DE102013113516A1

DE102013113516A1 - Fluidspeichertank

Info

Publication number: DE102013113516A1
Application number: DE102013113516.1A
Authority: DE
Inventors: Arianna T. Morales; Mei Cai; Anne M. DAILLY; Mahmoud H. Abd Elhamid
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-12-06
Also published as: DE102013113516B4; US20140291331A1; US9249931B2

Abstract

Ein Fluidspeichertank umfasst eine Mehrzahl von Tank-Untereinheiten, die in einer Gruppe angeordnet sind. Jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten weist eine Durchbrechung auf, die in zumindest einer Wand definiert ist und mit einer anderen Durchbrechung überlappt, die in zumindest einer benachbarten Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten definiert ist. Jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten steht in fluidtechnischer Verbindung mit einer einzigen Auslassöffnung zum selektiven Entnehmen eines gespeicherten Fluids aus dem Tank. Jede der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten steht in fluidtechnischer Verbindung mit einer einzigen Fluid-Einfüllöffnung.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/806 062, eingereicht am 28. März 2013, welche hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Fluidspeichertanks werden verwendet, um ein Fluid für eine Zeitspanne aufzunehmen. Ein Fluid kann ein Gas, eine Flüssigkeit oder eine Kombination daraus umfassen. Einige Fluidspeichertanks sind Druckgefäße. Druckgefäße wie z. B. Gasspeicherbehälter und Hydrospeicher können verwendet werden, um Fluide unter Druck aufzunehmen. Es kann wünschenswert sein, ein Druckgefäß mit relativ dünnen Wänden und leichtem Gewicht zur Verfügung zu haben. Beispielsweise gestatten in einem Fahrzeug-Kraftstofftank relativ dünne Wände eine effizientere Nutzung des verfügbaren Raumes und das relativ geringe Gewicht gestattet eine Bewegung des Fahrzeuges mit höherer Energieeffizienz.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Fluidspeichertank umfasst eine Mehrzahl von Tank-Untereinheiten, die in einer Gruppe angeordnet sind. Jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten weist eine Durchbrechung auf, die in zumindest einer Wand definiert ist und mit einer anderen Durchbrechung überlappt, die in zumindest einer benachbarten Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten definiert ist. Jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten steht in fluidtechnischer Verbindung mit einer einzigen Auslassöffnung zum selektiven Entnehmen eines gespeicherten Fluids aus dem Tank. Jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten steht fluidtechnischer Verbindung mit einer einzigen Fluid-Einfüllöffnung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale und Vorteile von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen offensichtlich, in denen gleiche Bezugsziffern ähnliche, wenngleich vielleicht nicht identischen Komponenten entsprechen. Der Kürze wegen können Bezugsziffern oder Merkmale mit einer zuvor beschriebenen Funktion in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie aufscheinen, beschrieben sein oder nicht.
1 ist eine perspektivische Darstellung eines zylindrischen Tanks mit halbkugelförmigen Enden und einem umschließenden rechteckigen Quader mit Abmessungen, die zur Verwendung in einer beispielhaften Berechnung eines Formanpassungsvermögens-Faktors gezeigt sind;
2 ist eine perspektivische Darstellung von zwei Hälften einer einzelnen Tank-Untereinheit, bevor die Hälften gefügt werden, um die einzelne Tank-Untereinheit gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung zu bilden;
3 ist eine perspektivische Darstellung einer einzelnen Tank-Untereinheit, die aus den beiden in 1 abgebildeten Hälften gebildet ist;
4 ist eine perspektivische Darstellung einer Gruppe von abgestumpften Oktaeder-Tank-Untereinheiten gemäß einem anderen Beispiel der vorliegenden Offenbarung;
5 ist eine perspektivische Darstellung einer Gruppe von abgestumpften Oktaeder-Tank-Untereinheiten mit Durchbrechungen in quadratischen Flächen gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine perspektivische Darstellung einer Gruppe von sechseckigen Prisma-Tank-Untereinheiten gemäß einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung; und
7 ist eine schematische Darstellung, die eine Gruppe von sechseckigen Prisma-Tank-Untereinheiten zeigt, die zu einem unregelmäßig geformten Volumen gemäß einem noch weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung tesseliert sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Einige Fahrzeuge führen Fluidspeichertanks mit sich. Die Fluidspeichertanks können ein Fluid für den Verbrauch durch das Fahrzeug selbst speichern. Es kann z. B. ein flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff von dem Fahrzeug verbraucht werden. Einige Fahrzeuge transportieren ein Fluid von Ort zu Ort in Tanks, die vom Fahrzeug mitgeführt werden. Beispielsweise kann ein Tanklastwagen Gas zu einer Station zum Einzelverkauf liefern. Wie hierin verwendet, ist ein Fahrzeug eine bewegliche Vorrichtung zum Transportieren von Personen oder Gütern an Land, in der Luft, im Wasser oder durch den Weltraum. Beispiele für Fahrzeuge umfassen Automobile, Lastkraftwagen, Motorräder, Lastfuhrwerke, Kombifahrzeuge, Züge, Flugzeuge, Raketen, Schiffe, Boote, Unterseeboote und Raumschiffe. Wenn Fahrzeuge beschleunigt oder verlangsamt werden, wird in der Regel Energie verbraucht. Ein leichtgewichtiger Fluidtank kann mit sich bringen, dass das Fahrzeug weniger Energie zum Bewegen braucht als mit einem schwereren Tank.
