Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Composite-Druckbehälter für gasförmige Medi en, mit einem Liner aus Kunststoff, mindestens einem im Bereich der Öffnung des Druckbehälters angeordneten Halsstück sowie mit einer den Liner verstärkenden Außenlage eines Faserverbundwerkstoffes, wobei das Halsstück eine Durchgangsbohrung aufweist und zum Anschluss eines Ventils ausgebildet ist, wobei der Liner einen rohrförmigen Halsabschnitt mit einer Mündung an seinem axialen Ende aufweist, der sich in Richtung der Achse des Druckbehälters in das Halsstück hinein erstreckt, der auf seiner Außenseite mit einem Außengewinde und einem sich daran anschließenden gewindefreien Bereich versehen ist, und wobei in der Durchgangsbohrung des Halsstücks ein Innengewinde angeordnet ist, in welches das Außenge winde des Halsabschnitts des Liners eingeschraubt ist.

Die Halsstücke derartiger Composite-Druckbehälter werden in der Praxis als Endboss bezeichnet. Ein solcher Composite-Druckbehälter ist bei spielsweise bekannt aus der Druckschrift W099/27293 A2. Der Halsab schnitt des Liners mit der Mündung weist ein Außengewinde auf, das in ein Innengewinde der Innenwand des Halsstücks eingeschraubt ist. Der dem Liner zugewandte Endbereich des Halsstücks weist einen flachen Kragen auf, der zwischen dem Liner und der verstärkenden Außenlage angeordnet ist. Durch einen Klemmring wird bei dieser Konstruktion der Halsabschnitt des Liners in die Innenwand eingepresst. Zwischen dem Außengewinde und der stirnseitigen Mündung des Liners befindet sich auf der Außenseite des Halsabschnitts ein Dichtring, der in einer Nut des Halsstücks angeordnet ist. Ein zweiter Dichtring ist im Bereich des flachen Kragens zwischen dem Liner und dem Halsstück angeordnet. Dieser zweite Dichtring hat keine erhebliche dichtende Wirkung. Auch der erste Dichtring nahe der stirnseiti gen Mündung des Liners reicht nicht immer aus, um die hohen Drücke innerhalb des Liners gegenüber der Umgebung im gesamten vorgegebenen Temperaturbereich zuverlässig abzudichten.

Ähnliche Anordnungen sind aus der Druckschrift US 2017/0268724 A1 und der DE 10 2010 018 700 A1 bekannt. Die letztgenannte Druckschrift hat Dichtringe an der Innenseite und Außenseite nahe dem stirnseitigen Ende der rohrförmigen Mündung. Die DE 10 2009 049 948 B4 beschreibt einen zusätzlichen Einsatz, um die Abdichtung zwischen Liner und Halsstück zu bewirken. Hier befindet sich kein Dichtring unmittelbar zwischen Liner und Halsstück. Auch bei der US 2010/163565 A1 erfolgt die Abdichtung durch zusätzliche Bauteile jenseits des stirnseitigen Endes des Liners.

Bei den Druckschriften DE 1 1 2007 002 491 B4, US 2001/0255940 A1 und US 2007/01 1 1579 A1 weisen die Halsstücke einen in das Innere des Druckbehälters ragenden rohrartigen Vorsprung auf und die Liner verlaufen entlang der Außenseite dieses Vorsprungs zur Mitte des Behälters hin und sind dort abgedichtet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Composite-Druckbehälter vorzuschla gen, der bei einfacher Konstruktion optimal abgedichtet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mit dem gewindefreien Bereich des Halsabschnitts in Kontakt stehende Innenwand des Halsstücks mindestens zwei in axialem Abstand zueinander angeordne te Ringnuten aufweist, in denen zwei Dichtringe derart angeordnet sind, dass der gewindefreie Bereich des Halsabschnitts durch den Innendruck gegen die Dichtringe gepresst wird, wobei ein erster Dichtring aus einem ersten Material besteht, das bei tiefen Temperaturen dichtet und ein zweiter Dichtring aus einem zweiten Material besteht, das eine geringe Gasperme abilität aufweist. Mit anderen Worten ist die rohrförmige Mündung des Liners nach außen gestülpt, ragt also nach außen vor. Diese rohrförmige Mündung des Liners wird nicht verpresst oder verklemmt sondern einfach durch den Innendruck im Behälter in radialer Richtung nach außen gedrückt. Auf der Außenseite der Mündung sind in axialem Abstand zueinander zwei Dichtringe angeord net, die in zwei Ringnuten liegen, welche in der zylinderförmigen Innenwand des Halsstücks angebracht sind. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Dichtringe mit der gleichen Kraft durch den im Inneren des Halsabschnitts des Liners wirkenden Druck radial gegen die Innenwand des Halsstücks gedrückt werden. Die zwei unterschiedlichen Materialien der Dichtringe gewährleisten die Erfüllung der hohen Leistungsanforderungen an die Abdichtung eines derartigen Druckbehälters. Die Dichtigkeit muss in einem weiten Temperaturbereich gewährleistet sein, der von - 60 °C bis +120 °C reicht. Aus diesem Grund wird für den ersten Dichtring ein erstes Material gewählt, das auch bei sehr tiefen Temperaturen unterhalb von - 30 °C, vorzugsweise bei Temperaturen nahe - 60 °C, hervorragende Dichteigen schaften aufweist. Ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) ist ein solches Material, das auch bei tiefsten Temperaturen zuverlässig dichtet.

