WO2024103089A1 - Druckbehälter - Google Patents

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WO2024103089A1
WO2024103089A1 PCT/AT2023/060384 AT2023060384W WO2024103089A1 WO 2024103089 A1 WO2024103089 A1 WO 2024103089A1 AT 2023060384 W AT2023060384 W AT 2023060384W WO 2024103089 A1 WO2024103089 A1 WO 2024103089A1
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WO
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inner container
sealing
sealing means
valve
tank valve
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PCT/AT2023/060384
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Andreas Zieger
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Andreas Zieger
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    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
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    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0184—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fiber composite pressure vessel for storing gaseous or liquid media under pressure according to the preamble of claim 1.
  • Gaseous energy sources such as hydrogen are becoming increasingly important due to their CO2 saving potential.
  • the main components of a fuel supply system for a gas-powered vehicle are a pressure vessel for holding the fuel at nominal pressures of up to 700 bar, a tank valve for closing the pressure vessel and a pressure regulator for reducing the storage pressure to the consumer's supply pressure.
  • Such fiber composite pressure vessels comprise an inner container with at least one opening, a valve receptacle, a tank valve and an externally arranged load-bearing shell made of a fiber composite material, as well as one or more sealing points between the inner container, valve receptacle and tank valve, wherein the sealing is achieved by injection molding and an O-ring or by two O-rings.
  • Such fiber composite pressure vessels with a sealing point between the inner container, valve holder and tank valve are known from DE102007011211B3 or EP000004036458A1, among others.
  • DE102007011211B3 discloses a pressure vessel in which an O-ring acts as a sealing agent in a groove of the tank valve to seal against a plastic inner container.
  • EP000004036458A1 discloses a pressure vessel in which an O-ring acts as a sealing means in a groove of the plastic inner container to seal against the tank valve.
  • the sealing effect of an "elastic" sealant is based on the fact that the sealing material wants to return to its original shape after deformation. Radial or axial compression, i.e. deformation of the sealant, creates a contact pressure or sealing pressure in the contact surfaces of the sealant and the sealant, which depends on the level of compression and ensures the sealing effect in the pressure-free state. An applied pressure increases the contact pressure and thus the sealing effect of the sealant. Depending on the degree of compression of the sealant, the applied pressure, the temperature and the interaction of the sealant with the surrounding media, creep processes occur which lead to a reduction in the sealing pressure generated by the compression of the sealant. At the same time, due to the sealing pressure of the sealant, a plastic or viscoelastic deformation of the plastic inner container, which also leads to a reduction in the sealing pressure and thus to a loss of tightness.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages of the prior art, in particular the permanent tightness of the fiber composite pressure vessel is improved.
  • the present object is achieved by providing a fiber composite pressure vessel with the features of claim 1.
  • the task is solved by dimensioning the sealing point in analogy to the metal-polymer composite bearing, whereby the plastic inner container represents the polymer layer of the metal-polymer composite bearing and the valve holder represents the metallic base body of the metal-polymer composite bearing.
  • metal-polymer composite bearings Due to the low wall thickness of the polymer layer and the supporting effect of the metallic base body and the material behind it, metal-polymer composite bearings achieve static load-bearing capacities of up to 250 N/mm 2 , which are considerably higher than the load on the plastic inner container due to the contact pressure of the sealant as a result of the compression of the sealant and the pressure force of the fluid in the plastic inner container.
  • the wall thickness of the plastic inner container in the area of the sealant, and at least in the contact area of the sealant with the sealing surface of the plastic inner container, is to be as low as possible in terms of manufacturing technology or due to the permeation requirements in order to limit the loss of sealing due to the plastic or viscoelastic deformation of the plastic inner container and is in total the maximum wall thickness of the polymer layer of a metal-polymer composite bearing of 0.05 mm to 0.5 mm and additionally a maximum of 100% of the permissible compression of the sealant, whereby the lower value of the resulting wall thickness of the inner container is preferably for a polymer or metallic sealant due to the higher sealing pressure and for an elastomeric sealant with a small contact surface to the sealing surface of the inner container or an elastomeric sealant with high Shore hardness and whereby the upper value of the wall thickness of the inner container is preferably for an elastomeric sealant due to the lower sealing pressure.
  • the wall thickness of the plastic inner container in the immediate vicinity of the sealant must be reduced in order to reduce this deformation, so that the wall thickness of the plastic inner container in the area of the sealant, and at least in the contact area of the sealant with the plastic inner container, is as small as technically possible and in total the maximum wall thickness of the polymer layer of a metal-polymer composite bearing is 0.05 mm to 0.5 mm and an additional 75% - 90% of the permissible compression of the sealant.
  • a further reduction of the maximum wall thickness of the inner container in the area of the sealant is advantageous for longer-acting operating temperatures above 50°C and/or for longer-acting internal pressures of more than 350 bar and amounts in total to the maximum wall thickness of the polymer layer of a metal-polymer composite bearing of 0.05 mm to 0.5 mm and an additional 50% - 75% of the permissible compression of the sealant.
  • the minimum wall thickness of the inner container in the area of the sealant is determined by the manufacturing process or by the permeation requirements.
  • the wall thickness of the inner container is usually 3-4mm.
  • the radial compression of an ISC O-ring with a cord thickness of e.g. 3.5mm is nominally 0.8mm.
  • the maximum wall thickness of the inner container under the O-ring is 0.85mm (0.05mm+100%x0.8mm) to 1.3mm (0.5mm+100%x0.8mm), whereby if the wall thickness of the inner container is reduced by the amount of compression of the O-ring, there is no longer any sealing pressure from the O-ring and the sealing point already becomes leaky when the O-ring is set.
  • the preferred wall thickness of the inner container under the O-ring is 0.65mm (0.05mm+75%x0.8mm) to 1.22mm (0.5mm+90%x0.8mm), whereby with a wall thickness reduction of the inner container in the order of the compression of the O-ring, a sealing pressure is still present through the O-ring and the sealing point only becomes leaky when the O-ring is set by 10-25% of the compression without further deformation of the inner container.
  • the particularly preferred wall thickness of the inner container under the O-ring is 0.45mm (0.05mm+50%x0.8mm) to 1.1mm (0.5mm+75%x0.8mm), whereby with a wall thickness reduction of the inner container in the order of the compression of the O-ring, a sealing pressure is still present through the O-ring and the sealing point only becomes leaky when the O-ring is set by 25-50% of the compression without further deformation of the inner container.
  • the disclosed fiber composite pressure vessel enables the installation of a radial or axial sealing agent made of an elastomer such as an O-ring seal as well as the installation of a radial or axial sealing sealant made of a polymer such as a foreseal seal or the installation of a radial or axial sealing sealant made of a metal such as a C-ring seal:
  • a radial seal the sealant for sealing between the inner container and the tank valve is arranged in a groove in the tank valve that is open radially outwards or in a groove in the inner container that is open radially inwards.
  • an axial seal the sealant for sealing between the inner container and the tank valve is arranged in a groove in the tank valve that is open axially to the inner container or in a groove in the inner container that is open axially to the tank valve.
  • This design ensures that even if the wall thickness of the inner container is completely lost in the area of the sealant due to creeping processes, whereby the inner container is only present in a wafer-thin form in this case, the sealant is pressed against the two sealing surfaces by the pressure force of the fluid in the inner container at minimal filling pressure and seals permanently.
  • the fiber composite pressure vessel With a sealing point analogous to a metal-polymer composite bearing with a high load-bearing capacity and low creep tendency, a permanent tightness of the fiber composite pressure vessel between the inner container and the tank valve is ensured.
  • sealing materials with higher contact forces such as polymers or metals can be used.
  • Figure 1A shows a fiber composite pressure vessel according to the invention in a preferred embodiment with a radially sealing sealant in a groove of the tank valve.
  • Figure 1B shows an enlarged section of Figure 1A.
  • Figure 2A shows the fiber composite pressure vessel according to the invention in an alternative embodiment with a radially sealing sealant in a groove of the plastic inner container.
  • Figure 2B shows an enlarged section of Figure 2A.
