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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbindung einer wasserstoffführenden Leitung mit einem Bauteil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Das Verbinden von wasserstoffführenden Leitungen mit anderen Bauteilen, beispielsweise Komponenten, welche den Wasserstoff als Brenngas benötigen, beispielsweise Brennstoffzellen oder dergleichen, ist außerordentlich schwierig. Da Wasserstoff aufgrund seiner sehr geringen Molekülgröße sehr viele Materialien leicht durchdringen kann, ist an die Abdichtung derartiger Leitungen beziehungsweise Verbindungen eine sehr hohe Anforderung zu stellen.
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Der Stand der Technik kennt sehr komplexe Dichtsysteme, welche eine Abdichtung mit mehreren hintereinander geschalteten Kammern und verschiedenen Dichteinrichtungen praktizieren. Beispielhaft wird auf eine solche komplexe Vorrichtung zur Verbindung eines Leitungselements mit einem Bauteil aus der amerikanischen Veröffentlichung mit der Nummer
US 2008/0258459 A1 verwiesen. Der Aufbau aus verschiedenen Bauteilen und verschiedenen Dichtungselementen mit dazwischen angeordneten Kammern ist sehr komplex und daher entsprechend aufwändig sowohl in der Herstellung als auch bei der Montage. Dadurch können außerdem sehr leicht Undichtheiten auftreten, wenn einzelne Abschnitte hinsichtlich der Fertigungstoleranzen ungenau sind oder wenn bei der Montage der sehr komplexen Verbindung ein Montagefehler auftrat, was aufgrund der Vielzahl der Bauteile leicht möglich ist.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es nun außerdem bekannt, dass Leitungselemente zum Leiten von Wasserstoff oder anderen hinsichtlich der Abdichtung schwer zu handhabenden Gasen, häufig als einstückige Leitungselemente aus Kunststoff hergestellt werden. Damit entfallen Verbindungsstellen, welche abgedichtet werden müssen, im Bereich des Leitungselements oder eines mit dem Leitungselement verbundenen Flanschs oder dergleichen.
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Beim Verbinden derartiger Leitungselemente mit einem Bauteil, welchem der Wasserstoff zugeführt werden soll, ist es nun besonders schwierig das Leitungselement dichtend mit dem Bauteil zu verbinden, da auch hier die eingangs genannte Problematik gilt. Außerdem neigt ein Kunststoffmaterial, wie es für den dichten Aufbau von Wasserstoffleitungen eingesetzt werden kann, typischerweise sehr stark zum Fließen, sodass beispielsweise ein Verschrauben eines einstückig mit dem Leitungselement ausgebildeten Stutzens aus Kunststoff mit einer Dichtfläche des Bauteils sehr schwierig ist beziehungsweise im Laufe der Zeit durch das Fließen des Kunststoffmaterials undicht wird.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Verbindung einer wasserstoffführenden Leitung mit einem Bauteil zu schaffen, welche sehr einfach aufgebaut und einfach zu montieren ist, und welche darüber hinaus eine sichere und zuverlässige Abdichtung auch über eine lange Betriebsdauer der Verbindung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass der typischerweise einstückig mit dem Leitungselement ausgebildete Stutzen in verbundenem Zustand durch einen formstabilen zusätzlichen Flansch gegen die Dichtfläche des Bauteils gedrückt ist. Damit kann eine sichere und zuverlässige Montage eines einstückig mit einem Stutzen ausgebildeten Leitungselements an dem Bauteil auch dann gewährleistet werden, wenn das Leitungselement und der Stutzen aus einem gegebenenfalls zum Fließen neigenden Kunststoff, welcher aber gegenüber Wasserstoff sehr dicht ausgebildet werden kann, hergestellt ist. Durch den Flansch wird der Stutzen entsprechend abgestützt und in Form gehalten, sodass dieser zuverlässig mit der Dichtfläche des Bauteils in dichtendem Eingriff steht.
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In einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist der Flansch dabei insbesondere so ausgebildet, dass er den Stutzen auf der der Dichtfläche gegenüberliegenden Seite abstützt. Durch diese Unterstützung auf der der Dichtfläche gegenüberliegenden Seite wird der Stutzen sicher und zuverlässig gegen die Dichtfläche gedrückt.
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In einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass der Flansch den Stutzen kammert. Durch dieses Kammern des Stutzens durch den Flansch entsteht ein Aufbau, in welchem der Flansch den Stutzen in alle Richtungen so umgibt, dass dieser nicht ausweichen und sich durch ein fließendes Material so verformen kann, dass er nicht mehr dichtend an der Dichtfläche anliegt. Sollte es dennoch zu einer Undichtheit kommen, so kann die Kammer zwischen dem Flansch und dem Stutzen außerdem als weitere Dichtkammer zur Abdichtung der Verbindung dienen.
