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DE102018204803B4 - Druckbehälter sowie Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug - Google Patents

Druckbehälter sowie Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug Download PDF

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DE102018204803B4
DE102018204803B4 DE102018204803.7A DE102018204803A DE102018204803B4 DE 102018204803 B4 DE102018204803 B4 DE 102018204803B4 DE 102018204803 A DE102018204803 A DE 102018204803A DE 102018204803 B4 DE102018204803 B4 DE 102018204803B4
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter (10) mit einer Außenhülle (12) aus Faserverbundkunststoff (CFK, GFK) und einem zylinderähnlichen Mittelbereich und zwei sich daran anschließenden Endbereichen, sowie eine Druckbehälteranordnung (1) für ein Fahrzeug mit einem solchen Druckbehälter (10). Erfindungsgemäß umfasst der Druckbehälter (10) mindestens einen um den Mittelbereich (14) umlaufenden Ringbereich (20), welcher eine Mehrzahl von längs verlaufenden und äquidistant am Umfang verteilte Erhebungen (22) aufweist, welche dafür geeignet sind, mit entsprechenden Vertiefungen (32) eines um den Ringbereich (20) angeordneten und formschlüssig darauf angepassten ringähnlichen Anbindungselements (30) eine kraftschlüssige Verbindung einzugehen, welche zumindest zur Übertragung eines Torsionsmoments geeignet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug mit einem solchen Druckbehälter.
  • Druckbehälter und korrespondierende Druckbehälteranordnungen für Fahrzeug sind in zahlreichen Variationen bekannt. Allgemein können solche Druckbehälter beispielsweise mit Gasen oder druckverflüssigten Gasen befüllt werden und daher eine erhebliche Energiemenge speichern. So kann beispielsweise ein sogenannter Typ-4-Hochdruckbehälter für komprimiertes Erdgas in einem heckseitigen Laderaum und/oder unterflurig im Bereich eines Mitteltunnels der Fahrzeugkarosserie eines Fahrzeug verbaut sein, welches mit Erdgas betrieben wird.
  • Ein gattungsgemäßer Druckbehälter weist bevorzugt eine zylindrische Bauform auf, bei der ein zylindrischer Druckbehältermantel durch nach außen gewölbte, stirnseitigen Böden beidseitig verschlossen ist. Die Druckbehälterwand kann beispielsweise dreilagig aufgebaut sein und eine Innenlage, eine Mittellage aus einem Faserverbundkunststoff sowie eine Außenlage aus einem weiteren Faserverbundkunststoff umfassen. In dem oben erwähnten Typ-4-Hochdruckbehälter ist die Innenlage ein Kunststoff-Liner, der über Blasformen oder Rotations-/Sinter-Verfahren oder Thermoformverfahren hergestellt ist. Die den Kunststoff-Liner verstärkende Mittellage ist bevorzugt in einem Nasswickelverfahren als eine Faserwicklung auf den Kunststoff-Liner aufgewickelt. Exemplarisch besteht die Faserwicklung aus zum Beispiel Kohlenstoff-, Aramid-, Glas- und/oder Borfasern, die in einer Matrix aus Duromeren oder aus Thermoplasten eingebettet sind. Die Fasern sind in unterschiedlichen Faserorientierungen auf den Kunststoff-Liner aufgebracht. Die bevorzugt schlagabsorbierende Außenlage kann ebenfalls eine Faserwicklung sein, die in einem Nasswickelverfahren auf die Mittellage aufgewickelt wird. Die so gebildete Außenwicklung besteht beispielhaft aus Kohlenstoff- und/oder Glasfasern, die in einer Matrix eingebettet sind.
  • Der fertiggestellte Hochdruckbehälter weist beispielsweise an einem stirnseitigen Behälterboden ein nach außen abragendes Halsstück auf, in das ein Ventil integriert ist. Ansonsten ist Hochdruckbehälter außenseitig meist komplett glattflächig ausgeführt. In seiner Einbaulage ist der Hochdruckbehälter in gängiger Praxis mittels Spannbänder lagegesichert, die die glattflächige Zylinderwand des Hochdruckbehälters umgreifen.
  • Aus der DE 10 2011 051 436 A1 ist beispielsweise ein Strukturelement für ein Fahrzeug bekannt, das einen Druckspeicher und zwei Verbindungselemente zur Verbindung des Druckspeichers mit einer tragenden Struktur des Fahrzeugs aufweist.
  • Aus der DE 10 2011 113 238 A1 ist eine Karosseriestruktur für einen Kraftwagen, insbesondere für eine Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, bekannt. Die Karosseriestruktur umfasst eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Strukturbauteilen, wobei wenigstens eines der Strukturbauteile durch ein Gehäuseteil für eine Energiespeichereinrichtung zum Speichern eines Mediums oder elektrischer Energie zum Antreiben des Kraftwagens gebildet ist.
