WO2022194320A1 - Endstück für ein drucktanksystem und drucktanksystem - Google Patents

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WO2022194320A1
WO2022194320A1 PCT/DE2022/100135 DE2022100135W WO2022194320A1 WO 2022194320 A1 WO2022194320 A1 WO 2022194320A1 DE 2022100135 W DE2022100135 W DE 2022100135W WO 2022194320 A1 WO2022194320 A1 WO 2022194320A1
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pressure
end piece
pipes
pressure system
end pieces
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PCT/DE2022/100135
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Ulf Breuer
Joachim Hausmann
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Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to an end piece for a pressure system, in which case at least two pressure pipes can be accommodated and/or fixed axially by the end piece, and to a pressure system.
  • pressure accumulators for example for hydrogen, natural gas or air
  • these pressure vessels must be cost-effective, light, temperature-resistant, durable and crash-resistant, and they must be able to be integrated into the surrounding structure of the means of transport by means of simple assembly.
  • a material recyclability that is as simple as possible is also advantageous.
  • manufacturing processes for pressure vessels with short cycle times are advantageous.
  • Non-cylindrical pressure vessels are usually not used for mass applications in the transport sector because their design would be disproportionately heavy and expensive due to the high stress on the material.
  • DE 102016208 376 A1 discloses a pressure vessel for storing fuel for a motor vehicle with at least one tube and two floors.
  • the pipe has a fiber-reinforced layer with reinforcing fibers oriented in the circumferential direction of the pipe.
  • a bottom is arranged at each end of the tube.
  • At least two tension pieces extend from one floor to the second floor.
  • the tension rods are designed to absorb axial forces caused by the internal pressure of the pressure vessel in the direction of the longitudinal axis of the pressure vessel.
  • the disadvantage is that the pressure vessels have to be connected to one another or to the respective drive with additional elements, such as hoses or valves.
  • EP 3346 179 A1 discloses a high-pressure vessel comprising a large number of housing parts which are arranged next to one another, each of the housing parts being cylindrical in shape and having an opening on at least one of its axially opposite end sections.
  • the high-pressure container also includes a cap configured to close the openings of the casings as a unit, and a communication channel provided inside the cap to communicate interiors of the casings with each other.
  • EP 2650 585 A1 describes a pressure accumulator arrangement with at least two pressure accumulators, the at least two pressure accumulators being fluidly connected to one another via a connecting device, the at least two pressure accumulators being fluidly connected to the connecting device at a first and at a second connecting section.
  • a device is known from WO 2021/023899 A1, which consists essentially of packed bundles of parallel tubes that serve as pressure vessels. Both ends of each tube are hermetically connected to collectors located near the tube ends.
  • DE 102 06502 C1 discloses a compressed gas tank system with at least two essentially identical gas containers, the gas containers having a base part and a withdrawal part and openings assigned to the withdrawal parts.
  • a shut-off valve is assigned to the removal parts, with the removal parts protruding with their openings into a connecting rail connecting the removal parts to one another.
  • the openings are connected to a gas duct running in the connecting rail, with the connecting rail being assigned a shut-off valve at a gas duct outlet and this forming the shut-off valve common to all gas containers.
  • the object of the present invention is to optimize printing systems.
  • the present invention is based in particular on the object of using the available space for pressure accumulators in means of transport with any cross-section using a cost-effective, lightweight, temperature-resistant, manufacturable in a short cycle time, easy to assemble, durable and crash-resistant fiber-plastic composite (FRP) construction good to use.
  • FRP fiber-plastic composite
  • the object is achieved with an end piece for a pressure system, in which at least two pressure pipes can be accommodated and/or fixed axially through the end piece, in that the at least two pressure pipes are connected by means of channels inside the end piece.
  • the tubes are received and fixed by end pieces.
  • the end pieces consist, for example, of discontinuous fibre-reinforced thermoplastic, optionally of short-fibre-reinforced injection molding or of long-fibre-reinforced compression moldings, optionally also locally reinforced with continuous fibers using taped inlays or overlays.
  • the end pieces can also be made of metal.
  • the end pieces have holes into which the thin tubes can be inserted with a precise fit.
  • the end pieces have integrated connections onto which the tubes can be fitted with a precise fit.
  • the end pieces have integrated spigots onto which the tubes are fitted and welded with a precise fit and/or can be glued.
  • the pins are advantageously such that they can yield sufficiently under internal pressure and rest against the pipes in order to achieve an additional sealing effect.
  • Inside at least one of the end pieces are cavities or channels, for example through a corresponding injection molding process or an alternative manufacturing process or through subsequently introduced bores, which can ensure pressure equalization of the tubes.
  • the end pieces can, for example, be produced individually or together in larger numbers, but can be separated by injection molding.
  • An advantageous design of the end pieces is also possible through additive manufacturing processes, both with plastic and with metal, because this allows large degrees of geometric freedom, especially with regard to the inner channels.
  • You can consist of thermoplastic material, which is preferably filled with reinforcing fibers.
  • connection between the end pieces and the pressure pipes is made by plugging, gluing or welding.
  • the end pieces can also be sprayed directly onto the ends of the pressure pipes.
  • a pressure-tight connection between the pressure pipes and the end pieces can be ensured, for example, using O-rings or, particularly in the case of (reinforced) thermoplastic versions of the end pieces, also using material connections such as welds. Additional hoses for connecting the pressure pipes can advantageously be saved by the end pieces.
  • the end piece has a connection valve.
  • a connection valve for filling and discharging the tank can also be integrated into the end piece; this can be made of metal.
  • the connecting valve is connected to the pressure pipes via the channels.
  • a preferred embodiment of the invention is that the channels have safety valves for shutting off one or more pressure pipes.