Ferner muss eine nahezu absolute Dichtigkeit erreicht werden. Insbesonde re beim Einsatz eines Composite-Druckbehälters als Wasserstofftank für Fahrzeuge muss vermieden werden, dass durch Diffusion des Gespeicher ten Wasserstoffs in die Umgebungsluft der Behälter nach wenigen Tagen oder auch Wochen entleert ist und das Fahrzeug deshalb nicht mehr fahrtüchtig ist. Die hohe Dichtigkeit der Abdichtung wird durch den zweiten Dichtring erreicht, der aus einem zweiten Material mit einer geringen Gaspermeabilität besteht. Dieses zweite Material kann ein Polyurethan sein.

Durch die vollständige Abdichtung mittels der zwei Dichtringe kann auf einen Kragen am Halsstück, der zwischen dem Liner und der verstärkenden Außenlage angeordnet ist, verzichtet werden. Ein derartiger Kragen ist für die Abdichtung des Liners gegenüber der Umgebung nicht erforderlich. In der Praxis kann das Halsstück eine Dichtungsschneide aufweisen, die sich in das Material des Liners eindrückt. Die Dichtungsschneide sorgt für eine weitere Steigerung der Dichtwirkung. Es sind keine zusätzlichen Bauteile zur Steigerung der Dichtwirkung erforderlich. Es ist auch nicht nötig, den Liner zurück in das Innere des Behälters zu führen, um eine effektive Abdichtung zu erzielen.

Die gewählte Konstruktion bewirkt eine optimale Abdichtung zwischen dem Innenraum des Liners, in welchem sich das unter Druck stehende Gas, in einer praktischen Ausführungsform Wasserstoff mit einem Druck von 400 bar und darüber, befindet. Der hohe Gasdruck in dem Kunststoff-Liner bewirkt eine Expansion des Liners in alle Richtungen. Sowohl die zwei Dichtringe als auch die Dichtungsschneide sind so angeordnet, dass aufgrund des Innendrucks die Wandung des Liners gegen die Dichtelemen te gepresst wird und dadurch eine hohe Dichtwirkung erzielt wird.

Dabei kann in der Praxis die Wandstärke des Halsstücks des Liners in dem gewindefreien Bereich im Wesentlichen konstant sein. Die Wandstärke des Liners kann in allen Bereichen im Wesentlichen gleich sein, weil er keine besonderen mechanischen Verbindungselemente oder Rückbiegungen aufweist. Durch die Anordnung der zwei Dichtringe in der zylindrischen Innenwand des Halsstücks ist die Abdichtung des Liners gegenüber dem Halsstück und damit gegenüber dem an dem Halsstück anschließbaren Ventil gewährleistet. Auf beide Dichtringe wirkt der gleiche radiale Innen druck des Behälters, der den rohrförmigen Halsabschnitt des Liners aus dehnt und radial aufweitet.