  • Figure 3A shows a further alternative embodiment of the fiber composite pressure vessel according to the invention with a radially sealing sealant in a groove of the plastic inner container.
  • Figure 3B shows an enlarged section of Figure 3A.
  • Figure 4A shows a further alternative embodiment of the fiber composite pressure vessel according to the invention with an axially sealing sealant in a groove of the tank valve.
  • Figure 4B shows an enlarged section of Figure 4A.
  • Figure 5A shows a further alternative embodiment of the fiber composite pressure vessel according to the invention with an axially sealing sealant in a groove of the inner container.
  • Figure 5B shows an enlarged section of Figure 5A.
  • Fig. 1A and Fig. 1B show a section of a first possible embodiment of the fiber composite pressure vessel 100 according to the invention comprising a plastic inner container 1 for receiving a fluid with an opening 2, a valve receptacle 3 for receiving a tank valve 4 and for supporting the plastic inner container 1 and an external load-bearing shell 5 made of a fiber composite material for enclosing the inner container 1 and the valve receptacle 3.
  • the inner container 1 comprises an outwardly directed cylindrical collar 6 with a cylindrical sealing surface 7 acting in the radial direction inwards, wherein the region of the collar 6 in normal operation rests on the valve receptacle 3 in the radial and axial direction and the rest of the inner container 1 rests on the shell 5.
  • the valve receptacle 3 comprises a fastening thread 8, a cylindrical support area 9 for radial support of the inner container in the area of the sealing surface 7, a flange 10 for axial support of the inner container 1 and rests against the inner container 1 and the shell 5 during normal operation.
  • the tank valve 4 comprises a fastening thread 11 for screwing to the fastening thread 8 and a radially outwardly open groove 12 with a radially acting sealing surface 13 for receiving a sealing agent 14, wherein the sealing agent 14 seals against the sealing surface 7 of the inner container 1.
  • the pressure chamber 15 for storing the fluid is delimited by the inner container 1, the tank valve 4 and the sealing agent 14.
  • the radial compression of the sealing agent 14 in the installed state generates a radial contact force between the associated sealing surfaces 7 and 13 to achieve the sealing effect and seal the pressure chamber 15.
  • the sealing agent 14 rests on the side of the groove 12 of the tank valve 4 facing away from the pressure and transfers the axial force acting on the sealing agent 14 from the internal pressure to the tank valve 4.
  • Fig. 2A and Fig. 2B show a section of an alternative embodiment of the fiber composite pressure vessel 100 according to the invention comprising an inner container 1 for Reception of a fluid with an opening 2, a valve receptacle 3 for receiving a tank valve 4 and for supporting the plastic inner container 1 and an external load-bearing shell 5 made of a fiber composite material for enclosing the inner container 1 and the valve receptacle 3.
  • the inner container 1 comprises an outward-facing cylindrical collar 6, a radially inwardly open groove 16 with a radially acting sealing surface 7 for receiving a sealant 14, wherein the area of the collar 6 in normal operation rests in the radial and axial direction on the valve receptacle 3 and the rest of the inner container 1 rests on the shell 5.
  • the valve receptacle 3 comprises a fastening thread 8, a cylindrical support area 9 for radially supporting the inner container 1 in the area of the sealing surface 7, a flange 10 for axially supporting the inner container 1 and rests on the inner container 1 and the shell 5 in normal operation.
  • the tank valve 4 comprises a fastening thread 11 for screwing with the fastening thread 8 and a radially acting sealing surface 13 for sealing against the sealant 14.
  • the pressure chamber 15 for storing the fluid is limited by the inner container 1, the tank valve 4 and the sealing agent 14.
  • the radial compression of the sealing agent 14 in the installed state generates a radial contact force between the associated sealing surfaces 7 and 13 to achieve the sealing effect and seal the pressure chamber 15.
  • the sealing agent 14 rests on the side of the groove 16 facing away from the pressure, i.e. on the valve seat 3, and transfers the axial force acting on the sealing agent 14 from the internal pressure to the valve seat 3, whereby the force of the tank valve 4 decreases.
  • Fig. 3A and Fig. 3B show a section of an alternative embodiment of the fiber composite pressure vessel 100 according to the invention comprising an inner container 1 for receiving the fluid with an opening 2, a valve receptacle 3 for receiving a tank valve 4 and for supporting the plastic inner container 1 and an external load-bearing shell 5 made of a fiber composite material for enclosing the inner container 1 and the valve receptacle 3.
  • the inner container 1 comprises an outwardly directed cylindrical collar 6, a radially inwardly open groove 16 with a radially acting sealing surface 7 for receiving a sealing agent 14, wherein the region of the collar 6 in normal operation rests in the radial and axial direction on the valve receptacle 3 and the rest of the inner container 1 rests on the shell 5.
  • the valve holder 3 comprises a fastening thread 8, a cylindrical support area 9 for radial support of the inner container 1 in the area of the sealing surface 7, a flange 10 for axial support of the inner container 1 and rests against the inner container 1 and the shell 5 during normal operation.
  • the tank valve 4 comprises a fastening thread 11 for screwing to the Fastening thread 8 and a radially acting sealing surface 13, wherein the sealing means 14 seals against the sealing surface 13 of the tank valve 4.
  • the pressure chamber 15 for storing the fluid is delimited by the inner container 1, the tank valve 4 and the sealing agent 14.
  • the radial compression of the sealing agent 14 generates a radial contact force between the associated sealing surfaces 7 and 13 to achieve the sealing effect and seal the pressure chamber 15.
  • the sealing agent 14 rests on the side of the groove 16 facing away from the pressure, i.e. on the tank valve 4, and transfers the axial force acting on the sealing agent 14 from the internal pressure to the tank valve 4.
  • Fig. 4A and Fig. 4B show a section of an alternative embodiment of the fiber composite pressure vessel 100 according to the invention comprising an inner container 1 for receiving a fluid with an opening 2, a valve receptacle 3 for receiving a tank valve 4 and for supporting the plastic inner container 1 and an external load-bearing shell 5 made of a fiber composite material for enclosing the inner container 1 and the valve receptacle 3.
  • the inner container 1 comprises an outwardly directed cylindrical collar 6 with a flat sealing surface 7 acting in the axial direction, wherein the region of the collar 6 in normal operation rests in the radial and axial direction on the valve receptacle 3 and the rest of the inner container 1 rests on the shell 5.
  • the valve receptacle 3 comprises a fastening thread 8, a cylindrical support area 9 for radial support of the inner container 1, a flange 10 for axial support of the inner container 1, a support area 17 for axial support of the inner container 1 in the area of the sealing surface 7 and rests against the inner container 1 and the shell 5 during normal operation.
  • the tank valve 4 comprises a fastening thread 11 for screwing to the fastening thread 8 and a groove 12 open in the axial direction with an axially acting sealing surface 13 for receiving a sealing agent 14, wherein the sealing agent 14 seals against the sealing surface 7 of the inner container 1.
  • the pressure chamber 15 for storing the fluid is delimited by the inner container 1, the tank valve 4 and the sealing agent 14.
  • the axial compression of the sealing agent 14 in the installed state generates an axial contact force between the associated sealing surfaces 7 and 13 to achieve the sealing effect and seal the pressure chamber 15.
  • FIG. 5A and Fig. 5B show a section of an alternative embodiment of the fiber composite pressure vessel 100 according to the invention comprising an inner container 1 for receiving a fluid with an opening 2, a valve receptacle 3 for receiving a tank valve 4 and for supporting the plastic inner container 1 and an external load-bearing shell 5 made of a fiber composite material for enclosing the inner container 1 and the valve receptacle 3.
  • the inner container 1 comprises a support region 17 designed essentially normal to the longitudinal axis of the inner container 1, an axially outwardly open groove 16 for receiving the sealant with a flat sealing surface 7, wherein the support region 17 in normal operation rests in the axial direction on the valve receptacle 3 and the rest of the inner container 1 rests on the outside on the shell 5 and wherein a support part 18 for axially supporting the sealing surface 7 is attached to the inside of the inner container 1 opposite the support region 17.