  • safety valves can be integrated into the connecting channels using the injection molding or extrusion process during its manufacture or also later, which are activated when a defined critical volume flow is exceeded shut off Alternatively, such valves can also be integrated at the ends of the pressure pipes. In this way, it can be achieved that in the event of a leak in one or more pipes, the intact pipes are sealed off, the medium located in them does not escape and the functionality of the pressure system as a whole is maintained.
  • the end piece consists of several individual modules with a polygonal, preferably square, particularly preferably hexagonal, cross section.
  • This configuration enables the production of tightly packed pressure pipe packings by form-fitting connection of the modules to form end pieces, with the polygonal modules dictating the shape of the pressure pipe packing.
  • square or hexagonal cross-section modules can be stacked one on top of the other to form pressure tube packings of corresponding shape.
  • the modules preferably have connecting pieces and corresponding connecting channels (three connecting pieces and three connecting channels in each case in a hexagonal module), so that by inserting the connecting piece of one module into a connecting channel of another module, the modules can be positively connected to one another to form end pieces.
  • the connecting pieces and connecting channels are preferably provided with corresponding sealing surfaces.
  • the modules can be cohesively connected to a pressure pipe.
  • the object is also achieved by a pressure system with a number of pressure pipes for receiving a gas with at least one end piece according to the invention.
  • a number of comparatively thin, standardizable FRP pipes each with the same diameter, preferably in the range from 5 to 50 mm, in particular from 10 to 20 mm, and the same length can be arranged in such a way that the available cross-section of a construction space is used as well as possible.
  • the pipes can be manufactured cost-effectively in the required length, for example from a continuous fiber-reinforced thermoplastic, using winding, braiding or extrusion processes.
  • the tubes can have fibers that are predominantly oriented in the circumferential direction. Pipes can be manufactured either with a metallic or plastic liner or without a liner.
  • the invention thus enables improved utilization of the installation space volume with a non-circular cross section provided for pressure accumulators compared to the prior art, as well as weight optimization.
  • the tubes can preferably be produced economically in a continuous process and cut to the right length for the application.
  • the use of pipes with a comparatively small wall thickness, preferably between 0.1 and 2 mm, in particular between 0.2 and 1 mm, increases the material utilization compared to the prior art, since with thick-walled FRP pipes there is regularly no uniform stress distribution over the thickness can be achieved.
  • the effort involved in connecting the tubular pressure vessel to the printing system of the means of transport is also minimized by connecting the tubes to one another during production of the integrated component without additional tubes or hoses.
  • This also increases reliability by reducing the number of safety-critical components.
  • By adjusting the number and arrangement of the tubes there is a high degree of geometric flexibility and scalability of pressure vessels based on a uniform technology.
  • a further embodiment of the invention is that the pressure system has foam around the pressure pipes.
  • the pipes provided with the end pieces can be pressed in a press using a metal upper and lower tool in short cycle times covered with thermoplastic foam.
  • the encapsulation comprises fastening means.
  • metal brackets made of FRP or plastic can be introduced for the later assembly of the pressure vessel in the means of transport.
  • the tubes can be axially reinforced with the help of additionally introduced, pultruded, unidirectional fiber-reinforced rods.
  • the pultruded rods then act as tie rods that absorb the axial forces because they are firmly connected to the end pieces.
  • tie rods are welded to the end pieces.
  • the material and the process temperature for the encapsulation can be selected in such a way that the pultruded rods are welded to the end pieces without the tubes becoming undesirably softened. This can be achieved, for example, by combining thermoplastics with different melting ranges.
  • the pultruded rods and/or the tubes can be made of fiber-reinforced polyamide 6, but in the near-surface areas of their ends they can be made of polyamide 12, and the end pieces and the foam can also be made of polyamide 12.
  • a further embodiment of the invention is that the tie rods are spread out conically at their ends.
  • the tie rods can be spread out conically at the ends in order to achieve a form fit with the end pieces.
  • a joint application of welding and spreading is also possible.
  • the ends of the tubes can be cylindrical or conical.
  • the conical design can support the material connection through a welding process.
  • a further embodiment of the invention is that the pressure pipes have a glass fiber reinforcement.
  • the tubes can also be reinforced with glass fiber instead of carbon fiber.
  • the deformations under pressure, which are greater than those of carbon fibers, are absorbed by the flexible foam coating.
  • glass fibers enable a more even stress distribution in the material as carbon fibers.
  • a preferred embodiment of the invention consists in the fact that the pressure pipes are arranged in a hexagonal manner and are introduced into the end pieces.
  • a preferred design can be implemented in such a way that the tubes are arranged in a hexagonal manner and are introduced into the end pieces.
  • a mechanically required number of pipes can be replaced at regular intervals by tie rods of the same diameter.
  • a particularly compact design of the printing system can thus advantageously be implemented with a high storage volume at the same time.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that the pressure system has a peripheral wrapping with reinforcing fibers to absorb the axial forces caused by the pressure inside the pressure pipe.
  • the axial forces during printing can be absorbed by wrapping the tubes and end pieces in the axial direction with endless fiber-reinforced tapes over the entire width instead of using tie rods.
  • the wrap can also be used in conjunction with tie rods.
  • the bending forces in the end pieces are advantageously minimized and the need to introduce forces into pultruded rods is avoided.
  • the available installation space is utilized even better due to the omission of the pultruded rods and the resulting space for additional pressure pipes.
  • the axial wrapping can take place, for example, before the foaming.
  • Fig. 1 shows a cross section of one known from the prior art
  • FIG. 2 shows a cross section of a printing system according to the invention
  • 3 shows a cross section of an end piece according to the invention
  • FIG. 5 shows a cross section of another end piece according to the invention with integrated pins
  • FIG. 6 is a perspective view of another embodiment of the present invention.
