EP4508364B1 - Druckminderer zur ermöglichung der verwendung von polymerrohren für thermische druckentlastungsvorrichtungen von wasserstoffbetriebenen fahrzeugen - Google Patents

Druckminderer zur ermöglichung der verwendung von polymerrohren für thermische druckentlastungsvorrichtungen von wasserstoffbetriebenen fahrzeugen

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Druckminderungssystem für einen Hochdrucktank gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • In Fahrzeugen, die beispielsweise mit Wasserstoff oder Erdgas betrieben werden, kommen Hochdrucktanks für die Kraftstoffspeicherung zum Einsatz. Drücke von mehreren Hundert bar, wie beispielsweise 700 bar im PKW Segment, sind bei derartigen Hochdrucktanks typisch.
  • Aus Sicherheitsaspekten sind die Hochdrucktanks mit einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung (englisch: Thermal Pressure Relief Device) ausgestattet, bei der es sich regelmäßig um ein Rohrsystem bzw. um ein Entlastungsrohr handelt, das die Hochdrucktanks im Falle eines Fahrzeugbrands entleert.
  • Es sind aus dem Stand der Technik bereits Entlastungsrohre bzw. thermische Druckentlastungsvorrichtungen bekannt, die direkt an einen Wasserstoff-Hochdrucktank gekoppelt sind. Dabei handelt es sich typischerweise um Edelstahlrohre, die eine relativ hohe mechanische Festigkeit aufweisen und dadurch erhöhten Druckzuständen beim Ausströmen des Kraftstoffs standhalten. Je nach Systemauslegung erreicht der Leitungsdruck bis zu ca. 80-95% des Tankdrucks, wenn die thermische Druckentlastungsvorrichtung aktiviert wird und der Wasserstoff aus dem Hochdrucktank in die Rohrleitung strömt.
  • Von Nachteil hierbei ist, dass die Edelstahlrohre relativ schwer und zudem teuer in der Fertigung sind. DE102019125184A1 beschreibt ein bekanntes Druckminderungssystem.
  • Ziel der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein verbessertes Druckminderungssystem für Hochdrucktanks bei wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen zu schaffen, das mit einfachen Mitteln kostengünstig aufgebaut ist und gleichzeitig ein geringes Eigengewicht aufweist Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben.
  • Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 3.
  • Bei einem Druckminderungssystem für einen Hochdrucktank, insbesondere für einen Hochdrucktank eines Kraftfahrzeugs, in welchem Hochdrucktank ein Fluid unter Überdruck bevorratet ist, wobei der Hochdrucktank einen Auslass zur Entlastung aufweist, wobei der Hochdrucktank über den Auslass mit einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung fluidverbunden ist, durch die das Fluid bei Entlastung in Strömungsrichtung hindurchströmt, ist erfindungsgemäß in der thermischen Druckentlastungsvorrichtung ein Druckminderer zur Reduzierung des Drucks beim Entlasten des Hochdrucktanks vorgesehen.
  • Die Erfindung löst die vorliegende Aufgabe überraschend einfach durch den Einsatz des zusätzlichen Druckminderers innerhalb der thermischen Druckentlastungsvorrichtung. Der Druckminderer reduziert den Druck in der thermischen Druckentlastungsvorrichtung, so dass diese aus einen deutlich günstigeren und weniger schweren Kunststoff, insbesondere aus einem Polymerwerkstoff gefertigt werden kann. Damit stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Entlüftung von Hochdrucktanks bereit, das bei der Entlastung einen niedrigen Rohrdruck gewährleistet.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das nicht zur Erfindung gehört, ist der Druckminderer ein Drosselventil, wobei das Drosselventil eine Drosselöffnung aufweist. Der Druck wird aufgrund des Drosselventils am Auslass des Hochdrucktanks und innerhalb der thermischen Druckentlastungsvorrichtung stromabwärts bzw. in Strömungsrichtung wirksam reduziert. Dabei ist besonders bevorzugt, dass das Drosselventil als Ringdrossel ausgebildet ist. Dies stellt eine kostengünstige Aufbauvariante dar und senkt damit weiterhin die Gesamtkosten in der Fertigung. Alternativ wären auch andere günstig herstellbare Drossel-Geometrien wie z.B. ein einfaches Lochblech denkbar.
