４）を備えた前記ガス容器（１０００）において、請求項１～５のいずれか一項に記載の可溶式安全装置（１００）を有し、前記可溶式安全装置が、前記ガス容器（１０００）からのガスの排出をコントロールするために前記貫通穴（４）内に配置されているガス容器（１０００）。
7. 前記ガイドスリーブ（２）が、前記貫通穴（４）内において、少なくとも部分的に前記引張り棒（１）と前記可溶外筒（３）との間の前記先細り部分（１ａ）の領域にサンドイッチ状に圧入されていることを特徴とする、請求項６に記載のガス容器（１０００）。
8. 前記引張り棒（１）の最大径が前記貫通穴（４）の内径よりも小さいことを特徴とする、請求項６または７に記載のガス容器（１０００）。
9. 請求項１～５のいずれか一項に記載の可溶式安全装置（１００）を組み立てて、これを請求項６～８のいずれか一項に記載のガス容器（１０００）の貫通穴（４）内に設置するための方法において、
   －前記ガイドスリーブ（２）を準備するステップと、
   －前記ガイドスリーブ（２）を前記可溶外筒（３）で被覆するステップと、
   －前記引張り棒（１）を少なくとも部分的に前記ガイドスリーブ（２）内へ挿入するステップと、
   －前記引張り棒（１）と前記ガイドスリーブ（２）と前記可溶外筒（３）とを備えた構成部材複合体を前記貫通穴（４）内へ取り込むステップと、そして前記構成部材複合体が前記貫通穴（４）内にある時に、
   －前記引張り棒（１）を前記先細り部分（１ａ）の先細り方向に変位させることによって前記少なくとも１つの予定破断部分（２ｂ）を破断させるために前記引張り棒を前記ガイドスリーブ（２）内へ圧入するステップと、
   を有する方法。

Images