  • Fig. 7 shows a cross section of the printing system from Fig. 5,
  • FIG. 8 is a perspective view of another embodiment of the present invention.
  • 10a to 10d show an exemplary assembly sequence for producing a pressure tank system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a printing system known from the prior art.
  • the pressure system consists of cylindrical pressure pipes 3 which are arranged in parallel in a construction space 9 .
  • a gas can be stored in the pressure pipes 3 .
  • the pressure pipes 3 have different diameters in order to create the largest possible storage volume in the installation space 9 .
  • the arrangement of the pressure pipes creates spaces in the construction space 9 that cannot be used to store gas.
  • the pressure system 2 has a number of pressure pipes 3 .
  • the pressure pipes 3 are comparatively thin FRP pipes that can be standardized, each having the same diameter, preferably in the range from 5 to 50 mm, in particular from 10 to 20 mm, and the same length. They are arranged in such a way that the available cross-section of an installation space is used as well as possible.
  • the pressure pipes 3 have end pieces 1 at both of their ends.
  • FIG. 3 shows a section of the cross section of an embodiment of the end pieces 1 according to the invention.
  • the end piece 1 has holes in which the pressure pipes 3 are added and fixed axially.
  • the pressure pipes 3 are sealed by seals 7 inside the bores.
  • the pressure pipes 3 are connected to one another by channels 4 .
  • the pressure system 2 can be filled and emptied through a connection valve 5 .
  • the connection valve 5 is connected to the pressure pipes 3 via the channels 4 .
  • FIG. 4 shows a section of the cross section of a further embodiment of the end pieces 1 according to the invention.
  • the end piece 1 has bores in which the pressure pipes 3 are received and axially fixed.
  • the pressure pipes 3 are sealed by seals 7 inside the bores.
  • the pressure pipes 3 are connected to one another by channels 4 .
  • the end piece 1 is welded to a tie rod 6 to absorb the axial forces caused by the internal pressure of the pressure pipe.
  • the end of the tie rod 6 is spread out conically in order to achieve a form fit with the end piece 1 .
  • FIG. 5 shows a detail of the cross section of a further embodiment of the end pieces 1 according to the invention with integrated pins 10.
  • the end piece 1 has cylindrical pins 10 onto which the pressure pipes 3 are fitted and fixed axially.
  • the pressure pipes 3 are sealed off from the outer surfaces of the pins 10 by seals, welds or adhesives.
  • the pressure pipes 3 are connected to one another by channels 4 .
  • the spigots 10 can also have safety valves 11, which close in the event of a leak in one or more pressure pipes 3 in order to prevent the contents of the container from escaping further.
  • FIG. 6 shows an embodiment of the printing system 2 according to the invention.
  • the pressure system 2 has a number of parallel pressure pipes 3 .
  • the pressure pipes 3 are comparatively thin FRP pipes that can be standardized, each having the same diameter, preferably in the range from 5 to 50 mm, in particular from 10 to 20 mm, and the same length. They are arranged in such a way that the rectangular cross-section of the installation space is used as well as possible.
  • the Pressure pipes 3 have end pieces 1 at both ends. One of the end pieces 1 has a connection valve 5.
  • FIG. 7 shows a cross section of the pressure system 2 from FIG.
  • the pressure tubes 3 are arranged hexagonally. In this case, a number of pressure pipes 3 that meets the requirements is replaced by tie rods 6 with the same diameter.
  • the pressure system 2 has a number of parallel pressure pipes 3 .
  • the pressure pipes 3 are comparatively thin FRP pipes that can be standardized, each having the same diameter, preferably in the range from 5 to 50 mm, in particular from 10 to 20 mm, and the same length. They are arranged in such a way that the rectangular cross-section of the installation space is used as well as possible.
  • the pressure pipes 3 have end pieces 1 at both of their ends. One of the end pieces 1 has a connection valve 5.
  • the pressure system 2 has a circumferential wrapping 8 with reinforcing fibers for absorbing the axial forces caused by the internal pressure of the pressure pipe.
  • a module 12 for forming an end piece 1 with an area 13 with a hexagonal cross-section is shown in front view and rear view.
  • This area 13 has three connecting pieces 14 and three connecting channels 15 , the connecting pieces 14 being able to be inserted into the connecting channels 15 .
  • This area 13 with a hexagonal cross section is adjoined by a cylindrical area 16 which serves to accommodate a pressure pipe and as a sealing surface between the module 12 and the pressure pipe.
  • FIG. 10a to 10d an exemplary assembly sequence for the production of a pressure pipe system according to the invention is shown.
  • the modules 12 are first connected to the pressure pipes, for example by material bonding.
  • the modules 12 are then connected to one another in the X direction by inserting the connecting pieces into the connecting channels until the required amount of modules is present (Fig. 10 a and 10 b).
  • the rows of modules are connected to one another in the Y direction (Fig. 10c).
  • the gaps are filled with filler pieces so that there are no longer any open connecting pieces or connecting channels (FIG. 10d).
  • the overall package obtained in this way is wrapped and foamed.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endstück für ein Drucksystem, wobei mindestens zwei Druckrohre durch das Endstück aufnehmbar und/oder axial fixierbar sind, sowie ein Drucksystem. Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mindestens zwei Druckrohre mittels Kanälen im Inneren des Endstücks verbunden sind. Die Erfindung ermöglicht somit durch Anwendung von FKV-Rohren mit gleichem Durchmesser und gleicher Länge eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Ausnutzung des in einem für Druckspeicher vorgesehenen Bauraumvolumens mit nicht kreisförmigem Querschnitt sowie eine Gewichtsoptimierung.

Description

BESCHREIBUNG
Endstück für ein Drucktanksystem und Drucktanksystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Endstück für ein Drucksystem, wobei mindestens zwei Druckrohre durch das Endstück aufnehmbar und/oder axial fixierbar sind, sowie ein Drucksystem.