Insbesondere kann in der Praxis das Halsstück eine radial nach innen vorspringende Schulterfläche aufweisen, die der ringförmigen Stirnfläche der Mündung des Liners gegenüberliegt, wobei die Dichtungsschneide axial von der Schulterfläche vorspringt und sich in die ringförmige Stirnfläche der Mündung eindrückt. Eine derartige ringförmige Dichtungsschneide, die bei hohem Innendruck des Behälters gegen und in die Stirnfläche der Mündung gedrückt wird, hat eine die Abdichtung des Liners gegenüber der Außensei te des Halsstücks erheblich steigernde Wirkung. Außerdem stabilisiert sie den Mündungsbereich des Liners. Über den Lebenszyklus eines Druckgas- behälters mit häufigen Wechseln des Behälterinnendrucks und starken Temperaturschwankungen ist beobachtet worden, dass sich der Mündungs bereich des Liners nach innen verformt und von der Innenwand des Hals stücks abhebt. Durch die ringförmige Dichtungsschneide, die axial in die ringförmige Stirnfläche der Mündung eindringt, wird die Mündung mecha- nisch fixiert und kann sich nicht frei verformen.

Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Compo- site-Druckbehälter.

Fig. 2 zeigt das obere Halsstück des Druckbehälters im Längsschnitt. Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit A aus Fig. 2 mit der Dichtungsanordnung im Halsstück.

Fig. 4 zeigt eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung des Halsstücks mit darin befindlichen Dichtringen und dem Halsabschnitt des Liners.

In Fig. 1 ist in einem Längsschnitt ein zuvor beschriebener Composite- Druckbehälter 1 dargestellt. Er besteht aus einem Kunststoff-Liner 2, der durch Blasformen oder im Rotations-Sinter-Verfahren oder Thermoformver- fahren hergestellt ist. Der Liner 2 ist durch eine von außen aufgebrachte Außenlage 3 verstärkt. Die Außenlage 3 besteht in er Praxis aus einem Verbund aus Kunststoffharz und einer Faserverstärkung wie z. B. Kohlen stoff-, Aramid-, Glas-, Bor-, A O3 -Fasern oder Gemischen (Hybridgarne) hieraus, die in einer Matrix aus Duromeren, z. B. Epoxid- oder Phenolhar- zen etc. oder in Thermoplasten, z. B. PA 12, PA6, PP etc. eingebettet sind. Die Fasern können auf den Liner direkt aufgewickelt werden oder die Außenlage 3 kann aus sogenannten Organo-Sheets, also aus in einer Kunststoffmatrix gebundenen Fasertapes, die vorzugsweise miteinander verwebt sind, geformt sein.

Bei dem Faserverbundwerkstoff der Außenlage 3 können die Fasern sowohl in axialer als auch tangentialer Richtung des Behälters oder auch in diago naler Richtung aufgebracht sein. Mit Hilfe der axialen Bewicklung werden auch die Polkappen des Liners 2 gleichmäßig bewickelt. Vorher, alternie rend oder nach dieser Polkappenwicklung kann die Ablage des Faserver stärkungskörpers ausschließlich tangential bzw. in Umfangsrichtung des zylindrischen Behälterteils erfolgen. Die Wanddickenanteile von tangentialer Umwicklung und axialer Umwicklung hängen ab vom Außendurchmesser des Kunststoff-Liners 2, von der Festigkeit des Faserverstärkungskörpers, von den Wickelwinkeln etc.

Der Composite-Druckbehälter 1 weist an beiden axialen Enden Öffnungen auf, die je mit einem Halsstück 4 verschlossen sind. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind an beiden Enden identische Halsstücke 4 mit Durchgangsbohrungen 5 angeordnet, so dass die Gasentnahme aus dem Composite-Druckbehälter 1 bzw. die Betankung an beiden Enden möglich ist. Es sind aber auch Ausführungsformen geläufig, bei denen ein Halsstück an einem Ende keine Durchgangsbohrung aufweist, sodass die Gasentnahme und Betankung nur an einem axialen Ende erfolgen kann.

Eine derartige Ausführungsform ist in der Druckschrift W099/27293 A2 gezeigt.

Beide Halsstücke 4 weisen in bekannter Weise einen kegelstumpfartig ausgebildeten Kragen 6 auf, an dessen zur Behältermitte gerichteten Seite 7 der Liner 2 zur Anlage kommt. Da dieser Kragen 6 bei der hier beschrie benen Ausführungsform aber keinen Beitrag zur Abdichtung des Liners 2 leistet, kann bei Bedarf auch darauf verzichtet werden und das Halsstück im Wesentlichen nur aus einem rohrförmigen Bauteil bestehen. Beide Enden in Längsrichtung des Composite-Druckbehälters 1 sind mit einer schlagabsor bierenden Schicht 8 bedeckt, welche zumindest die radial außenliegenden Bereiche der Außenlage 3 aus Faserverbundwerkstoff abdecken und schützen. Vorzugsweise besteht diese Schicht 8 aus Polyurethan-Schaum.