  • Aus der DE 10 2015 206 825 A1 ist ein Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug, mit einer Befestigungsvorrichtung bekannt, welche den Druckbehälter mit einer Karosserie des Kraftfahrzeuges zu verbindet.
  • Aus der US 2015/0096977 A1 ist eine Kraftstofftank für ein Fahrzeug bekannt, welcher mittels Gurten und Halterungen befestigt wird, die auf einem Dichtungssystem sitzen, um ein Gleiten und Drehen in Längsrichtung zu verhindern.
  • Aus der JP 2010-276059 A ist ein Hochdruckgastank bekannt, welcher eine Verstärkungsschicht aufweist, die durch Wickeln von Kohlenstofffasern auf einer Außenfläche eines Liners gebildet ist.
  • Aus der CN 203612431 U ist eine innere und äußere Tankstützstruktur bekannt, die eine Gleitstützanordnung und eine feste Stützanordnung umfasst, die zwischen einem inneren Tank und einem äußeren Tank angeordnet ist, wobei die Gleitstützanordnung eine äußere Tankstützabdeckung umfasst.
  • Aus der DE 25 16 578 A1 ist eine Tragstruktur für einen zylindrischen oder kugelförmigen Tank, insbesondere für ein Flüssiggastankschiff bekannt.
  • Aus der DE 10 2014 226 550 A1 ist eine Aufhängung zur Anbringung eines Innenbehälters an einem Außenbehälter eines kryogenen Druckbehälters bekannt.
  • Aus der DE 10 2015 220 530 B4 ist ein Liner für einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff bekannt. Von der Oberfläche des Liners stehen Stifte ab. Die Stifte sind einstückig mit dem Liner ausgebildet. Eine faserverstärkte Schicht umgibt den Liner zumindest bereichsweise. Zudem ist die Dicke der faserverstärkten Schicht zumindest bereichsweise geringer als die Länge von mindestens einem Stift, wobei zumindest ein Stift ausgebildet ist, externe Lasten von einer Fahrzeugkarosserie des Kraftfahrzeuges in den Liner und/oder in die faserverstärkte Schicht zu übertragen.
  • Aus der DE 10 2015 222 392 A1 ist ein Druckbehälter mit einem Lastring bekannt. Der Druckbehälter umfasst einen Liner zur Speicherung von Brennstoff, eine faserverstärkte Schicht, die den Liner zumindest bereichsweise umgibt, und mindestens einen Lastring. Von der Oberfläche des Lastrings stehen Verbindungsstifte ab, welche aus der faserverstärkten Schicht vorstehen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckbehälter sowie eine Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug mit einem solchen Druckbehälter bereitzustellen, welcher in einfacher Weise als Versteifungselement torsionsfest an einer Fahrzeugstruktur angebunden werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Druckbehälter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Um einen Druckbehälter sowie eine Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug, mit einem solchen Druckbehälter bereitzustellen, welcher in einfacher Weise als Versteifungselement torsionsfest an einer Fahrzeugstruktur angebunden werden kann, umfasst der Druckbehälter mindestens einen um einen Mittelbereich umlaufenden Ringbereich, welcher eine Mehrzahl von längs verlaufenden und äquidistant am Umfang verteilte Erhebungen aufweist. Die Erhebungen sind dafür geeignet, mit entsprechenden Vertiefungen eines um den Ringbereich angeordneten und formschlüssig darauf angepassten ringähnlichen Anbindungselements eine kraftschlüssige Verbindung einzugehen, welche zumindest zur Übertragung eines Torsionsmoments geeignet ist.
  • Der Druckbehälter umfasst eine Außenhülle aus Faserverbundkunststoff und einen zylinderähnlichen Mittelbereich und zwei sich daran anschließende Endbereiche. Die Druckbehälteranordnung umfasst neben dem Druckbehälter eine Fahrzeugstruktur, welche mindestens ein ringähnliches Anbindungselement aufweist. Hierbei ist der Druckbehälter durch das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement in seinem mindestens einen Ringbereich torsionsfest an die Fahrzeugstruktur angebunden. Der Faserverbundkunststoff kann vorzugsweise ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) sein
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters kann eine Behälterwand einlagig oder mehrlagig ausgeführt werden. So kann die Außenhülle einen fluiddichten Innenbehälter aus Metall oder aus faserverstärktem Kunststoff oder aus unverstärktem Kunststoff flächig umschließen oder den fluiddichten Innenbehälter selbst ausbilden. Dadurch kann der Druckbehälter massive Behälterwandstärken aufweisen und daher eine entsprechend hohe Bauteilstabilität bzw. Bauteilsteifigkeit bereitstellen und als Versteifungselement in der Fahrzeugstruktur bzw. Fahrzeugkarosserie verbaut werden. Vorzugweise wird der Druckbehälter in mindestens einen Lastpfad integriert und kann in einem Lastfall, beispielsweise bei einem Fahrzeugcrash oder im normalen Fahrbetrieb, beschädigungsfrei Betriebskräfte und/oder Crashkräfte aufnehmen und weiterleiten. Auf diese Weise können Längs- oder Querträger der Fahrzeugstruktur kräftemäßig entlastet werden, wodurch diese mit geringerer Materialstärke und/oder mit geringeren Abmessungen ausgelegt werden können.