  • the valve holder 3 comprises a fastening thread 8, a cylindrical support area 9 for radial support of the shell 5, a flange 10 for axial support of the inner container 1 and rests against the inner container 1 and the shell 5 during normal operation.
  • the tank valve 4 comprises a fastening thread 11 for screwing to the fastening thread 8 and an axially acting sealing surface 13, wherein the sealing means 14 seals against the sealing surface 7 of the inner container 1.
  • the groove 16 for receiving the sealing agent is formed in the axial direction by the space between the sealing surface 7 of the plastic container 1 and the sealing surface 13 of the tank valve 4 and is open at least on the inside.
  • the pressure chamber 15 for storing the fluid is delimited by the inner container 1, the tank valve 4 and the sealing agent 14.
  • the axial compression of the sealing agent 14 in the installed state generates an axial contact force between the associated sealing surfaces 7 and 13 to achieve the sealing effect and seal the pressure chamber 15.
  • the sealing agent 14 rests on the side of the groove 16 on the tank valve 4 facing away from the pressure and transfers the axial force acting on the sealing agent 14 from the internal pressure to the tank valve 4.
  • the inner container 1 is made of a polymer, optionally the inner container 1 is made of an elastomer or a metallic material.
  • the inner container 1 is designed in one piece, optionally the inner container 1 is designed in several parts, wherein the individual parts are tightly connected to one another.
  • the sealing surface 7 is produced during the manufacture of the inner container 1 or parts of the inner container 1 by injection molding, blow molding, rotational molding or the like without subsequent processing; optionally, the region of the sealing surface 7 of the inner container 1 is produced by mechanical, thermal or thermomechanical processing.
  • the inner container 1 is designed with an opening 2, optionally the inner container 2 is designed with an opening 2 on both sides.
  • the inner container 1 is injection-molded onto the valve receptacle 3 for transmitting forces or torques during the manufacture of the shell 5 and during operation.
  • the inner container 1 is glued to the valve receptacle 3 for transmitting forces or torques during the manufacture of the shell 5 and during operation, screwed to the valve receptacle 3, pressed to the valve receptacle 3 or, in a suitable design, connected to the valve receptacle 3 in a force-fitting and/or form-fitting manner.
  • the area between the collar 6 and the adjoining inner container 1, i.e. the transition between the so-called dome area and the collar 6, is curved inwards; optionally, the area between the collar 6 and the adjoining inner container 1 is curved outwards or is designed essentially perpendicular to the longitudinal axis of the inner container 1.
  • the transition from the wall thickness of the inner container 1 in the region of the sealant 14 to the wall thickness of the inner container 1 is continuous; optionally, the transition from the wall thickness of the inner container 1 in the region of the sealant 14 to the wall thickness of the inner container 1 is in the form of one or more steps.
  • the radial support of the inner container 1 in the region of the sealing means 14 is provided by the valve receptacle; optionally, the radial support of the inner container 1 in the region of the sealing means 14 is provided by an insert part of the inner container 1, i.e. by a part that is partially surrounded by, for example, a pushed-on sleeve or a partially overmolded sleeve or is completely surrounded by the inner container 1.
  • the axial support of the inner container 1 in the region of the sealing means 14 is provided by the valve receptacle; optionally, the axial support of the inner container 1 in the region of the sealing means 14 is provided by an insert part of the inner container 1, i.e. by a part which is partially surrounded by the inner container 1, e.g. a sleeve pushed on by injection molding or a sleeve partially overmolded, or which is completely surrounded by the inner container 1.
  • the cylindrical collar 6 is directed outwards, optionally the cylindrical collar 6 is directed inwards.
  • the sealing means 14 seals against the sealing surface 7 of a support region 17 which is designed essentially perpendicular to the longitudinal axis of the inner container 1 or against a surface which is curved inwards and/or outwards as desired.
  • the groove 16 of the inner container 1 is open; optionally, the groove 16 is closed.
  • the groove 16 of the inner container 1 has a rectangular cross-section; optionally, the groove 16 has a cross-section other than a rectangular one, e.g. a triangular cross-section.
  • the sealing surface 7 of the inner container 1 has a cylindrical shape when the sealant 14 is radially compressed; optionally, the sealing surface 7 has a shape deviating from the cylindrical shape.
  • the sealing surface 7 of the inner container 1 has a flat shape when the sealant 14 is axially compressed; optionally, the sealing surface 7 has a shape deviating from flatness.
  • valve holder 3 is designed in one piece, optionally the valve holder 3 is designed in several parts, wherein the individual parts are connected in a form-fitting and/or force-fitting manner or are not connected.
  • the contact surface of the sealing means 14 on the valve receptacle 3 has a flat shape; optionally, the contact surface of the sealing means 14 on the valve receptacle 3 has a shape deviating from the flat shape.
  • valve receptacle 3 is provided with an outwardly and/or inwardly directed profile or a flange on the side opposite the flange 10, so that as a result of a positive connection with the shell 5, forces and torques can be transmitted in the axial and/or radial direction between the valve receptacle 3 and the shell 5.
  • valve holder 3 and the tank valve 4 are one component.
  • the tank valve 4 is a container valve for controlling the mass flows during refueling, when stationary and during operation, optionally the tank valve 4 is a closure for closing the opening 2.
  • the tank valve 4 is designed in one piece, optionally the tank valve 4 is designed in several parts, wherein the individual parts are positively and/or non-positively connected in the installed state.
  • the groove 12 of the tank valve 4 is closed; optionally, the groove 12 is open.
  • the groove 12 of the tank valve 4 has a rectangular cross-section; optionally, the groove 12 has a cross-section other than a rectangular one, e.g. a triangular cross-section.
  • the sealing surface 13 of the tank valve 4 has a cylindrical shape when the sealant 14 is radially compressed; optionally, the sealing surface 13 has a shape deviating from the cylindrical shape.
  • the sealing surface 13 of the tank valve 4 has a flat shape when the sealant 13 is axially compressed; optionally, the sealing surface 7 has a shape deviating from flatness.
  • the sealing means 14 transfers the axial force acting on the sealing means 14 from the internal pressure to the tank valve 4, optionally the sealing means 14 transfers the axial force acting on the sealing means 14 from the internal pressure to the valve receptacle 3 or optionally the sealing means 14 transfers the axial force acting on the sealing means 14 from the internal pressure to the valve receptacle 3 and to the tank valve 4.
  • the sealant 14 is made of an elastomer, optionally the sealant 14 is made of a polymer, a metal or a combination of elastomers, and/or polymers and/or metals.
  • one sealing means 14 seals between the inner container 1 and the tank valve 4; optionally, several sealing means 14 seal between the inner container 1 and the tank valve 4.
  • the sealing means 14 is arranged in the region of the largest flange diameter 10.
  • a support ring is installed on the side facing away from the pressure to prevent extrusion of the sealant 14.
  • a support ring is installed on the side facing the pressure to prevent extrusion of the sealant 14 in the event of back pressure.
  • the support part 18 is an angled part, optionally the support part 18 is a flat part.
  • the support part 18 is positively and/or non-positively connected to the inner container 1.
  • the sealing principle presented with a wall thickness of the inner container 1 in the area of the sealant 14 of 0.05 mm to 0.5 mm and additionally a maximum of 100% of the permissible compression of the sealant 14 can be easily transferred to the seal of the inner container 1 to the valve holder 3, wherein the sealing surface 13 is designed on the valve holder 3 instead of on the tank valve 4, wherein the sealant 14 always rests on the side of the groove 16 on the valve holder 3 facing away from the pressure and transfers the axial force acting on the sealant 14 from the internal pressure to the valve holder 3. In this case, an additional sealant is required to seal the tank valve 4 to the valve holder 3.