  • Vorzugsweise ist die Drosselöffnung im Durchmesser kleiner ausgebildet als der Auslass und die thermische Druckentlastungsvorrichtung. Dadurch wird eine wirksame Reduzierung des Totaldrucks im System bzw. eine Entropieerhöhung erzielt. Gleichzeitig reduziert die Drossel den statischen Druck in der thermischen Druckentlastungsvorrichtung stromabwärts bzw. in Strömungsrichtung.
  • Nach einer weiteren Ausführungsvariante ist das Drosselventil mittelbar am Auslass des Hochdrucktanks und innerhalb der thermischen Druckentlastungsvorrichtung angeordnet. Aufgrund des Abstands zwischen Auslass und Drossel entstehen beim Ausströmen im Bereich des Auslasses bzw. am Rohreinlass der thermischen Druckentlastungsvorrichtung vorteilhafterweise keine überhöhten Druckspitzen.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform sieht man vor, dass die thermische Druckentlastungsvorrichtung als Entlastungsrohr ausgebildet ist, wobei der Auslass einen Durchmesser aufweist, der einem Rohrdurchmesser der thermischen Druckentlastungsvorrichtung entspricht. Dadurch wird ein gleichmäßiger Massendurchsatz beim Durchströmen des Entlastungsrohres gewährleistet. Aufgrund des Drosselventils kommt es zu einer Verringerung der Dichte des Kraftstoffs beim Durchströmen des Entlastungsrohres. Um die Verringerung der Dichte zu kompensieren, sind der Durchmesser des Auslasses bzw. des Entlastungsrohres grundsätzlich größer als bei den bekannten Lösungen aus dem Stand der Technik dimensioniert, wodurch ein ausreichender Massendurchsatz trotz der Drosselung erzielt wird.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante, ist die thermische Druckentlastungsvorrichtung als Polymerrohr ausgebildet. Polymerrohre sind besonders kostengünstig in der Herstellung und gleichzeitig sehr leicht im direkten Vergleich zu Edelstahlrohren. Dabei kann das Polymerrohr beispielsweise in einem einfachen Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Erfindung sieht vor, dass der Druckminderer die Strömung am Auslass auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Aufgrund der Beschleunigung des Fluids bzw. Kraftstoffs in den Überschallbereich, kann in der thermischen Druckentlastungsvorrichtung eine wirksame Druckreduzierung stromabwärts bzw. in Strömungsrichtung erzielt werden.
  • Dabei ist der Druckminderer eine Laval-Düse, wobei die Laval-Düse einen konvergenten Abschnitt und einen divergenten Abschnitt aufweist. Gemäß der Erfindung, ist die Laval-Düse zwischen dem Auslass und der thermischen Druckentlastungsvorrichtung angeordnet, wobei der konvergente Abschnitt der Laval-Düse direkt und unmittelbar am Auslass des Hochdrucktanks angeordnet ist. Durch die Anordnung der Laval-Düse kann der statische Druck verringert werden, ohne den Totaldruck im System zu senken. Der ausströmende Kraftstoff wird mit Hilfe der Laval-Düse am Auslass des Hochdrucktanks bzw. am Rohreinlass der thermischen Druckentlastungsvorrichtung auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Eine weitere Beschleunigung auf Überschallströmung, d. h. auf Machzahlen >1, kann im divergenten Abschnitt der Laval-Düse erfolgen. Da der statische Druck mit zunehmender Machzahl abnimmt, führt dies zu einer deutlichen Druckreduzierung in der thermischen Druckentlastungsvorrichtung bei gleichbleibendem Totaldruck, d. h. die Beschleunigung erfolgt im Wesentlichen isentrop. Aufgrund dieser Wechselwirkung, kann der Durchmesser der thermischen Druckentlastungsvorrichtung bzw. des Entlastungsrohrs kleiner als bei der Drosselkonstruktion dimensioniert werden. Vorzugsweise bleibt die Strömung im gesamten Entlastungsrohr im Überschallbereich, auch wenn sie aufgrund der Reibungskräfte abnimmt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform, weist die Laval-Düse einen verringerten Halsdurchmesser auf, wobei der konvergente Abschnitt der Laval-Düse unmittelbar nach Erreichen des Halsdurchmessers in den divergenten Abschnitt übergeht. Alternativ kann der konvergente Abschnitt der Laval-Düse auch stetig in den divergenten Abschnitt übergehen und im Bereich des Halsdurchmessers eine geringfügige axiale Ausdehnung aufweisen.