Beispiele von Fluidspeichertanks gemäß der vorliegenden Offenbarung können Flüssigkeiten, Gase oder Kombinationen daraus enthalten. Eine Flüssigkeit kann ohne Druck über der Flüssigkeit gespeichert werden, wenn der Fluidspeichertank belüftet ist. In einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann eine Flüssigkeit einen Dampfdruck aufweisen, der auf die Flüssigkeit ausgeübt wird. In einem anderen Beispiel kann die Flüssigkeit in dem Speichertank auf einen Druck, der höher als der Dampfdruck ist, mit Druck beaufschlagt sein. Überdies kann ein Vakuum in einem Fluidspeichertank der vorliegenden Offenbarung gebildet sein. In einigen Beispielen gemäß der vorliegenden Offenbarung kann der Flüssigkeitsspeichertank ein Gas speichern. Das Gas kann bei jedem beliebigen Druck gespeichert werden. Das Gas kann z. B. bei einem Druck gespeichert werden, der kleiner als, gleich dem oder größer als der den Flüssigkeitsspeichertank umgebende/n Druck sein. In einigen Beispielen kann der Fluidspeichertank einen Umgebungsdruck aufweisen, der auf die Außenseite des Tanks ausgeübt wird. Bei einigen Flüssigkeitsspeichertank kann der auf den Tank ausgeübte Außendruck relativ hoch sein (z. B. wenn der Tank tief in Wasser eingetaucht ist). Andere Fluidspeichertanks können einem äußeren Unterdruck ausgesetzt sein (z. B. in großen Höhen).
Erdgasfahrzeuge sind mit eingebauten Speichertanks ausgerüstet. Einige Erdgasspeichertanks sind ausgewiesene Niederdrucksysteme und diese Systeme sind verglichen mit Erdgasspeichertanks, die für 3600 psi (Pfund pro Quadratzoll) (248 bar) zugelassen sind, für wesentlich niedrigere Drücke zugelassen. In einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung kann das Niederdrucksystem für einen Druck von etwa 750 psi (52 bar) oder weniger zugelassen sein. Der Behälter des Niederdrucksystem-Speichertank ist so gebaut, dass er sich während des Betankens füllt, bis der Tank einen Druck innerhalb des zugelassenen Bereiches erreicht. Niederdrucksysteme können adsorbiertes Erdgas, wobei ein Erdgas-Adsorptionsmittel in einen Behälter des Niederdrucksystem-Speichertanks gefüllt ist, verwenden. Das Adsorptionsmittel erhöht das Speichervermögen, sodass der Tank in der Lage ist, eine hinreichend große Menge Erdgas für den gewünschten Fahrzeugbetrieb zu speichern und zu liefern, wenn er auf die niedrigeren Drücke gefüllt wird. Als ein Beispiel ist zu erwarten, dass bei etwa 725 psi (50 bar) ein Fahrzeug mit einem 0,1 m³ (100 l) Erdgastank, der mit einer geeigneten Menge eines Kohleadsorptionsmittels mit einer BET(Brunauer-Emmett-Teller)-Oberfläche von etwa 100 m²/g, einer Fülldichte von 0,5 g/m³ und einer Gesamtadsorption von 0,13 g/g etwa 2,85 Benzingallonen-Äquivalente, GGE (vom engl. gasoline gallon equivalent), (d. h. etwa 85 Meilen unter der Annahme von 30 mpg (Meilen pro Gallone)) gefüllt ist aufweist.