Für unterschiedliche Antriebsarten wie beispielsweise Brennstoffzellen, Verbrennungsmotoren oder auch pneumatische Antriebe von Transportmitteln wie beispielsweise Autos, Nutz- oder Luftfahrzeugen ist zur Energiebevorratung die Integration von Druckspeichern beispielsweise für Wasserstoff, Erdgas oder Luft erforderlich. Diese Druckbehälter müssen insbesondere kostengünstig, leicht, temperaturbeständig, langlebig und crashbeständig sein und durch einfache Montage in die Umgebungsstruktur der Transportmittel integriert werden können. Vorteilhaft ist außerdem eine möglichst einfache werkstoffliche Rezyklierfähigkeit. Für Transportmittel, die in großer Stückzahl hergestellt werden müssen, sind Fertigungsverfahren der Druckbehälter mit kurzer Taktzeit vorteilhaft. Für konstruktive Freiheitsgrade, die die ökonomische und ökologische Optimierung von Transportmittelarchitekturen im Hinblick auf das Gesamtsystem ermöglichen, besteht ein Bedarf an Speichersystemen mit unterschiedlichen geometrischen Formen, die von der strukturmechanisch optimalen kugelförmigen oder zylindrischen Behältergeometrie erheblich abweichen können. So können z.B. für Automobile flächige Druckspeicherformen nützlich sein. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die im Automobilbereich kostengünstige Plattform-Strategie vorteilhaft, da dann gleiche oder ähnliche Fahrzeugplattformen sowohl für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge (Batteriebevorratung im Fahrzeugboden) als auch für Brennstoffzellen oder mit Wasserstoff-Verbrennungsmotoren betriebene Fahrzeuge genutzt werden können (Druckspeicher-Bevorratung im gleichen Fahrzeugboden). Derzeit kommen jedoch vornehmlich zylindrische Druckbehälter unterschiedlicher Längen und Durchmesser zum Einsatz, die in metallischer Bauweise oder auch in hybriden Bauweisen, z.B. mit einem inneren Liner aus Kunststoff und einer Verstärkung aus Faser-Kunststoff-Verbund (FKV) ausgeführt werden. Nicht-zylindrische Druckbehälter kommen für Massenanwendungen im Transportwesen üblicherweise nicht zum Einsatz, weil ihre konstruktive Ausführung aufgrund der hohen werkstofflichen Beanspruchung unverhältnismäßig schwer und teuer wäre.
Bei dem Versuch der Ausnutzung eines für Druckspeicher verfügbaren Bauraums mit nicht kreisförmigem Querschnitt durch mehrere zylindrische Druckbehälter, deren maximaler Durchmesser je nach Anordnung durch die Ränder des verfügbaren Bauraums begrenzt wird, besteht derzeit das Problem, dass zwischen den einzelnen Druckbehältern relativ viel Bauraum ungenutzt bleibt. Zusätzlich besteht das Problem, dass unterschiedliche Druckbehältergrößen gefertigt werden müssen, was die Kosten erhöht. Außerdem müssen die einzelnen Druckbehälter mit zusätzlichen Elementen (wie z.B. Rohre, Schläuche, Ventile) aufwändig an die Druckversorgung des jeweiligen Antriebes angeschlossen werden. Werden für die Druckbehälter in FKV-Bauweise Carbonfasern verwendet, so sind zwar erhebliche Gewichtsvorteile gegenüber metallischen Bauweisen erzielbar, allerdings zu vergleichsweise hohen Kosten.
Aus der DE 102016208 376 A1 ist ein Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Rohr und zwei Böden bekannt. Das Rohr weist eine faserverstärkte Schicht mit Verstärkungsfasern, die in Umfangsrichtung des Rohres orientiert sind, auf. An den Enden des Rohres ist jeweils ein Boden angeordnet. Mindestens zwei Zugstücke erstrecken sich von einem Boden zum zweiten Boden. Die Zugstäbe sind ausgebildet, durch den Innendruck des Druckbehälters verursachte Axialkräfte in Richtung der Druckbehälterlängsachse des Druckbehälters aufzunehmen. Nachteilig müssen die Druckbehälter mit zusätzlichen Elementen, wie beispielsweise Schläuche oder Ventile, miteinander oder dem jeweiligen Antrieb verbunden werden.
Aus der EP 3346 179 A1 ist ein Hochdruckbehälter umfassend eine Vielzahl von Gehäuseteilen, die nebeneinander angeordnet sind, bekannt, wobei jedes der Gehäuseteile eine zylindrische Form und an mindestens einem seiner axial gegenüberliegenden Endabschnitte eine Öffnung aufweist. Der Hochdruckbehälter umfasst auch eine Kappe, der so konfiguriert ist, dass sie die Öffnungen der Gehäuseteile als eine Einheit verschließt, und einen Verbindungskanal, der innerhalb der Kappe vorgesehen ist, um Innenräume der Gehäuseteile miteinander zu verbinden.
Die EP 2650 585 A1 beschreibt eine Druckspeicheranordnung mit mindestens zwei Druckspeichern, wobei die mindestens zwei Druckspeicher über eine Verbindungsvorrichtung miteinander fluidleitend verbunden sind, wobei die mindestens zwei Druckspeicher jeweils an einem ersten und an einem zweiten Verbindungsabschnitt mit der Verbindungsvorrichtung fluidleitend verbunden sind.
Aus der WO 2021/023899 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die im Wesentlichen aus gepackten Bündeln paralleler Rohre besteht, die als Druckbehälter dienen. Beide Enden jedes Rohrs sind hermetisch mit Kollektoren verbunden, die sich in der Nähe der Rohrenden befinden.