Die Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Halsstücks 4 im Längs schnitt und die Fig. 3 zeigt eine weiter vergrößerte Ansicht der Einzelheit A aus Fig. 2. Die Durchgangsbohrung 5 dient dem Einfüllen und der Entnah- me von flüssigem oder gasförmigem Medium, beispielsweise Wasserstoff.

In dem in Fig. 2 oberen Bereich kann an dem Halsstück 4 ein Ventil ange schlossen werden, durch das die Befüllung und die Entnahme des Mediums geregelt wird. Die untere Fläche 7 des kegelstumpfförmigen Kragens 6 ist dazu vorgesehen, gegen die Oberseite des Liners 2 (Fig. 1) anzuliegen, dessen Halsabschnitt in einem Innengewinde 9 im unteren Bereich der Durchgangsbohrung 5 eingeschraubt wird. Oberhalb des Innengewindes 9 im gewindefreien Bereich der Durchgangsbohrung 5 befinden sich zwei Ringnuten 10,11 , welche zur Aufnahme von Dichtringen bestimmt sind. Oberhalb der oberen Ringnut 11 befindet sich eine radiale Schulterfläche 12, die nach innen vorspringt und eine Anlagefläche für die ringförmige Stirnfläche der Mündung des Liners 2 (siehe Fig. 4) bildet. Von der radial nach innenragenden, ringförmigen Schulterfläche 12 ragt eine ringförmige Dichtungsschneide 13 in axialer Richtung des Behälters zur Behältermitte hin.

Die Fig. 4 zeigt einen der Fig. 2 entsprechenden Längsschnitt des Hals stücks 4 mit darin eingefügtem Liner 2. Es ist zu erkennen, dass der Liner 2 einen rohrförmigen Halsabschnitt 14 aufweist, an dessen Außenseite im unteren Bereich ein Außengewinde 15 angeordnet ist. Dieses Außengewin de 15 ist in das Gewinde 9 des Halsstücks 4 eingeschraubt. In der Fig. 4 oberhalb des Außengewindes 15 schließt sich ein gewindefreier Bereich das Halsabschnitts 14 an, der den Innenraum des Liners 2 abdichtet. Die Außenseite des gewindefreien Bereichs des Liners 2 wirkt mit zwei Dicht ringen 16,17 zusammen, die in den Ringnuten 10,11 angeordnet sind. Ferner drückt sich die ringförmige Dichtungsschneide 13 in die ringförmige Stirnfläche 18 des Halsabschnitts 14 ein. Die ringförmige Dichtungsschnei- de 13 sorgt so für eine zusätzliche Abdichtung des Innenraums des Halsab schnitt 14 gegenüber der Umgebung. Ferner fixiert sie die Stirnfläche 18 des Halsabschnitts 14 in ihrer Position und wirkt so einer Verformung der Stirnflächei 8 des Halsabschnitts 14 entgegen. Die Dichtringe 16 und 17 weisen unterschiedliche Materialien auf, um die verschiedenen Anforderungen an die Abdichtung des Liners 2 zu erfüllen. Der erste Dichtring 16 besteht aus einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), der bei Temperaturen bis -60 °C hervorragende Dichtungseigen schaften gewährleistet. Der zweite Dichtring 17 besteht aus einem Polyure- than, das einer äußerst geringe Gaspermeabilität aufweist und so dafür sorgt, dass in dem Druckgasbehälter gespeichertes Gas auch über einen längeren Zeitraum darin verweilt und nicht in unzulässig hoher Maße durch Diffusion aus dem Druckgasbehälter austritt. Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.

_{* * * * * * *} Bezugszeichenliste

1 Composite-Druckbehälter

2 Liner 3 Außenlage

4 Halsstück

5 Durchgangsbohrung

6 Kragen 7 Zur Behältermitte gerichtete Seite 8 schlagabsorbierende Schicht

9 Innengewinde

10 Ringnut 1 1 Ringnut 12 Schulterfläche 13 Dichtungsschneide

14 Halsabschnitt

15 Außengewinde

16 Dichtring 17 Dichtring 18 Stirnfläche

_{* * * * * * *}