Man nimmt an, dass die Adsorptionswirkung der Menge an Adsorptionsmittel in den hierin offenbarten Beispielen groß genug ist, um jeglichen Verlust der Speicherkapazität aufgrund des von dem Skelett des Adsorptionsmittels eingenommenen Volumens in dem Behälter zu kompensieren. Man nimmt ferner an, dass die Oberfläche des Adsorptionsmittels derart ist, dass das Adsorptionsmittel das Behälter-Speichervermögen von Druck-Erdgas bei niedrigeren Drücken (verglichen z. B. mit dem gleichen Typ von Behälter, der das Adsorptionsmittel nicht enthält) verbessern wird und gleichzeitig auch das -Speichervermögen des Behälters bei höheren Drücken aufrechterhält oder verbessert. Es ist wünschenswert, bei 725 psi die gleiche Menge an Erdgas zu speichern, die in einem mit Druck beaufschlagten Erdgastank bei 3600 psi gespeichert werden kann. Die hierin offenbarten Beispiele funktionieren, um dieses Ziel zu erreichen.
Die Beispiele der vorliegenden Offenbarung, die das in dem Tank enthaltene Adsorptionsmittel aufweisen, können die Zielmenge an Erdgas bei einem niedrigeren Druck speichern als ein Tank ohne das Adsorptionsmittel, der die gleiche Menge an Erdgas speichert. Ein bei einem niedrigeren Druck gespeichertes Gas kann in leichtgewichtigeren Tanks als den Tanks gespeichert werden, die bisher verwendet wurden, um die Zielmenge von Erdgas bei höheren Drücken zu speichern. Bei niedrigeren Drücken sind druckbedingte Spannungen auf der Tankstruktur geringer. Hochdrucktanks sind oft in klassischen Formen (z. B. Zylindern oder Kugeln) geformt, welche Spannungen auf den Wänden des Behälters minimieren. In den Beispielen der vorliegenden Offenbarung können die Tankformen optimiert werden, um in den verfügbaren Fahrzeug-Unterbringungsraum zu passen, ohne dass Dicke Wände vorhanden sind, um mit einer druckinduzierten Spannung umzugehen.
Die Tanks gemäß der vorliegenden Offenbarung können formanpassungsfähige Tanks sein. Wie hierin verwendet, bedeutet „formanpassungsfähig”, dass der Tank den durch eine Fläche definierten Raum effizient nutzt. Der verfügbare Raum kann ein unregelmäßiger Raum sein, der Taschen aufweist, die sich von einem Hauptraum weg erstrecken. Beispielsweise kann eine Karosserieblech-Innenfläche oder eine Bodenfläche eines Fahrzeuges, welche den für einen Tank verfügbaren Raum definiert, für das ästhetische Erscheinungsbild, die strukturelle Steifigkeit oder aus anderen Gründen gekrümmt sein. Es können Streben, Buckel, Wulste und andere strukturelle Formen in das Karosserieblech geformt werden. In einigen Fällen kann ein klassischer zylindrischer Druckgastank den Raum benachbart zu solchen Formen nicht effizient nutzen. Ein Beispiel eines formanpassungsfähigen Tanks der vorliegenden Offenbarung kann mit einem Minimum an ungenutztem Raum innerhalb der Form des Karosseriebleches oder Bodens passen, welches/r den verfügbaren Raum definiert. Die Beispiele der vorliegenden Offenbarung als solche nutzen den Raum effizienter als ein klassischer zylindrischer Druckgastank. Ein einziger zylindrischer Tank wird in der vorliegenden Offenbarung nicht als ein formanpassungsfähiger Tank betrachtet, selbst wenn der verfügbare Raum zylindrisch ist, z. B. in einer Rakete. Wie hierin verwendet, bedeutet formanpassungsfähig nicht, dass der Tank elastisch ist und die verfügbare Form federnd wie ein in einem Kasten aufgeblasener Gummiballon annimmt.