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Der Flansch selbst kann dabei beispielsweise aus einem Metall, einem formstabilen Kunststoff oder einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet sein. Prinzipiell ist es nur entscheidend, dass das Material des Flanschs formstabiler als das Material des Stutzens ist und nicht zum Fließen neigt, sodass dieser durch den Flansch über eine lange Betriebsdauer sicher und zuverlässig in seiner gewünschten Form in Position gehalten wird.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus kann der Flansch außerdem mit dem Stutzen und dem Leitungselement als ein integriertes Bauteil ausgebildet sein. Beispielsweise könnte der Stutzen und das Leitungselement als einstückiges Bauteil an einen beispielsweise metallischen Flansch angespritzt ausgebildet sein. Dann wird die Dichtheit des Leitungselements und des Stutzens durch deren einstückige Ausbildung aus einem geeigneten Kunststoffmaterial erzielt. Durch das Anspritzen an dem Flansch ist in jedem fall sichergestellt, dass dieser den Stutzen dichtend kammert und diesen zuverlässig gegen das Bauteil beziehungsweise die Dichtfläche des Bauteils drückt. Außerdem kann durch das Anspritzen und die so entstehende direkte Anlage zwischen dem Stutzen und dem Flansch erreicht werden, dass der Flansch den Stutzen sicher und zuverlässig in der gewünschten und vorgegebenen Form hält, die typischerweise für die Abdichtung der Verbindung entscheidend ist.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus kann es ferner vorgesehen sein, dass ein Dichtelement zwischen dem Stutzen und der Dichtfläche angeordnet ist. Dieses Dichtelement, welches die Verbindungsstelle in axialer Richtung entsprechend abdichtet, kann den Dichtvorgang zwischen dem Stutzen und der Dichtfläche entsprechend unterstützen.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung hiervon kann das Dichtelement beispielsweise als O-Ring ausgebildet sein. Ein solcher ist in vielen geeigneten Materialien typischerweise einfach und kostengünstig zu beschaffen, da es sich um ein standardisiertes Bauteil handelt.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es ferner vorgesehen, dass eine Nut zur Aufnahme des Dichtelements vorgesehen ist. Diese ist erfindungsgemäß im Bereich der Dichtfläche vorgesehen. Eine solche Nut zur Aufnahme eines Dichtelements – wie beispielsweise eines O-Rings – ist dabei allgemein bekannt und üblich. Beim erfindungsgemäßen Aufbau ist diese im Bereich der Dichtfläche vorgesehen. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass durch das Einbringen der Nut für das Dichtelement keine mechanische Schwächung des Stutzens auftritt, sodass dieser weiterhin von dem Flansch sicher und zuverlässig in seiner Form und Position gehalten werden kann, ohne dass er durch eine eingebrachte Nut geschwächt ist und/oder die Möglichkeit zum Fließen hat. Da die Dichtfläche des Bauteils typischerweise aus einem metallischen Material, beispielsweise als Flansch an einer Komponente, wie beispielsweise einem Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist, kann eine Nut für das Dichtelement hier eingebracht werden, ohne Nachteile hinsichtlich der Festigkeit des Bauteils beziehungsweise der Dichtfläche befürchten zu müssen.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei ferner vorgesehen, dass der Flansch in verbundenem Zustand mit dem Bauteil verschraubt ist. Die Befestigung zwischen dem Flansch und dem Bauteil ermöglicht es so, dass auch in diesem Fall der Stutzen sicher und zuverlässig zwischen Flansch und Dichtfläche eingeklemmt wird, ohne selbst durch die Verbindung mittels der Schrauben mechanisch belastet zu werden.
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Daher ist es gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass die Schrauben in dem Flansch seitlich neben der größten radialen Ausdehnung des Stutzens angeordnet sind. Auch hierdurch wird eine Durchbohrung oder die Anordnung von Ausnehmungen im Bereich des Stutzens verhindert, welche dazu führen könnten, dass dieser in seiner mechanischen Stabilität beeinträchtigt wird. Damit wird also letztlich die Dichtheit der erfindungsgemäßen Verbindung nochmals verbessert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige beigefügte Figur näher beschrieben wird.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Verbindung einer wasserstoffführenden Leitung mit einem Bauteil.