  • Der mindestens eine Ringbereich ist zusammen mit der Außenhülle aus Faserverbundkunststoff gefertigt. So kann der umlaufende Ringbereich beispielsweise als eine Materialaufdickung außenseitig auf eine Mantelschicht der Außenhülle angeformt werden, wobei die Mantelschicht die Innenlage der Behälterwand im Wesentlichen vollständig umhüllt und eine weitgehend konstante Wanddicke aufweist. Dadurch ist Struktur zur Übertragung eines Torsionsmoments alleine in der Außenhülle der Behälterwand ausgebildet und ist ohne Einfluss auf die Innenhülle der Behälterwand. Somit wirkt sich die Übertragungsstruktur für Torsionsmomente nicht negativ auf die Bauteilstabilität des Druckbehälters aus, so dass eine betriebssichere Druckspeicherung nicht beeinträchtigt wird.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des Druckbehälters können die Erhebungen durch eine mechanische Nachbearbeitung, insbesondere durch eine spanabhebende Nachbearbeitung wie beispielsweise Fräsen, in den mindestens einen Ringbereich eingebracht werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Druckbehälteranordnung kann das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement eine Mehrzahl von äquidistant am Umfang verteilte Vertiefungen mit der gleichen Teilung wie die Erhebungen des mindestens einen Ringbereichs aufweisen. Dadurch können die Erhebungen des mindestens einen Ringbereichs in die Vertiefungen des mindestens einen ringähnlichen Anbindungselements nach Art eines Zahnrads eingreifen, so dass die Torsionsmomente kraftschlüssig übertragen werden können. Das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement kann beispielsweise einteilig oder mehrteilig ausgeführt werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Druckbehälteranordnung kann die Fahrzeugstruktur zwei ringähnliche Anbindungselemente umfassen, welche einen vorgegebenen Abstand in Axialrichtung zueinander aufweisen und jeweils mit einem Ringbereich des Druckbehälters zusammenwirken können. Im Hinblick auf eine einwandfreie sowie beschädigungsfreie Krafteinleitung in den Druckbehälter können die beider Ringbereiche in Axialrichtung von den stirnseitigen Endbereichen beabstandet und vielmehr nur im zylinderähnlichen Mittelbereich des Behältermantels verlaufen.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen. Hierbei zeigen:
    • 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Druckbehälters; und
    • 2 eine schematische Schnittdarstellung von Komponenten einer erfindungsgemäßen Druckbehälteranordnung für ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Druckbehälter aus 1.
  • Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, weist der Druckbehälter 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Außenhülle 12 aus Faserverbundkunststoff (CFK, GFK) und einen zylinderähnlichen Mittelbereich 14 und zwei sich daran anschließende Endbereiche 16, 18 auf. Hierbei umfasst der Druckbehälter 10 mindestens einen um den Mittelbereich 14 umlaufenden Ringbereich 20, welcher eine Mehrzahl von längs verlaufenden und äquidistant am Umfang verteilte Erhebungen 22 aufweist. Die Erhebungen 22 sind dafür geeignet, mit entsprechenden Vertiefungen 32 eines um den Ringbereich 20 angeordneten und formschlüssig darauf angepassten ringähnlichen Anbindungselements 30 eine kraftschlüssige Verbindung einzugehen, welche zumindest zur Übertragung eines Torsionsmoments geeignet ist.
  • Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, umfasst der dargestellte Druckbehälter 10 zwei umlaufende Ringbereiche 20, welche mit zwei korrespondierenden ringähnliche Anbindungselement 30 einer Fahrzeugstruktur 3 zusammenwirken können. Die beiden Ringbereiche 20 weisen in Axialrichtung AR einen vorgegebenen Abstand zueinander und zu den beiden Endbereichen 16, 18 des Druckbehälters 10 auf. Die beiden Endbereiche 16, 18 sind jeweils als nach außen gewölbte Behälterböden ausgeführt.
  • Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist eine Behälterwand des Druckbehälters 10 im dargestellten Ausführungsbeispiel zweilagig mit einer Innenhülle 11 und der Außenhülle 12 ausgebildet. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, weist die Außenhülle 12 eine Mantelschicht 24 mit einer weitgehend konstanten Wanddicke auf, welche die Innenhülle 11 im Wesentlichen vollständig umhüllt. Selbstverständlich kann der Druckbehälter 10 auch einlagig oder mit mehr als zwei Lagen ausgeführt werden. Die beiden umlaufenden Ringbereiche 20 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als eine Materialaufdickung außenseitig auf die Mantelschicht 24 der Außenhülle 12 angeformt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ringbereiche 20 zusammen mit der Außenhülle 12 aus Faserverbundkunststoff vorzugsweise aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) gefertigt. Die Erhebungen 22 sind durch eine spanabhebende Nachbearbeitung, insbesondere durch Fräsen, in die Ringbereiche 20 eingebracht. Das bedeutet, dass zwischen zwei Erhebungen 22 durch Fräsen Material entfernt wird.
  • Die Druckbehälteranordnung 1 für ein Fahrzeug umfasst die Fahrzeugstruktur 3, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei ringähnliche Anbindungselemente 30 aufweist, und den Druckbehälter 10 mit den beiden Ringbereichen 20. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, weisen die ringähnlichen Anbindungselemente 30 jeweils eine Mehrzahl von äquidistant am Umfang verteilte Vertiefungen 32 mit der gleichen Teilung wie die Erhebungen 22 der Ringbereiche 20 des Druckbehälters auf. Die Vertiefung 32 sind in Bezug auf eine dem Druckbehälter 10 zugewandte Außenseite 34 in das Anbindungselement 30 eingebracht. Dadurch können die Erhebungen 22 der Ringbereiche 20 in die Vertiefungen 32 der ringähnlichen Anbindungselement 30 nach Art eines Zahnrads eingreifen, so dass die Torsionsmomente kraftschlüssig übertragen werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ringähnlichen Anbindungselement 30 einteilig ausgeführt. Alternativ können die ringähnlichen Anbindungselemente 30 mehrteilig ausgeführt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Druckbehälteranordnung
    3
    Fahrzeugstruktur
    10
    Druckbehälter
    11
    Innenhülle
    12
    Außenhülle
    14
    Mittelbereich
    16, 18
    Endbereich
    20
    Ringbereich
    22
    Erhebung
    24
    Mantelschicht
    30
    Anbindungselement
    32
    Vertiefung
    34
    Außenseite
    AR
    Axialrichtung

Claims (8)

  1. Druckbehälter (10) mit einer Außenhülle (12) aus Faserverbundkunststoff und einem zylinderähnlichen Mittelbereich (14) und zwei sich daran anschließenden Endbereichen (16, 18), wobei der Druckbehälter (10) mindestens einen um den Mittelbereich (14) umlaufenden Ringbereich (20) umfasst, der zusammen mit der Außenhülle (12) aus Faserverbundkunststoff gefertigt und als eine Materialaufdickung außenseitig auf eine Mantelschicht (24) der Außenhülle (12) angeformt ist, wobei der mindestens eine Ringbereich (20) eine Mehrzahl von längs verlaufenden und äquidistant am Umfang verteilte Erhebungen (22) aufweist, welche dafür geeignet sind, mit entsprechenden Vertiefungen (32) eines um den Ringbereich (20) angeordneten und formschlüssig darauf angepassten ringähnlichen Anbindungselements (30) eine kraftschlüssige Verbindung einzugehen, welche zumindest zur Übertragung eines Torsionsmoments geeignet ist.
  2. Druckbehälter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Behälterwand einlagig oder mehrlagig ausgebildet ist.
  3. Druckbehälter (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbundkunststoff ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) ist.
  4. Druckbehälteranordnung (1) für ein Fahrzeug, mit einer Fahrzeugstruktur (3), welche mindestens ein ringähnliches Anbindungselement (30) aufweist, und einem Druckbehälter (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgeführt ist, wobei der Druckbehälter (10) durch das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement (30) in seinem mindestens einen Ringbereich (20) torsionsfest an die Fahrzeugstruktur (3) angebunden ist.
  5. Druckbehälteranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement (30) eine Mehrzahl von äquidistant am Umfang verteilte Vertiefungen (32) mit der gleichen Teilung wie die Erhebungen (22) des mindestens einen Ringbereichs (20) aufweist.
  6. Druckbehälteranordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement (30) einteilig ausgeführt ist.
  7. Druckbehälteranordnung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine ringähnliche Anbindungselement (30) mehrteilig ausgeführt ist.
  8. Druckbehälteranordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugstruktur (3) zwei ringähnliche Anbindungselemente (30) umfasst, welche einen vorgegebenen Abstand in Axialrichtung (AR) zueinander aufweisen und jeweils mit einem Ringbereich (20) des Druckbehälters (10) zusammenwirken.
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