Aus der DE 102 06502 C1 ist ein Druckgastanksystem mit mindestens zwei im Wesentlichen gleichartigen Gasbehältern, wobei die Gasbehälter ein Bodenteil und ein Entnahmeteil und den Entnahmeteilen zugeordnete Öffnungen aufweisen. Den Entnahmeteilen ist ein Absperrventil zugeordnet, wobei die Entnahmeteile mit ihren Öffnungen in eine die Entnahmeteile miteinander verbindende Verbindungsschiene hineinragen. Die Öffnungen stehen mit einem in der Verbindungsschiene verlaufenden Gaskanal in Verbindung, wobei der Verbindungsschiene ein Absperrventil an einem Gaskanalausgang zugeordnet ist und dieses das allen Gasbehältern gemeinsame Absperrventil bildet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Drucksysteme zu optimieren. Der vorliegenden Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, den für Druckspeicher in Transportmitteln verfügbaren Bauraum mit beliebigem Querschnitt mithilfe einer kostengünstigen, leichten, temperaturbeständigen, in kurzer Taktzeit fertigbaren, einfach zu montierenden, langlebigen und crashbeständigen Faser-Kunststoff-Verbund (FKV)-Bauweise möglichst gut auszunutzen.
Die Aufgabe wird bei einem Endstück für ein Drucksystem, wobei mindestens zwei Druckrohre durch das Endstück aufnehmbar und/oder axial fixierbar sind, dadurch gelöst, dass die mindestens zwei Druckrohre mittels Kanälen im Inneren des Endstücks verbunden sind.
An ihren axialen Enden werden die Rohre durch Endstücke aufgenommen und fixiert. Die Endstücke bestehen beispielsweise aus diskontinuierlich faserverstärktem Thermoplast, wahlweise aus kurzfaserverstärktem Spritzguss oder aus langfaserverstärkten Formpressteilen, wahlweise auch mithilfe tapegelegter Einleger bzw. Aufleger lokal endlosfaserverstärkt. Alternativ können die Endstücke auch aus Metall bestehen. Die Endstücke verfügen über Bohrungen, in die die dünnen Rohre passgenau eingesteckt werden können. Alternativ verfügen die Endstücke über integrierte Anschlüsse, auf die die Rohre passgenau aufgesteckt werden. In einer anderen Ausführungsform verfügen die Endstücke über integrierte Zapfen, auf die die Rohre passgenau aufgesteckt, verschweißt und/oder verklebt werden können. Vorteilhaft sind die Zapfen dergestalt, dass sie unter Innendruck ausreichend nachgeben können und sich an den Rohren anlegen, um eine zusätzliche Dichtwirkung zu erzielen. Im Inneren mindestens eines der Endstücke befinden sich Kavitäten bzw. Kanäle, beispielsweise durch einen entsprechenden Spritzguss- oder einen alternativen Fertigungsprozess oder durch nachträglich eingebrachte Bohrungen, die für einen Druckausgleich der Rohre sorgen können.
Die Endstücke können beispielsweise einzeln bzw. in größerer Stückzahl gemeinsam, jedoch vereinzelbar im Spritzgussverfahren hergestellt werden. Eine vorteilhafte Ausführung der Endstücke ist auch durch additive Fertigungsverfahren möglich, sowohl mit Kunststoff als auch mit Metall, weil dadurch große geometrische Freiheitsgrade insbesondere auch bezüglich der inneren Kanäle ermöglicht werden können. Sie können aus thermoplastischem Kunststoff bestehen, der vorzugsweise mit Verstärkungsfasern gefüllt ist.
Die Verbindung zwischen den Endstücken und den Druckrohren erfolgt durch Aufstecken, Kleben oder Verschweißen. Alternativ können die Endstücke auch direkt auf die Enden der Druckrohre aufgespritzt werden. Eine druckdichte Verbindung der Druckrohre mit den Endstücken kann z.B. über O-Ringe oder, insbesondere im Fall von (verstärkten) thermoplastischen Kunststoffausführungen der Endstücke, auch über stoffschlüssige Verbindungen wie Verschweißungen gewährleistet werden. Vorteilhaft können durch die Endstücke zusätzliche Schläuche zur Verbindung der Druckrohre eingespart werden.
Dabei ist zweckmäßig, dass das Endstück ein Anschlussventil aufweist.
In dem Endstück kann außerdem ein Anschlussventil für die Befüllung und Entladung des Tanks integriert werden, dies kann metallisch ausgeführt werden. Das Anschlussventil ist dabei über die Kanäle mit den Druckrohren verbunden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Kanäle Sicherheitsventile zum Absperren einzelner oder mehrerer Druckrohre aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der Bauweise ergibt sich aus den zahlreichen diskreten Einzelvolumina der Rohre. In das Endstück können mit dem Spritzguss- oder Fließpress-Prozess während seiner Herstellung oder auch nachträglich Sicherheitsventile in die Verbindungskanäle integriert werden, die bei Überschreitung eines definierten kritischen Volumenstromes absperren. Alternativ ist die Integration solcher Ventile auch an den Enden der Druckrohre möglich. Dadurch kann erreicht werden, dass im Falle einer Undichtigkeit eines oder mehrerer Rohre die intakten Rohre abgeschottet werden das darin befindliche Medium nicht entweicht und die Funktionsfähigkeit des Drucksystems insgesamt aufrechterhalten wird.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass das Endstück aus mehreren einzelnen Modulen mit polygonalem, vorzugsweise quadratischem, besonders bevorzugt mit hexagonalem Querschnitt besteht.