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In der Darstellung der einzigen beigefügten Figur ist eine Vorrichtung 1 zur Verbindung einer wasserstoffführenden Leitung, von welcher hier ein Ende eines Leitungselements 2 mit einem einstückig daran angebrachten Stutzen 3 zu erkennen ist. Diese Leitung wird mit einem Bauteil 4 sicher verbunden, von welchem hier nur ein entsprechender Ausschnitt zu erkennen ist. Zumindest in dem Bereich, welcher dem Stutzen 3 gegenüberliegt, ist an dem Bauteil 4 eine Dichtfläche 5 ausgebildet. Eine solche Dichtfläche 5 zeichnet sich typischerweise durch eine sehr glatte Oberfläche aus. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel trägt die Dichtfläche 5 außerdem eine Nut 6, in welcher ein Dichtelement 7, hier in Form eines O-Rings, angeordnet ist.
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Nun ist es so, dass die Leitung, also das Leitungselement 2 und der Stutzen 3 zur Leitung von Wasserstoff typischerweise aus einem Kunststoff bestehen, welcher gegenüber Wasserstoff vergleichsweise dicht ausgebildet ist. Der Stutzen 3 und das Leitungselement 2 sind dabei einstückig miteinander ausgebildet, um so keine Schnittstellen aufzuweisen, welche hinsichtlich einer Leckage des Wasserstoffs relevant sein könnten. Der Aufbau der Vorrichtung 1 ist so gestaltet, dass der Stutzen 3 durch einen Flansch 8 gegen das Bauteil 4 gedrückt wird. Der Flansch 8 ist dabei beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, einem sehr formstabilen Kunststoff oder insbesondere einem metallischen Material ausgebildet. Der Flansch 8 ist so geformt, dass er den Stutzen 3 auf der der Dichtfläche 5 gegenüberliegenden Seite abstützt und, wenn der Flansch 8 über zwei hier angedeutete Schraubverbindungen 9 mit dem Bauteil 4 verschraubt wird, den Stutzen 3 gegen die Dichtfläche 5 und das Dichtelement 7 drückt. Damit kommt der Stutzen 3 in axialer Richtung des Leitungselements 2 abdichtend mit der Dichtfläche 5 beziehungsweise dem Bauteil 4 in Verbindung.
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Der Flansch 8 stützt dabei den Stutzen 3 in jedem Fall in der der Dichtfläche 5 gegenüberliegenden Richtung ab. Insbesondere stützt der Flansch 8 den Stutzen 3 auch in radialer Richtung nach außen ab, sodass der Stutzten 3 nicht aus dem Bereich des Flanschs 8 „herausfließen” kann. Der Flansch 8 kammert den Stutzen 3. Damit entsteht eine zusätzliche Dichtkammer zwischen dem Stutzen 3 und dem Flansch 8, welche bei eventuellen Leckagen als weitere Dichtkammer dienen kann. Insgesamt ist der Aufbau so, dass durch den Flansch 8 der Stutzen 3 in der gewünschten Form gehalten wird, sodass eine dichte Anlage des Stutzens 3 an der Dichtfläche 5 in jedem Fall gewährleistet ist. Auch über einen längeren Zeitraum hinweg kann der Stutzen 3 unter dem Druck des Flanschs 8 und der Dichtfläche 5 nicht oder nur unwesentlich fließen, da er in seiner radialen und axialen Ausdehnung durch den Flansch 8 begrenzt ist.
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Die Schraubverbindungen 9 liegen dabei in einem Bereich des Flanschs 8, welcher außerhalb der größten radialen Ausdehnung des Stutzens 3 angeordnet ist. Durch diesen Aufbau wird der Stutzen 3 mechanisch nicht geschwächt, sodass dieser über den gesamten Umfang hinweg vergleichbare Eigenschaften aufweist. Durch den Flansch 8 sind dabei Form und Anlage des Stutzens 3 durchgehend gewährleistet. Aus diesem Grund befindet sich auch die Nut 6 nicht im Bereich des Stutzens 3, was prinzipiell auch denkbar wäre, sondern im Bereich der Dichtfläche 5. Da das Bauteil 2 typischerweise vergleichsweise große Wandstärken aufweist und gegebenenfalls auch aus einem metallischen Material ausgebildet ist, kann hier die Nut 6 für das Dichtelement 7 eingebracht werden, ohne dass die Dichtfläche 5 mechanisch geschwächt wird. Dies führt insgesamt zu einem dichteren und zuverlässiger funktionierenden Aufbau, als wenn die Nut 7 in den Stutzen 3 eingebracht werden würde, was diesen mechanisch schwächen könnte.
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Insgesamt entsteht so ein sehr einfacher Aufbau, welcher mit einer minimalen Anzahl von Teilen auskommt und sehr einfach und problemlos montiert werden kann. Er stellt dennoch eine sehr sichere Abdichtung der Verbindung einer wasserstoffführenden Leitung mit dem Bauteil 4 sicher.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2008/0258459 A1 [0003]