  • Bei der Laval-Düsen Konstruktion weist der Auslass vorzugsweise einen Durchmesser auf, der kleiner ausgebildet ist als ein Rohrdurchmesser der thermischen Druckentlastungsvorrichtung. Dabei weist die Laval-Düse vorzugsweise über ihre gesamte Länge eine kreis- oder ellipsenförmige Querschnittsfläche auf. Vorzugsweise entspricht der engste Querschnitt der Laval-Düse dem Halsdurchmesser, wobei die Strömung am Halsdurchmesser die Schallgeschwindigkeit erreicht und im divergenten Abschnitt in den Überschallbereich beschleunigt wird.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
    • Fig. 1a
    eine schematische Ansicht eines Hochdrucktanks mit einem thermischen Entlastungsrohr aus dem Stand der Technik;
    Fig. 1b
    eine schematische Ansicht eines nicht zur Erfindung gehörenden Druckminderungssystems;
    Fig. 1c
    eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckminderungssystems
  • Fig. 1a zeigt einen Hochdrucktank 10 in welchem Wasserstoff unter Hochdruck bevorratet werden kann. Der Hochdrucktank 10 ist an einer Auslassseite mit einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung 20 gekoppelt. Die thermische Druckentlastungsvorrichtung 20 ist dabei als Entlastungsrohr ausgebildet und weist einen Rohrdurchmesser D auf. Bei Entlastung des Hochdrucktanks 10 strömt der Kraftstoff in Strömungsrichtung (x) in die thermische Druckentlastungsvorrichtung 20. Die Anordnung entspricht dem Stand der Technik.
  • Fig. 1b ist eine schematische Darstellung eines Druckminderungssystems für wasserstoffbetriebene Kraftfahrzeuge mit wenigstens einem Hochdrucktank 10, in welchem Kraftstoff unter Überdruck bevorratet ist. Der Hochdrucktank 10 weist einen Auslass 9 zur Entlastung auf, worüber der Hochdrucktank 10 mit einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung 20 fluidverbunden ist.
  • Die thermische Druckentlastungsvorrichtung 20 ist als Entlastungsrohr ausgebildet. Bei Entlastung strömt der Kraftstoff in Strömungsrichtung x durch das Entlastungsrohr. Der Auslass 9 weist dabei einen Durchmesser D1 auf, der einem Rohrdurchmesser der thermischen Druckentlastungsvorrichtung 20 bzw. des Entlastungsrohrs entspricht.
  • Am Auslass 9 ist innerhalb des Entlastungsrohrs ein Druckminderer 1 angeordnet. Der Druckminderer 1 ist in der gezeigten Ausführungsform als Drosselventil 7 ausgebildet und weist eine Drosselöffnung 8 auf. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Ringdrossel.
  • Fig. 1c zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 1c ist eine Laval-Düse 5 anstelle des Drosselventils 7 aus Fig. 1b angeordnet, wobei die thermische Druckentlastungsvorrichtung auch in dieser Ausführungsform als Entlastungsrohr ausgebildet ist.
  • Die Laval-Düse 5 weist dabei einen konvergenten Abschnitt 2 und einen divergenten Abschnitt 6 aufweist. Die Laval-Düse 5 ist zwischen dem Auslass 9 und der thermischen Druckentlastungsvorrichtung 20 bzw. einem konstant verlaufenden Abschnitt des Entlastungsrohres angeordnet. Der konvergente Abschnitt 2 der Laval-Düse 5 ist direkt und unmittelbar am Auslass 9 des Hochdrucktanks 10 angeordnet.