Diese Ausgestaltung ermöglicht die Erzeugung eng gepackter Druckrohrpackungen durch formschlüssige Verbindung der Module zur Ausbildung von Endstücken, wobei die polygonal ausgebildeten Module die Form der Druckrohrpackung vorgeben. Beispielsweise können Module mit quadratischem oder hexagonalem Querschnitt jeweils aufeinandergeschichtet werden, um Druckrohrpackungen entsprechender Form auszubilden. Vorzugsweise weisen die Module Verbindungsstutzen und entsprechende Verbindungskanäle auf (bei einem hexagonalen Modul jeweils drei Verbindungsstutzen und drei Verbindungskanäle), so dass durch Einführen der Verbindungsstutzen eines Moduls in einen Verbindungskanal eines anderen Moduls die Module miteinander formschlüssig zur Ausbildung von Endstücken verbunden werden können. Die Verbindungsstutzen und Verbindungskanäle sind vorzugsweise mit entsprechenden Dichtflächen versehen.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass die Module stoffschlüssig mit einem Druckrohr verbindbar sind.
Die Aufgabe wird auch durch ein Drucksystem mit einer Anzahl von Druckrohren zur Aufnahme eines Gases mit mindestens einem erfindungsgemäßen Endstück gelöst.
Dabei können eine Anzahl vergleichsweise dünner, standardisierbarer FKV-Rohre mit jeweils gleichem Durchmesser, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 mm, insbesondere von 10 bis 20 mm, und gleicher Länge so angeordnet werden, dass der verfügbare Querschnitt eines Bauraums möglichst gut ausgenutzt wird. Die Rohre können in der erforderlichen Länge beispielsweise aus einem endlosfaserverstärkten Thermoplast kostengünstig in Wickel-, Flecht- oder Extrusionsverfahren hergestellt werden. Die Rohre können dabei überwiegend in Umfangsrichtung orientierte Fasern aufweisen. Dabei können Rohre wahlweise mit einem metallischen oder einem Kunststoff-Liner oder ohne Liner hergestellt werden. Die Erfindung ermöglicht somit durch Anwendung von FKV-Rohren mit gleichem Durchmesser und gleicher Länge eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Ausnutzung des in einem für Druckspeicher vorgesehenen Bauraumvolumens mit nicht kreisförmigem Querschnitt sowie eine Gewichtsoptimierung. Die Rohre können bevorzugt in einem kontinuierlichen Verfahren wirtschaftlich hergestellt und in die für die Anwendung passende Länge gebracht werden. Durch die Verwendung von Rohren mit vergleichsweise geringer Wanddicke, vorzugsweise zwischen 0,1 und 2 mm, insbesondere zwischen 0,2 und 1 mm, erhöht sich gegenüber dem Stand der Technik die Werkstoffausnutzung, da bei dickwandigen FKV-Rohren regelmäßig keine gleichmäßige Spannungsverteilung über die Dicke erreicht werden kann. Gegenüber dem Stand der Technik wird außerdem der Aufwand zur Verbindung der rohrförmigen Druckbehälter mit dem Bedruckungssystem des Transportmittels minimiert, indem die Verbindung der Rohre untereinander bereits bei der Herstellung der integrierten Komponente ohne zusätzliche Rohre oder Schläuche erzeugt wird. Dies erhöht zudem die Zuverlässigkeit durch die Reduktion der Anzahl sicherheitskritischer Bauteile. Durch Anpassung von Anzahl und Anordnung der Rohre ergibt sich eine hohe geometrische Flexibilität sowie eine Skalierbarkeit von Druckbehältern basierend auf einer einheitlichen Technologie.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass das Drucksystem eine Umschäumung der Druckrohre aufweist.
Zur Realisierung einer exakten äußeren Kontur, einer einfachen Integration bzw. Montierbarkeit, der erforderlichen bzw. besonders vorteilhaften Crasheigenschaften und der thermischen Anforderungen sowie zur Fixation der Rohre können die mit den Endstücken versehenen Rohre in einer Presse mithilfe eines metallischen Ober- und Unterwerkzeuges in kurzen Zykluszeiten mit thermoplastischem Schaum ummantelt werden.
Dabei ist es erfindungsgemäß, dass die Umschäumung Befestigungsmittel umfasst.
Bei der Umschäumung können dabei metallische, aus FKV oder Kunststoff ausgeführte, Halterungen für die spätere Montage des Druckbehälters im Transportmittel eingebracht werden.
Dabei ist es zweckmäßig, dass das Drucksystem Zuganker zur Aufnahme der durch den Druckrohrinnendruck bedingten axialen Kräfte aufweist.
Die Rohre können dabei mithilfe zusätzlich eingebrachter, pultrudierter, unidirektional faserverstärkter Stäbe axial verstärkt werden. Bei Bedruckung der Rohre wirken die pultrudierten Stäbe dann als Zuganker, die die Axialkräfte aufnehmen, da sie mit den Endstücken fest verbunden werden.
Dabei ist zweckmäßig, dass die Zuganker mit den Endstücken verschweißt sind.
Das Material und die Prozesstemperatur können für die Umschäumung so gewählt werden, dass die pultrudierten Stäbe mit den Endstücken verschweißt werden, ohne dass es zu einer unerwünschten Erweichung der Rohre kommt. Dies kann beispielsweise durch die Kombination aus Thermoplasten mit unterschiedlichem Schmelzbereich erzielt werden. Beispielsweise können die pultrudierten Stäbe und/oder die Rohre aus faserverstärktem Polyamid 6 bestehen, in den oberflächennahen Bereichen ihrer Enden jedoch aus Polyamid 12, die Endstücke und der Schaum ebenfalls aus Polyamid 12.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Zuganker an ihren Enden kegelförmig aufgespreizt sind.
Die Zuganker können an den Enden kegelförmig aufgespreizt werden, um einen Formschluss mit den Endstücken zu erzielen. Auch ist eine gemeinsame Anwendung von Verschweißen und Aufspreizen möglich.