  • the support area 9 required for the load-bearing capacity of the inner container 1 in the area of the sealant 14 is part of the valve holder 3 or a separate component.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Faserverbund-Druckbehälter (100) zur Speicherung von flüssigen oder gasförmigen Medien, umfassend einen Innenbehälter (1) zur Aufnahme des Mediums mit einer Öffnung (2) und einer Dichtfläche (7), einer Ventilaufnahme (3) zur teilweise radialen und teilweise axialen Abstützung des Innenbehälters, wobei die Ventilaufnahme form- und/oder kraftschlüssig mit dem Innenbehälter verbunden ist, eine Schale (5) aus einem Faserverbundwerkstoff zur Umschließung des Innenbehälters und der Ventilaufnahme zur Aufnahme der Kräfte infolge des Drucks im Innenbehälter und einem Tankventil (4) zum Verschluss der Öffnung mit einer Dichtfläche (13), wobei das Ventil form- und/ oder kraftschlüssig mit der Ventilaufnahme verbunden ist, wobei das Dichtmittel (14) zwischen den Dichtflächen dichtet und die Wandstärke des Innenbehälters im Bereich des Dichtmittels maximal 0,5 mm + zulässige Verpressung des Dichtmittels beträgt.

Description

Druckbehälter
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Faserverbund-Druckbehälter zur Speicherung von gasförmigen oder flüssigen Medien unter Druck nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Gasförmige Energieträger wie z.B. Wasserstoff gewinnen aufgrund ihres CO2- Einsparpotentials zunehmend an Bedeutung. Eine Kraftstoffversorgungsanlage eines gasbetriebenen Kraftfahrzeuges umfasst als Hauptkomponenten einen Druckbehälter zur Aufnahme des Kraftstoffes bei Nenndrücken von bis zu 700 bar, ein Tankventil zum Verschließen des Druckbehälters und einen Druckregler zur Reduktion des Speicherdruckes auf den Versorgungsdruck des Verbrauchers.
Derartige Faserverbund-Druckbehälter sind bekannt und umfassen einen Innenbehälter mit zumindest einer Öffnung, eine Ventilaufnahme, ein Tankventil und eine außenseitig angeordnete lasttragende Schale aus einem Faserverbundstoffwerkstoff, sowie eine oder mehrere Dichtstellen zwischen Innenbehälter, Ventilaufnahme und Tankventil, wobei die Abdichtung durch Anspritzen und einen O-Ring oder durch zwei O-Ringe erfolgt.
Derartige Faserverbund-Druckbehältern mit einer Dichtstelle zwischen Innenbehälter, Ventilaufnahme und Tankventil sind u.a. aus DE102007011211B3 oder EP000004036458A1 bekannt.
DE102007011211B3 offenbart einen Druckbehälter, bei dem ein O-Ring als Dichtmittel in einer Nut des Tankventils gegen einen Kunststoff-Innenbehälter abdichtet.
EP000004036458A1 offenbart einen Druckbehälter, bei dem ein O-Ring als Dichtmittel in einer Nut des Kunststoff-Innenbehälters gegen das Tankventil dichtet.
Diese beiden Konstruktionen sind daher nur bedingt geeignet, eine dauerhafte Dichtheit sicherzustellen: Die Dichtwirkung eines „elastischen" Dichtmittels basiert auf dem Umstand, dass das Dichtungsmaterial nach einer Deformierung in seine ursprüngliche Form zurückkehren möchte. Durch eine radiale oder axiale Verpressung, d.h. Verformung des Dichtmittels entsteht in den Berührflächen des Dichtmittels und dem Dichtmittel ein von der Höhe der Verpressung abhängiger Kontaktdruck oder Dichtpressung, die im drucklosen Zustand die Dichtwirkung sicherstellt. Ein anliegender Druck erhöht den Kontaktdruck und somit die Dichtwirkung des Dichtmittels. Abhängig vom Verpressungsgrad des Dichtmittels, dem anliegenden Druck, der Temperatur und der Interaktion des Dichtmittels mit den umgebenden Medien treten Kriechvorgänge auf, die zu einem Abbau der durch die Verpressung des Dichtmittels erzeugten Dichtpressung führen. Gleichzeitig erfolgt aufgrund der Dichtpressung des Dichtmittels eine plastische bzw. viskoelastische Verformung des Kunststoff-Innenbehälters, die ebenfalls zu einem Abbau der Dichtpressung und damit zu einem Dichtheitsverlust führt.
Technische Aufgabe
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere wird die dauerhafte Dichtheit des Faserverbund-Druckbehälters verbessert.
Erfindungsgemäß wird die vorliegende Aufgabe durch Bereitstellung eines Faserverbund- Druckbehälters mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Technische Lösung
Die Aufgabe wird durch die Bemessung der Dichtstelle in Analogie zum Metall-Polymer- Verbundlager gelöst, wobei der Kunststoff-Innenbehälter die Polymerschicht des Metall- Polymer-Verbundlagers darstellt und die Ventilaufnahme den metallischen Grundkörper des Metall-Polymer-Verbundlagers darstellt.
Metall-Polymer-Verbundlager erreichen aufgrund der geringen Wandstärke der Polymerschicht und der Stützwirkung des metallischen Grundkörpers und des dahinterliegenden Materials statische Tragfähigkeiten von bis zu 250 N/mm2, welche erheblich höher liegen als die Belastung des Kunststoff-Innenbehälters durch den Kontaktdruck des Dichtmittels infolge der Verpressung des Dichtmittels und der Druckkraft des Fluids im Kunststoff-Innenbehälter.
Die Wandstärke des Kunststoff-Innenbehälters ist im Bereich des Dichtmittels, und zwar zumindest im Kontaktbereich des Dichtmittels mit der Dichtfläche des Kunststoff- Innenbehälters so gering wie fertigungstechnisch bzw. aufgrund der Permeationsanforderungen möglich auszuführen, um den Dichtungsverlust durch die plastische oder viskoelastische Verformung des Kunststoff-Innenbehälters zu begrenzen und beträgt in Summe die maximalen Wandstärke der Polymerschicht eines Metall-Polymer- Verbundlagers von 0,05 mm bis 0,5 mm und zusätzlich maximal 100% der zulässigen Verpressung des Dichtmittels, wobei der untere Wert der sich daraus ergebenden Wandstärke des Innenbehälters aufgrund der höheren Dichtpressung bevorzugt für ein polymeres oder metallisches Dichtmittel sowie für ein elastomeres Dichtmittel mit kleiner Kontaktfläche zur Dichtfläche des Innenbehälters oder ein elastomeres Dichtmittel mit hoher Shore-Härte und wobei der obere Wert der Wandstärke des Innenbehälters aufgrund der geringeren Dichtpressung bevorzugt für ein elastomeres Dichtmittel gilt. Kommt es durch die Kontaktkraft des Dichtmittels durch die Verpressung und durch den Fülldruck im Innenbehälter zu einer plastischen oder viskoelastischen Verformung des Dichtmittels, so ist die Wandstärke des Kunststoff-Innenbehälters in unmittelbarer Nähe des Dichtmittels um diese Verformung zu reduzieren, sodass die Wandstärke des Kunststoff- Innenbehälters im Bereich des Dichtmittels, und zwar zumindest im Kontaktbereich des Dichtmittels mit dem Kunststoff-Innenbehälter so gering wie fertigungstechnisch möglich ausgeführt und beträgt in Summe die maximalen Wandstärke der Polymerschicht eines Metall-Polymer-Verbundlagers von 0,05 mm bis 0,5 mm und zusätzlich 75% - 90% der zulässigen Verpressung des Dichtmittels.
Eine weitere Reduktion der maximalen Wandstärke des Innenbehälters im Bereich des Dichtmittels ist bei länger wirkenden Einsatztemperaturen über 50°C und/oder bei länger wirkenden Innendrücken von mehr als 350 bar vorteilhaft und beträgt in Summe die maximalen Wandstärke der Polymerschicht eines Metall-Polymer-Verbundlagers von 0,05 mm bis 0,5 mm und zusätzlich 50% - 75% der zulässigen Verpressung des Dichtmittels.
Die minimale Wandstärke des Innenbehälters im Bereich des Dichtmittels ist durch die Fertigung bzw. durch die Permeationsanforderungen festgelegt.