  • Die Laval-Düse 5 weist ferner einen Halsdurchmesser 3 auf, wobei der konvergente Abschnitt 2 der Laval-Düse 5 unmittelbar nach Erreichen des Halsdurchmessers 3 in den divergenten Abschnitt 6 übergeht. Der Auslass 9 weist einen Durchmesser D2 auf, der kleiner ausgebildet ist als ein Rohrdurchmesser D3 des Entlastungsrohres bzw. der thermischen Druckentlastungsvorrichtung 20. Der Halsdurchmesser 3 weist dabei den kleinsten Querschnitt bzw. Durchmesser der Laval-Düse 5 auf.
  • Das erfindungsgemäße Druckminderungssystem kann sich allgemein auf Hochdruckbehälter und thermische Druckentlastungsvorrichtungen beziehen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf wasserstoffbetriebene Fahrzeuge, die üblicherweise einen unter Überdruck mit Wasserstoff gefüllten Hochdrucktank aufweisen. Aufgrund der erhöhten Explosions- und Brandgefahr bei Unfällen oder dergleichen wird die Erfindung insbesondere zur Entlüftung derartiger Hochdrucktanks eingesetzt. Grundsätzlich kann das Druckminderungssystem aber auch in einem stationären Hochdruckbehälter mit einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung umgesetzt werden.
    • Bezugszeichenliste
  • D Durchmesser (Standard) 5 Laval-Düse
    D1 Durchmesser Auslass (Drossel) 6 divergenter Abschnitt
    7 Drosselventil
    D2 Durchmesser Auslass (Laval) 8 Drosselöffnung
    D3 Durchmesser Entlastungsrohr (Laval) 9 Auslass
    10 Hochdrucktank
    x Strömungsrichtung 20 Thermische Druckentlastungsvorrichtung
    1 Druckminderer
    2 konvergenter Abschnitt
    3 Halsdurchmesser (Laval)

Claims (3)

  1. Druckminderungssystem für einen Hochdrucktank (10), insbesondere für einen Hochdrucktank (10) eines Kraftfahrzeugs, wobei das Druckminderungssystem einen Auslass eines Hochdrucktanks und eine thermische Druckentlastungsvorrichtung umfasst, in welchem Hochdrucktank (10) ein Fluid unter Überdruck bevorratet ist, wobei der Hochdrucktank (10) einen Auslass (9) zur Entlastung aufweist, wobei der Hochdrucktank (10) über den Auslass (9) mit einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung (20) fluidverbunden ist, durch die das Fluid bei Entlastung in Strömungsrichtung (x) hindurchströmt, wobei in der thermischen Druckentlastungsvorrichtung (20) ein Druckminderer (1) zur Reduzierung des Drucks beim Entlasten des Hochdrucktanks (10) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckminderer (1) eine Laval-Düse (5) ist, die die Strömung auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, wobei die Laval-Düse (5) einen konvergenten Abschnitt (2) und einen divergenten Abschnitt (6) aufweist, wobei die Laval-Düse (5) zwischen dem Auslass (9) und der thermischen Druckentlastungsvorrichtung (20) angeordnet ist, wobei der konvergente Abschnitt (2) der Laval-Düse (5) direkt und unmittelbar am Auslass (9) des Hochdrucktanks (10) angeordnet ist.
  2. system nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laval-Düse (5) einen Halsdurchmesser (3) aufweist, wobei der konvergente Abschnitt (2) der Laval-Düse (5) unmittelbar nach Erreichen des Halsdurchmessers (3) in den divergenten Abschnitt (6) übergeht.
  3. Druckminderungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Druckentlastungsvorrichtung (20) als Entlastungsrohr ausgebildet ist, wobei der Auslass (9) einen Durchmesser (D2) aufweist, der kleiner ausgebildet ist als ein Rohrdurchmesser (D3) der thermischen Druckentlastungsvorrichtung (20).
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