Die Rohre können an den Enden zylindrisch oder kegelförmig ausgeführt werden. Insbesondere die kegelförmige Ausführung kann die stoffschlüssige Verbindung durch einen Schweißprozess unterstützen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Druckrohre eine Glasfaserverstärkung aufweisen.
Zur Minimierung der Herstellkosten können die Rohre anstelle einer Carbonfaserverstärkung auch mit Glasfaserverstärkung ausgeführt werden. Die gegenüber Carbonfasern größeren Deformationen unter Druck werden durch die flexible Schaumummantelung aufgenommen. Weiterhin ermöglichen Glasfasern eine gleichmäßigere Spannungsverteilung im Werkstoff als Carbonfasern. Außerdem kann es ausreichend sein, die Rohre mit Umfangsverstärkung zu versehen, da die Axialkräfte vollständig durch die Zuganker aufgenommen werden können.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Druckrohre hexagonal angeordnet in die Endstücke eingebracht sind.
Eine bevorzugte Bauweise kann derart ausgeführt werden, dass die Rohre hexagonal angeordnet in die Endstücke eingebracht werden. Dabei kann eine mechanisch erforderliche Anzahl von Rohren in regelmäßigen Abständen durch Zuganker gleichen Durchmessers ersetzt werden. Vorteilhaft kann damit eine besonders kompakte Bauweise des Drucksystems bei gleichzeitig hohem Speichervolumen umgesetzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass das Drucksystem eine Umfangsumwicklung mit Verstärkungsfasern zur Aufnahme der durch den Druckrohrinnendruck bedingten axialen Kräfte aufweist.
Die Aufnahme der Axialkräfte bei Bedruckung kann anstatt durch Zuganker durch eine Umwicklung der Rohre und Endstücke in axialer Richtung mit endlosfaserverstärkten Tapes über die gesamte Breite erfolgen. Die Umwicklung kann auch zusammen mit Zugankern verwendet werden. Vorteilhaft werden mit dieser Ausführungsform die Biegekräfte in den Endstücken minimiert und das Erfordernis der Krafteinleitung in pultrudierte Stäbe umgangen. Der verfügbare Bauraum wird in dieser Ausführungsform durch den Entfall der pultrudierten Stäbe und den dadurch gewonnenen Platz für zusätzliche Druckrohre noch besser ausgenutzt. Die axiale Umwicklung kann beispielsweise vor der Umschäumung erfolgen.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt eines aus dem Stand der Technik bekannten
Drucksystems,
Fig. 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Drucksystems, Fig. 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Endstücks,
Fig. 4 einen Querschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Endstücks,
Fig. 5 einen Querschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Endstücks mit integrierten Zapfen,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen
Drucksystems,
Fig. 7 einen Querschnitt des Drucksystems aus Fig. 5,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen
Drucksystems,
Fig. 9a und 9b perspektivische Darstellungen eines Moduls mit hexagonalem Querschnitt,
Fig. 10 a bis 10 d eine beispielhafte Montagereihenfolge zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucktanksystems.
In Figur 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes Drucksystem gezeigt. Das Drucksystem besteht aus zylindrischen Druckrohren 3 die parallel in einem Bauraum 9 angeordnet sind. In den Druckrohren 3 kann ein Gas gespeichert werden. Die Druckrohre 3 weisen dabei unterschiedliche Durchmesser auf, um in dem Bauraum 9 ein möglichst großes Speichervolumen zu schaffen. Durch die Anordnung der Druckrohre entstehen Freiräume im Bauraum 9, die nicht zur Speicherung von Gas genutzt werden können.
In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßes Drucksystem 2 dargestellt. Das Drucksystem 2 weist eine Anzahl von Druckrohren 3 auf. Die Druckrohre 3 sind vergleichsweise dünne, standardisierbare FKV-Rohre mit jeweils gleichem Durchmesser, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 mm, insbesondere von 10 bis 20 mm, und gleicher Länge. Sie sind derart angeordnet, dass der verfügbare Querschnitt eines Bauraums möglichst gut ausgenutzt wird. Die Druckrohre 3 weisen an ihren beiden Enden Endstücke 1 auf.
In Figur 3 ist ein Ausschnitt des Querschnitts einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Endstücke 1 dargestellt. Das Endstück 1 weist Bohrungen auf, in die die Druckrohre 3 aufgenommen und axial fixiert werden. Die Druckrohre 3 werden dabei durch Dichtungen 7 innerhalb der Bohrungen abgedichtet. Die Druckrohre 3 sind durch Kanäle 4 miteinander verbunden. Durch ein Anschlussventil 5 kann das Drucksystem 2 befüllt und entleert werden. Das Anschlussventil 5 ist dabei über die Kanäle 4 mit den Druckrohren 3 verbunden.
In Figur 4 ist ein Ausschnitt des Querschnitts einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Endstücke 1 dargestellt. Das Endstück 1 weist Bohrungen auf, in die die Druckrohre 3 aufgenommen und axial fixiert werden. Die Druckrohre 3 werden dabei durch Dichtungen 7 innerhalb der Bohrungen abgedichtet. Die Druckrohre 3 sind durch Kanäle 4 miteinander verbunden. Das Endstück 1 ist mit einem Zuganker 6 zur Aufnahme der durch den Druckrohrinnendruck bedingten axialen Kräfte verschweißt. Der Zuganker 6 ist an seinem Ende kegelförmig aufgespreizt, um einen Formschluss mit dem Endstück 1 zu erzielen.