Die Wandstärke des Innenbehälters beträgt üblicherweise 3-4mm. Die radiale Verpressung eines ISC-O-Rings mit einer Schnurstärke von z.B. 3,5 mm beträgt nominal 0,8mm. Die maximale Wandstärke des Innenbehälters unter dem O-Ring beträgt 0,85mm (0,05mm+100%x0,8mm) bis 1,3mm (0,5mm+100%x0,8mm), wobei bei einer Wandstärkenreduktion des Innenbehälters in der Größenordnung der Verpressung des O- Rings kein Dichtdruck durch den O-Ring mehr vorliegt und die Dichtstelle bei einem Setzen des O-Rings bereits undicht wird. Die bevorzugte Wandstärke des Innenbehälters unter dem O-Ring beträgt 0,65mm (0,05mm+75%x0,8mm) bis 1,22mm (0,5mm+90%x0,8mm), wobei bei einer Wandstärkenreduktion des Innenbehälters in der Größenordnung der Verpressung des O-Rings noch ein Dichtdruck durch den O-Ring vorliegt und die Dichtstelle ohne weitere Verformung des Innenbehälters erst bei einem Setzen des O-Rings von 10-25% der Verpressung undicht wird. Die besonders bevorzugte Wandstärke des Innenbehälters unter dem O-Ring beträgt 0,45mm (0,05mm+50%x0,8mm) bis 1,1mm (0,5mm+75%x0,8mm), wobei bei einer Wandstärkenreduktion des Innenbehälters in der Größenordnung der Verpressung des O-Rings noch ein Dichtdruck durch den O-Ring vorliegt und die Dichtstelle ohne weitere Verformung des Innenbehälters erst bei einem Setzen des O-Rings von 25-50% der Verpressung undicht wird.
Der offenbarte Faserverbund-Druckbehälter ermöglicht aufgrund der hohen Tragfähigkeit der dünnen Polymerschicht und der stabilen Stützwirkung der dahinterliegenden Ventilaufnahme den Verbau eines radial oder eines axial dichtenden Dichtmittels aus einem Elastomer wie z.B. einer O-Ring-Dichtung sowie den Verbau eines radial oder eines axial dichtenden Dichtmittels aus einem Polymer wie z.B. einer Foreseal -Dichtung oder den Verbau eines radial oder eines axial dichtenden Dichtmittels aus einem Metall wie z.B. eine C-Ring-Dichtung: Bei einer radialen Abdichtung ist das Dichtmittel zur Abdichtung zwischen dem Innenbehälter und dem Tankventil in einer radial nach außen offenen Nut des Tankventils oder in einer radial nach innen offenen Nut des Innenbehälter angeordnet. Bei einer axialen Abdichtung ist das Dichtmittel zur Abdichtung zwischen dem Innenbehälter und dem Tankventil in einer axial zum Innenbehälter offenen Nut des Tankventils oder in einer axial zum Tankventil offenen Nut des Innenbehälter angeordnet.
Durch diese Auslegung ist sichergestellt, dass das Dichtmittel auch bei einem kompletten Verlust der Wandstärke des Innenbehälters im Bereich des Dichtmittels aufgrund von Kriechvorgängen, wobei der Innenbehälter in diesem Fall nur mehr in hauchdünner Form vorliegt, durch die Druckkraft des Fluids im Innenbehälter bei minimalen Fülldruck an die beiden Dichtflächen angedrückt wird und dauerhaft abdichtet.
Durch die Kombination aus einem dünnwandigen Kunststoff auf einem stabilen metallischen Stützkörper wie der Ventilaufnahme wird, wie bei einem Metall-Polymer-Verbundlager, eine hohe Tragfähigkeit und eine geringe plastische bzw. viskoelastische Verformung erreicht.
Durch die Ausführung des Faserverbund-Druckbehälters mit einer Dichtstelle in Analogie zu einem Metall-Polymer-Verbundlager mit hoher Tragfähigkeit und geringer Kriechneigung wird eine dauerhafte Dichtheit des Faserverbund-Druckbehälters zwischen dem Innenbehälter und dem Tankventil sichergestellt.
Durch die Ausführung des Faserverbund-Druckbehälters mit einer Dichtstelle in Analogie zu einem Metall-Polymer-Verbundlager mit hoher Tragfähigkeit und geringer Kriechneigung können Dichtungswerkstoffe mit höheren Kontaktkräften wie z.B. Polymere oder Metalle eingesetzt werden.
Ausführungsformen
Der erfindungsgemäße Faserverbund-Druckbehälter sowie alternative Ausführungsvarianten werden in weiterer Folge anhand der Figuren erläutert.
Figur 1A zeigt einen erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälter in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem radial dichtenden Dichtmittel in einer Nut des Tankventils. Figur 1B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 1A.
Figur 2A zeigt den erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälter in einer alternativen Ausführungsvariante mit einem radial dichtenden Dichtmittel in einer Nut des Kunststoff- Innenbehälters. Figur 2B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 2A. Figur 3A zeigt eine weitere alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälter mit einem radial dichtenden Dichtmittel in einer Nut des Kunststoff-Innenbehälters. Figur 3B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 3A.
Figur 4A zeigt eine weitere alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälter mit einem axial dichtenden Dichtmittel in einer Nut des Tankventils. Figur 4B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 4A.
Figur 5A zeigt eine weitere alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälter mit einem axial dichtenden Dichtmittel in einer Nut des Innenbehälters. Figur 5B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von Figur 5A.
Fig. 1A und Fig. 1B zeigen einen Ausschnitt einer ersten möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälters 100 umfassend einen Kunststoff- Innenbehälter 1 zur Aufnahme eines Fluids mit einer Öffnung 2, eine Ventilaufnahme 3 zur Aufnahme eines Tankventils 4 sowie zur Abstützung des Kunststoff-Innenbehälters 1 und eine außenliegende lasttragende Schale 5 aus einem Faserverbundwerkstoff zur Umschließung des Innenbehälters 1 und der Ventilaufnahme 3. Der Innenbehälter 1 umfasst einen nach außen gerichteten zylindrischen Kragen 6 mit einer in radialer Richtung nach innen wirkenden zylindrischen Dichtfläche 7, wobei der Bereich des Kragens 6 im Normalbetrieb in radialer und in axialer Richtung an der Ventilaufnahme 3 und der restliche Innenbehälter 1 an der Schale 5 anliegt. Die Ventilaufnahme 3 umfasst ein Befestigungsgewinde 8, einen zylindrischen Stützbereich 9 zur radialen Abstützung des Innenbehälters im Bereich der Dichtfläche 7, einen Flansch 10 zur axialen Abstützung des Innenbehälters 1 und liegt im Normalbetrieb am Innenbehälter 1 und der Schale 5 an. Das Tankventil 4 umfasst ein Befestigungsgewinde 11 zur Verschraubung mit dem Befestigungsgewinde 8 und einer radial nach außen offenen Nut 12 mit einer radial wirkenden Dichtfläche 13 zur Aufnahme eines Dichtmittels 14, wobei das Dichtmittel 14 gegen die Dichtfläche 7 des Innenbehälters 1 dichtet.
Der Druckraum 15 zur Speicherung des Fluids wird vom Innenbehälter 1, dem Tankventil 4 und dem Dichtmittel 14 begrenzt. Die radiale Verpressung des Dichtmittels 14 im eingebauten Zustand erzeugt eine radiale Anpresskraft zwischen den zugeordneten Dichtflächen 7 und 13 zur Erzielung der Dichtwirkung und Abdichtung des Druckraums 15.
Das Dichtmittel 14 liegt im Normalbetrieb an der druckabgewandten Seite der Nut 12 des Tankventils 4 an und überträgt die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf das Tankventil 4.
Fig. 2A und Fig. 2B zeigen einen Ausschnitt einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälters 100 umfassend einen Innenbehälter 1 zur Aufnahme eines Fluids mit einer Öffnung 2, eine Ventilaufnahme 3 zur Aufnahme eines Tankventils 4 sowie zur Abstützung des Kunststoff-Innenbehälters 1 und eine außenliegende lasttragende Schale 5 aus einem Faserverbundwerkstoff zur Umschließung des Innenbehälters 1 und der Ventilaufnahme 3. Der Innenbehälter 1 umfasst einen nach außen gerichteten zylindrischen Kragen 6, eine radial nach innen offenen Nut 16 mit einer radial wirkenden Dichtfläche 7 zur Aufnahme eines Dichtmittels 14, wobei der Bereich des Kragens 6 im Normalbetrieb in radialer und in axialer Richtung an der Ventilaufnahme 3 und der restliche Innenbehälter 1 an der Schale 5 anliegt. Die Ventilaufnahme 3 umfasst ein Befestigungsgewinde 8, einen zylindrischen Stützbereich 9 zur radialen Abstützung des Innenbehälters 1 im Bereich der Dichtfläche 7, einen Flansch 10 zur axialen Abstützung des Innenbehälters 1 und liegt im Normalbetrieb am Innenbehälter 1 und der Schale 5 an. Das Tankventil 4 umfasst ein Befestigungsgewinde 11 zur Verschraubung mit dem Befestigungsgewinde 8 und eine radial wirkende Dichtfläche 13 zur Abdichtung gegen das Dichtmittel 14.
Der Druckraum 15 zur Speicherung des Fluids wird vom Innenbehälter 1, dem Tankventil 4 und dem Dichtmittel 14 begrenzt.
Die radiale Verpressung des Dichtmittels 14 im eingebauten Zustand erzeugt eine radiale Anpresskraft zwischen den zugeordneten Dichtflächen 7 und 13 zur Erzielung der Dichtwirkung und Abdichtung des Druckraums 15.
Das Dichtmittel 14 liegt im Normalbetrieb an der druckabgewandten Seite der Nut 16, d.h. an der Ventilaufnahme 3 an und überträgt die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf die Ventilaufnahme 3, wodurch die Kraft des Tankventils 4 sinkt.
Fig. 3A und Fig. 3B zeigen einen Ausschnitt einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälters 100 umfassend einen Innenbehälter 1 zur Aufnahme des Fluids mit einer Öffnung 2, eine Ventilaufnahme 3 zur Aufnahme eines Tankventils 4 sowie zur Abstützung des Kunststoff-Innenbehälters 1 und eine außenliegende lasttragende Schale 5 aus einem Faserverbundwerkstoff zur Umschließung des Innenbehälters 1 und der Ventilaufnahme 3. Der Innenbehälter 1 umfasst einen nach außen gerichteten zylindrischen Kragen 6, eine radial nach innen offenen Nut 16 mit einer radial wirkenden Dichtfläche 7 zur Aufnahme eines Dichtmittels 14, wobei der Bereich des Kragens 6 im Normalbetrieb in radialer und in axialer Richtung an der Ventilaufnahme 3 und der restliche Innenbehälter 1 an der Schale 5 anliegt. Die Ventilaufnahme 3 umfasst ein Befestigungsgewinde 8, einen zylindrischen Stützbereich 9 zur radialen Abstützung des Innenbehälters 1 im Bereich der Dichtfläche 7, einen Flansch 10 zur axialen Abstützung des Innenbehälters 1 und liegt im Normalbetrieb am Innenbehälter 1 und der Schale 5 an. Das Tankventil 4 umfasst ein Befestigungsgewinde 11 zur Verschraubung mit dem Befestigungsgewinde 8 und eine radial wirkenden Dichtfläche 13, wobei das Dichtmittel 14 gegen die Dichtfläche 13 des Tankventils 4 dichtet.
Der Druckraum 15 zur Speicherung des Fluids wird vom Innenbehälter 1, dem Tankventil 4 und dem Dichtmittel 14 begrenzt. Die radiale Verpressung des Dichtmittels 14 erzeugt eine radiale Anpresskraft zwischen den zugeordneten Dichtflächen 7 und 13 zur Erzielung der Dichtwirkung und Abdichtung des Druckraums 15.
Das Dichtmittel 14 liegt im Normalbetrieb an der druckabgewandten Seite der Nut 16, d.h. am Tankventil 4 an und überträgt die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf das Tankventil 4.
Fig. 4A und Fig. 4B zeigen einen Ausschnitt einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälters 100 umfassend einen Innenbehälter 1 zur Aufnahme eines Fluids mit einer Öffnung 2, eine Ventilaufnahme 3 zur Aufnahme eines Tankventils 4 sowie zur Abstützung des Kunststoff-Innenbehälters 1 und eine außenliegende lasttragende Schale 5 aus einem Faserverbundwerkstoff zur Umschließung des Innenbehälters 1 und der Ventilaufnahme 3. Der Innenbehälter 1 umfasst einen nach außen gerichteten zylindrischen Kragen 6 mit einer in axialer Richtung wirkenden ebenen Dichtfläche 7, wobei der Bereich des Kragens 6 im Normalbetrieb in radialer und in axialer Richtung an der Ventilaufnahme 3 und der restliche Innenbehälter 1 an der Schale 5 anliegt. Die Ventilaufnahme 3 umfasst ein Befestigungsgewinde 8, einen zylindrischen Stützbereich 9 zur radialen Abstützung des Innenbehälters 1, einen Flansch 10 zur axialen Abstützung des Innenbehälters 1, einen Stützbereich 17 zur axialen Abstützung des Innenbehälters 1 im Bereich der Dichtfläche 7 und liegt im Normalbetrieb am Innenbehälter 1 und der Schale 5 an. Das Tankventil 4 umfasst ein Befestigungsgewinde 11 zur Verschraubung mit dem Befestigungsgewinde 8 und eine in axialer Richtung offene Nut 12 mit einer axial wirkenden Dichtfläche 13 zur Aufnahme eines Dichtmittels 14, wobei das Dichtmittel 14 gegen die Dichtfläche 7 des Innenbehälters 1 dichtet.
Der Druckraum 15 zur Speicherung des Fluids wird vom Innenbehälter 1, dem Tankventil 4 und dem Dichtmittel 14 begrenzt. Die axiale Verpressung des Dichtmittels 14 im eingebauten Zustand erzeugt eine axiale Anpresskraft zwischen den zugeordneten Dichtflächen 7 und 13 zur Erzielung der Dichtwirkung und Abdichtung des Druckraums 15.
Das Dichtmittel 14 liegt im Normalbetrieb an der Dichtfläche 13 des Tankventils 4 an und überträgt die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf das Tankventil 4. Fig. 5A und Fig. 5B zeigen einen Ausschnitt einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Faserverbund-Druckbehälters 100 umfassend einen Innenbehälter 1 zur Aufnahme eines Fluids mit einer Öffnung 2, eine Ventilaufnahme 3 zur Aufnahme eines Tankventils 4 sowie zur Abstützung des Kunststoff-Innenbehälters 1 und eine außenliegende lasttragende Schale 5 aus einem Faserverbundwerkstoff zur Umschließung des Innenbehälters 1 und der Ventilaufnahme 3. Der Innenbehälter 1 umfasst einen im Wesentlichen normal auf die Längsachse des Innenbehälters 1 ausgeführten Stützbereich 17, eine axial nach außen offene Nut 16 zur Aufnahme des Dichtmittels mit einer ebenen Dichtfläche 7, wobei der Stützbereich 17 im Normalbetrieb in axialer Richtung an der Ventilaufnahme 3 und der restliche Innenbehälter 1 außenseitig an der Schale 5 anliegt und wobei auf der Stützbereich 17 gegenüberliegenden Innenseite des Innenbehälters 1 ein Abstützteil 18 zur axialen Abstützung der Dichtfläche 7 angebracht ist. Die Ventilaufnahme 3 umfasst ein Befestigungsgewinde 8, einen zylindrischen Stützbereich 9 zur radialen Abstützung der Schale 5, einen Flansch 10 zur axialen Abstützung des Innenbehälters 1 und liegt im Normalbetrieb am Innenbehälter 1 und der Schale 5 an. Das Tankventil 4 umfasst ein Befestigungsgewinde 11 zur Verschraubung mit dem Befestigungsgewinde 8 und eine axial wirkende Dichtfläche 13, wobei das Dichtmittel 14 gegen die Dichtfläche 7 des Innenbehälters 1 dichtet.