In Figur 5 ist ein Ausschnitt des Querschnitts einerweiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Endstücke 1 mit integrierten Zapfen 10 dargestellt. Das Endstück 1 weist zylinderförmige Zapfen 10 auf, auf die die Druckrohre 3 aufgesteckt und axial fixiert werden. Die Druckrohre 3 werden dabei durch Dichtungen, Verschweißungen oder Verklebungen zu den Außenflächen der Zapfen 10 abgedichtet. Die Druckrohre 3 sind durch Kanäle 4 miteinander verbunden. Die Zapfen 10 können zusätzlich Sicherheitsventile 11 aufweisen, die im Falle einer Undichtigkeit eines oder mehrerer Druckrohre 3 schließen, um ein weiteres Ausströmen des Behälterinhaltes zu verhindern.
In Figur 6 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksystems 2 dargestellt. Das Drucksystem 2 weist eine Anzahl paralleler Druckrohre 3 auf. Die Druckrohre 3 sind vergleichsweise dünne, standardisierbare FKV-Rohre mit jeweils gleichem Durchmesser, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 mm, insbesondere von 10 bis 20 mm, und gleicher Länge. Sie sind derart angeordnet, dass der rechteckige Querschnitt des Bauraums möglichst gut ausgenutzt wird. Die Druckrohre 3 weisen an ihren beiden Enden Endstücke 1 auf. Eines der Endstücke 1 besitzt ein Anschlussventil 5.
In Figur 7 ist ein Querschnitt des Drucksystems 2 aus Figur 5 dargestellt. Die Druckrohre 3 sind hexagonal angeordnet. Dabei ist eine den Anforderungen entsprechende Anzahl von Druckrohren 3 durch Zuganker 6 mit gleichem Durchmesser ausgetauscht.
In Figur 8 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksystems 2 dargestellt. Das Drucksystem 2 weist eine Anzahl paralleler Druckrohre 3 auf. Die Druckrohre 3 sind vergleichsweise dünne, standardisierbare FKV-Rohre mit jeweils gleichem Durchmesser, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 mm, insbesondere von 10 bis 20 mm, und gleicher Länge. Sie sind derart angeordnet, dass der rechteckige Querschnitt des Bauraums möglichst gut ausgenutzt wird. Die Druckrohre 3 weisen an ihren beiden Enden Endstücke 1 auf. Eines der Endstücke 1 besitzt ein Anschlussventil 5. Das Drucksystem 2 weist eine Umfangsumwicklung 8 mit Verstärkungsfasern zur Aufnahme der durch den Druckrohrinnendruck bedingten axialen Kräfte auf.
In Figur 9a und 9b ist ein Modul 12 zur Ausbildung eines Endstücks 1 mit einem Bereich 13 mit hexagonalem Querschnitt in Vorderansicht und Rückansicht dargestellt. Dieser Bereich 13 weist drei Verbindungsstutzen 14 und drei Verbindungskanäle 15 auf, wobei die Verbindungsstutzen 14 in die Verbindungskanäle 15 einsteckbar sind. An diesen Bereich 13 mit hexagonalem Querschnitt schließt sich ein zylindrischer Bereich 16 an, der zur Aufnahme eines Druckrohres und als Dichtfläche zwischen dem Modul 12 und dem Druckrohr dient.
In Figur 10 a bis 10 d ist eine beispielhafte Montagereihenfolge zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Druckrohrsystems dargestellt. Die Module 12 werden zunächst jeweils mit den Druckrohren verbunden, beispielsweise durch Stoffschluss. Anschließend erfolgt das Verbinden der Module 12 untereinander in X-Richtung durch Einstecken der Verbindungsstutzen in die Verbindungskanäle, bis die erforderliche Menge an Modulen vorliegt (Fig. 10 a und 10 b). Dann werden die Modulreihen in Y-Richtung miteinander verbunden (Fig. 10 c). Die Lücken werden durch Füllstücke gefüllt, so dass keine offenen Verbindungsstutzen oder Verbindungskanäle mehr vorliegen (Fig. 10 d). Schließlich wird das so erhaltene Gesamtpaket umwickelt und umschäumt.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Endstück (1 ) für ein Drucksystem (2), wobei mindestens zwei Druckrohre (3) durch das Endstück (1) aufnehmbar und/oder axial fixierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Druckrohre (3) mittels Kanälen (4) im Inneren des Endstücks (1) verbunden sind.
2. Endstück (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück (1) ein Anschlussventil (5) aufweist.
3. Endstück (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (4) Sicherheitsventile (11) zum Absperren einzelner oder mehrerer Druckrohre (3) aufweisen.
4. Endstück (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Endstück aus mehreren einzelnen Modulen (12) mit polygonalem, vorzugsweise quadratischem, besonders bevorzugt mit hexagonalem Querschnitt besteht.
5. Endstück (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der einzelnen Module (12) stoffschlüssig mit einem Druckrohr (3) verbindbar ist.
6. Drucksystem (2) mit einer Anzahl von Druckrohren (3) zur Aufnahme eines Gases, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksystem (2) mindestens ein Endstück (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
7. Drucksystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksystem (2) eine Umschäumung der Druckrohre (3) aufweist.
8. Drucksystem (2) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschäumung Befestigungsmittel umfasst.
9. Drucksystem (2) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksystem (2) Zuganker (6) zur Aufnahme der durch den Druckrohrinnendruck bedingten axialen Kräfte aufweist.
10. Drucksystem (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuganker (6) mit den Endstücken (1) verschweißt sind.
11. Drucksystem (2) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuganker (6) an ihren Enden kegelförmig aufgespreizt sind.
12. Drucksystem (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckrohre (3) eine Glasfaserverstärkung aufweisen.
13. Drucksystem (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckrohre (3) hexagonal angeordnet in die Endstücke (1) eingebracht sind.
14. Drucksystem (2) nach einem der Ansprüche 5bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksystem (2) eine Umfangsumwicklung (8) mit Verstärkungsfasern zur Aufnahme der durch den Druckrohrinnendruck bedingten axialen Kräfte aufweist.
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