Die Nut 16 zur Aufnahme des Dichtmittels wird in axialer Richtung durch den Raum zwischen der Dichtfläche 7 des Kunststoffbehälters 1 und der Dichtfläche 13 des Tankventils 4 gebildet und ist zumindest auf der Innenseite offen.
Der Druckraum 15 zur Speicherung des Fluids wird vom Innenbehälter 1, dem Tankventil 4 und dem Dichtmittel 14 begrenzt. Die axiale Verpressung des Dichtmittels 14 im eingebauten Zustand erzeugt eine axiale Anpresskraft zwischen den zugeordneten Dichtflächen 7 und 13 zur Erzielung der Dichtwirkung und Abdichtung des Druckraums 15.
Das Dichtmittel 14 liegt im Normalbetrieb an der druckabgewandten Seite der Nut 16 am Tankventils 4 an und überträgt die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf das Tankventil 4.
Vorzugsweise ist der Innenbehälter 1 aus einem Polymer gefertigt, wahlweise ist der Innenbehälter 1 aus einem Elastomer oder einem metallischen Werkstoff gefertigt.
Vorzugsweise ist der Innenbehälter 1 einteilig ausgeführt, wahlweise ist der Innenbehälter 1 mehrteilig ausgeführt, wobei die einzelnen Teile dicht miteinander verbunden sind.
Vorzugweise wird die Dichtfläche 7 bei der Herstellung des Innenbehälters 1 oder von Teile des Innenbehälters 1 durch Spritzgießen, Blasformen, Rotationsguss oder dergleichen ohne nachfolgende Bearbeitung hergestellt, wahlweise wird der Bereich der Dichtfläche 7 des Innenbehälters 1 durch mechanische, thermische oder thermomechanische Bearbeitung hergestellt. Vorzugsweise ist der Innenbehälter 1 mit einer Öffnung 2 ausgeführt, wahlweise ist der Innenbehälter 2 beidseitig mit einer Öffnung 2 ausgeführt.
Vorzugsweise ist der Innenbehälter 1 zur Übertragung von Kräften bzw. Drehmomenten bei der Herstellung der Schale 5 und im Betrieb an die Ventilaufnahme 3 angespritzt, wahlweise ist der Innenbehälter 1 zur Übertragung von Kräften bzw. Drehmomenten bei der Herstellung der Schale 5 und im Betrieb an die Ventilaufnahme 3 angeklebt, mit der Ventilaufnahme 3 verschraubt, mit der Ventilaufnahme 3 verpresst oder in geeigneter Ausführung kraft- und/oder formschlüssig mit der Ventilaufnahme 3 verbunden.
Vorzugsweise ist der Bereich zwischen dem Kragen 6 und den daran anschließenden Innenbehälter 1, also der Übergang zwischen dem sogenannten Dom-Bereich und dem Kragen 6, nach innen gewölbt, wahlweise ist der Bereich zwischen dem Kragen 6 und den daran anschließenden Innenbehälter 1 nach außen gewölbt oder ist im Wesentlichen senkrecht auf die Längsachse des Innenbehälters 1 ausgeführt.
Vorzugweise erfolgt der Übergang von der Wandstärke des Innenbehälters 1 im Bereich des Dichtmittels 14 zur Wandstärke des Innenbehälters 1 kontinuierlich, wahlweise erfolgt der Übergang von der Wandstärke des Innenbehälters 1 im Bereich des Dichtmittels 14 zur Wandstärke des Innenbehälters 1 in Form einer oder mehreren Stufen.
Vorzugsweise erfolgt die radiale Abstützung des Innenbehälters 1 im Bereich des Dichtmittels 14 durch die Ventilaufnahme, wahlweise erfolgt die radiale Abstützung der Innenbehälters 1 im Bereich des Dichtmittels 14 durch einen Einlegeteil des Innenbehälters 1, d.h. durch einen Teil, der teilweise z.B. aufgeschobene Hülse oder teilweise umspritzte Hülse oder vollständig vom Innenbehälter 1 umgeben ist.
Vorzugsweise erfolgt die axiale Abstützung der Innenbehälters 1 im Bereich des Dichtmittels 14 durch die Ventilaufnahme, wahlweise erfolgt die axiale Abstützung der Innenbehälters 1 im Bereich des Dichtmittels 14 durch einen an Einlegeteil des Innenbehälters 1, d.h. durch einen Teil, der durch Anspritzen des Innenbehälters 1 teilweise z.B. aufgeschobene Hülse oder teilweise umspritze Hülse oder vollständig vom Innenbehälter 1 umgeben ist.
Vorzugsweise ist der zylindrische Kragen 6 nach außen gerichtet, wahlweise ist der zylindrische Kragen 6 nach innen gerichtet. Wahlweise ist kein zylindrischer Kragen 6 ausgeführt und das Dichtmittel 14 dichtet gegen die Dichtfläche 7 eines im Wesentlichen senkrecht auf die Längsachse des Innenbehälters 1 ausgeführte Stützbereichs 17 oder gegen eine beliebig nach innen und/oder beliebig nach außen gewölbte Fläche.
Vorzugsweise ist die Nut 16 des Innenbehälters 1 offen ausgeführt, wahlweise ist die Nut 16 geschlossen ausgeführt. Vorzugsweise hat die Nut 16 des Innenbehälters 1 einen rechteckigen Querschnitt, wahlweise hat die Nut 16 einen anderen als einen rechteckigen Querschnitt, z.B. einen dreieckigen Querschnitt.
Vorzugsweise hat die Dichtfläche 7 des Innenbehälters 1 bei einer radialen Verpressung des Dichtmittels 14 eine zylindrische Form, wahlweise hat die Dichtfläche 7 eine von der Zylinderform abweichende Form.
Vorzugsweise hat die Dichtfläche 7 des Innenbehälters 1 bei einer axialen Verpressung des Dichtmittels 14 eine ebene Form, wahlweise hat die Dichtfläche 7 eine von der Ebenheit abweichende Form.
Vorzugsweise ist die Ventilaufnahme 3 einteilig ausgeführt, wahlweise ist die Ventilaufnahme 3 mehrteilig ausgeführt, wobei die einzelnen Teile form- und/oder kraftschlüssig verbunden oder nicht verbunden sind.
Vorzugsweise hat die Anlagefläche des Dichtmittels 14 an der Ventilaufnahme 3 eine ebene Form, wahlweise hat die Anlagefläche des Dichtmittels 14 an der Ventilaufnahme 3 eine von der ebenen Form abweichende Form.
Vorzugsweise ist die Ventilaufnahme 3 mit einem nach außen und/oder nach innen gerichtetem Profilen oder einem Flansch an der dem Flansch 10 gegenüberliegenden Seite versehen, sodass infolge eines Formschlusses mit der Schale 5 Kräfte und Drehmomente in axialer und/oder radialer Richtung zwischen der Ventilaufnahme 3 und der Schale 5 übertragbar sind.
Wahlweise sind die Ventilaufnahme 3 und das Tankventil 4 ein Bauteil. Vorzugsweise ist das Tankventil 4 ein Behälterventil zur Steuerung der Massenströme bei der Betankung, im Stillstand und im Betrieb, wahlweise ist das Tankventil 4 ein Verschluss zum Verschließen der Öffnung 2.
Vorzugsweise ist das Tankventil 4 einteilig ausgeführt, wahlweise ist das Tankventil 4 mehrteilig ausgeführt, wobei die einzelnen Teile im verbauten Zustand form- und/oder kraftschlüssig verbunden sind.
Vorzugsweise ist die Nut 12 des Tankventils 4 geschlossen ausgeführt, wahlweise ist die Nut 12 offen ausgeführt.
Vorzugsweise hat die Nut 12 des Tankventils 4 einen rechteckigen Querschnitt, wahlweise hat die Nut 12 einen anderen als einen rechteckigen Querschnitt, z.B. einen dreieckigen Querschnitt.
Vorzugsweise hat die Dichtfläche 13 des Tankventils 4 bei einer radialen Verpressung des Dichtmittels 14 eine zylindrische Form, wahlweise hat die Dichtfläche 13 eine von der Zylinderform abweichende Form. Vorzugsweise hat die Dichtfläche 13 des Tankventils 4 bei einer axialen Verpressung des Dichtmittels 13 eine ebene Form, wahlweise hat die Dichtfläche 7 eine von der Ebenheit abweichende Form.
Vorzugsweise überträgt das Dichtmittel 14 die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf das Tankventil 4, wahlweise überträgt das Dichtmittel 14 die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf die Ventilaufnahme 3 oder wahlweise überträgt das Dichtmittel 14 die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf die Ventilaufnahme 3 und auf das Tankventil 4.
Vorzugsweise ist das Dichtmittel 14 aus einem Elastomer gefertigt, wahlweise ist das Dichtmittel 14 aus einem Polymer, einem Metall oder einer Kombination aus Elastomeren, und/oder Polymeren und/oder Metallen gefertigt.
Vorzugsweise dichtet ein Dichtmittel 14 zwischen dem Innenbehälter 1 und dem Tankventil 4, wahlweise dichten mehrere Dichtmittel 14 zwischen dem Innenbehälter 1 und dem Tankventil 4.
Vorzugsweise ist das Dichtmittel 14 im Bereich des größten Flanschdurchmessers 10 angeordnet.
Wahlweise ist ein Stützring auf der dem Druck abgewandten Seite verbaut, um eine Extrusion des Dichtmittels 14 zu verhindern. Wahlweise ist ein Stützring auf der dem Druck zugewandten Seite installiert, um eine Extrusion des Dichtmittels 14 bei Rückdruck zu verhindern.
Vorzugsweise ist der Abstützteil 18 ein abgewinkeltes Teil, wahlweise ist der Abstützteil 18 ein ebenes Teil.
Vorzugsweise ist der Abstützteil 18 form- und/oder kraftschlüssig mit dem Innenbehälter 1 verbunden.
Das vorgestellte Dichtprinzip mit einer Wandstärke des Innenbehälters 1 im Bereich des Dichtmittels 14 von 0,05 mm bis 0,5 mm und zusätzlich maximal 100% der zulässigen Verpressung des Dichtmittels 14 kann in einfacher Weise auf die Abdichtung des Innenbehälters 1 zur Ventilaufnahme 3 übertragen werden, wobei die Dichtfläche 13 an der Ventilaufnahme 3 statt am Tankventil 4 ausgeführt ist, wobei das Dichtmittel 14 immer an der druckabgewandten Seite der Nut 16 an der Ventilaufnahme 3 anliegt und die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel 14 wirkende Axialkraft auf die Ventilaufnahme 3 überträgt. In diesem Fall ist ein weiteres Dichtmittel zur Abdichtung des Tankventils 4 zur Ventilaufnahme 3 erforderlich. Der für die Tragfähigkeit des Innenbehälters 1 im Bereich des Dichtmittels 14 erforderliche Stützbereich 9 ist ein Teil der Ventilaufnahme 3 oder ein separater Bauteil. Bezugszeichenliste
1 Innenbehälter
2 Öffnung
3 Ventilaufnahme
4 Tankventil
5 Schale
6 Kragen
7 Dichtfläche
8 Befestigungsgewinde
9 Stützbereich
10 Flansch
11 Befestigungsgewinde
12 Nut
13 Dichtfläche
14 Dichtmittel
15 Druckraum
16 Nut
17 Stützbereich
18 Abstützteil
100 Faserverbund-Druckbehälter

Claims

Ansprüche
1. Faserverbund-Druckbehälter (100) zur Speicherung von flüssigen oder gasförmigen Medien, umfassend einen Innenbehälter (1) zur Aufnahme des Mediums mit einer Öffnung (2) und einer Dichtfläche (7), einer Ventilaufnahme (3) zur teilweise radialen und teilweise axialen Abstützung des Innenbehälters (1), wobei die Ventilaufnahme
(3) form- und/oder kraftschlüssig mit dem Innenbehälter (1) verbunden ist, eine Schale (5) aus einem Faserverbundwerkstoff zur Umschließung des Innenbehälters (1) und der Ventilaufnahme (3) zur Aufnahme der Kräfte infolge des Drucks im Innenbehälter (1) und einem Tankventil (4) zum Verschluss der Öffnung (2) mit einer Dichtfläche (13), wobei das Tankventil (4) form- und/oder kraftschlüssig mit der Ventilaufnahme (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtmittel (14) gegen die Dichtfläche (7) des Innenbehälters (1) und gegen die Dichtfläche (13) des Tankventils (4) dichtet, wobei die Wandstärke des Innenbehälters (1) im Bereich des Dichtmittels (14) maximal 0,5 mm plus die zulässige Verpressung des Dichtmittels (14) und vorzugsweise 0,05 mm plus 50% der zulässigen Verpressung des Dichtmittels (14) beträgt .
2. Faserverbund-Druckbehälter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (14) in einer Nut (12) des Tankventils (4) angeordnet ist, wobei das Dichtmittel (14) in radialer Richtung gegen die Dichtfläche (13) der des Tankventils (4) und gegen die Dichtfläche (7) des Innenbehälters (1) abdichtet, wobei das Dichtmittel (14) infolge des Druckes im Innenbehälter (1) in axialer Richtung am Tankventil (4) anliegt und die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel (14) wirkende Axialkraft auf das Tankventil (4) überträgt.
3. Faserverbund-Druckbehälter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (14) in einer Nut (16) des Innenbehälters (1) angeordnet ist, wobei das Dichtmittel (14) in radialer Richtung gegen die Dichtfläche (13) des Tankventils
(4) und gegen die Dichtfläche (7) des Innenbehälters (1) abdichtet, wobei das Dichtmittel (14) infolge des Druckes im Innenbehälter (1) ) in axialer Richtung am Tankventil (4) anliegt und die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel (14) wirkende Axialkraft auf das Tankventil (4) überträgt.
4. Faserverbund-Druckbehälter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (14) in einer Nut (16) des Innenbehälters (1) angeordnet ist, wobei das Dichtmittel (14) in radialer Richtung gegen die Dichtfläche (13) des Tankventils (4) und gegen die Dichtfläche (7) des Innenbehälters (1) abdichtet, wobei das Dichtmittel (14) infolge des Druckes im Innenbehälter (1) ) in axialer Richtung an der Ventilaufnahme (3) anliegt und die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel (14) wirkende Axialkraft auf die Ventilaufnahme (3) überträgt. Faserverbund-Druckbehälter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (14) in einer Nut (12) des Tankventils (4) angeordnet ist, wobei das Dichtmittel (14) in axialer Richtung gegen die Dichtfläche (7) des Innenbehälters (1) und gegen die Dichtfläche (13) des Tankventils (4) abdichtet, wobei das Dichtmittel (14) infolge des Druckes im Innenbehälter (1) ) in axialer Richtung am Tankventil (4) anliegt und das Dichtmittel (14) die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel (14) wirkende Axialkraft auf das Tankventil (4) überträgt. Faserverbund-Druckbehälter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (14) in einer Nut (16) des Innenbehälters (1) angeordnet ist, wobei das Dichtmittel (14) in axialer Richtung gegen die Dichtfläche (7) des Innenbehälters (1) und gegen die Dichtfläche (13) des Tankventils (4) abdichtet, wobei das Dichtmittel (14) infolge des Druckes im Innenbehälter (1) ) in axialer Richtung am Tankventil (4) anliegt und das Dichtmittel (14) die aus dem Innendruck auf das Dichtmittel (14) wirkende Axialkraft auf das Tankventil (4) überträgt. Faserverbund-Druckbehälter (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der der Dichtfläche (7) gegenüberliegenden Seite des Innenbehälters (1) ein Abstützteil (18) angeordnet ist. Faserverbund-Druckbehälter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Dichtmittels (14) ein Elastomer, ein Polymer, ein Metall oder eine Kombination aus einem Elastomer und/oder einem Polymer und/oder einem Metall ist. Faserverbund-Druckbehälter (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der druckabgewandten Seite des Dichtmittels (14) ein Stützring angeordnet ist.
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