Das Formanpassungsvermögen von Tanks kann durch Bestimmen eines Formanpassungs-Faktors verglichen werden. Wie hierin verwendet, bedeutet der Formanpassungs-Faktor ein Verhältnis eines äußeren Tankvolumens dividiert durch ein umschließendes Volumen eines rechteckigen Quaders. Das Formanpassungsvermögen des in 1 gezeigten zylindrischen Tanks kann wie folgt berechnet werden: V_Tank = 4 / 3πr³ + πr²h V_Quader = (2r)²·(2r + h)
In einem Beispiel sei h = 37,25 Zoll; und r = 8,1 Zoll. Formanpassungsvermögen = 67%.
Wenn der in 1 abgebildete Tank 0,5 Zoll (1,27 cm) dicke Stahlwände und die oben angegebenen Abmessungen r und h hätte, würde der Tank etwa 257 Pfund (117 kg) wiegen und ein inneres Volumen von etwa 93 Liter aufweisen. Bei bestimmten Tankformen, z. B. einer Kugel (Formanpassungs-Faktor = 52%) oder einem geraden Kreiszylinder (Formanpassungs-Faktor = 78%) ist der Formanpassungs-Faktor unabhängig von den tatsächlichen Abmessungen des Tanks. Der Formanpassungs-Faktor für einen zylindrischen Tank mit halbkugelförmigen Enden neigt dazu, von der Größe unabhängig zu sein, wenn h viel größer ist als 2r.
Der für einen Erdgastank verfügbare Raum kann z. B. in einem Fahrzeugfracht-Aufbewahrungsbereich oder Kofferraum sein. Der von dem Erdgastank eingenommene Raum als solcher steht für die Fracht in dem Fahrzeug nicht zur Verfügung. Es kann daher eine effiziente Nutzung des Raumes durch den Erdgastank wünschenswert sein.
Eine Norm zum Messen des verfügbaren Frachtraumes in einem Fahrzeug ist in der SAE J1100, revidiert im September 2005, Abschnitt 7, Cargo Dimensions and Cargo Volumes, zu finden. Die SAE J1100 fordert, dass das Kofferraum-Fassungsvermögen durch Schlichten einer Anzahl von Standard-Gepäckstücken in den Gepäckraum bestimmt wird. Es wird ein „nicht nutzbarer” Raum als solcher zwischen den Standard-Gepäckstücken und den gebogenen Flächen der inneren Karosseriebleche, die den Gepäckraum definieren, bestehen bleiben. Es kann ein anderer Raum als nicht nutzbar für Gepäck bestimmt werden, wenn eines der Standard-Gepäckstücke nicht in den Raum passen wird. Die Beispiele der vorliegenden Offenbarung können den verfügbaren Raum für Tanks effizient nutzen, um die Auswirkung des Tanks auf das Kofferraum-Fassungsvermögen zu minimieren. Andere Beispiele der vorliegenden Offenbarung können verfügbaren Raum für Tanks effizient nutzen, um Raum für andere Zwecke verfügbar zu machen.
2 zeigt zwei Hälften 10 einer Tank-Untereinheit 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Ein Erdgas-Adsorptionsmittel 14 ist in der unteren Hälfte 10 von 2 gezeigt, es ist jedoch einzusehen, dass Beispiele der vorliegenden Offenbarung das Erdgas-Adsorptionsmittel 14 weglassen können. Das Erdgas-Adsorptionsmittel 14 kann in Beispielen der vorliegenden Offenbarung in jeder beliebigen Position in der Tank-Untereinheit angeordnet sein. Jede Hälfte 10 kann unter Verwendung eines beliebigen Formgebungsverfahrens gebildet werden. Beispiele für geeignete Formgebungsverfahren können superplastisches Umformen, schnelles plastisches Umformen, Kaltformen, Blasformen, Hydroformen und Hochgeschwindigkeitsumformen umfassen. Einige Beispiele für das Hochgeschwindigkeitsumformen umfassen elektrohydraulisches Umformen, Blasformen und Explosionsumformen. Die Tank-Untereinheit 20 kann aus einem Metall, einem Polymer, einem faserverstärkten Verbundwerkstoff oder Kombinationen daraus gebildet werden. 3 zeigt die zwei Hälften 10 von 2, die gefügt sind, um eine Tank-Untereinheit 20 zu bilden.
In einem Beispiel weist jede Tank-Untereinheit 20 ein inneres Volumen in einem Bereich von etwa 0,2 Liter bis etwa 3,0 Liter auf. Gemäß den Beispielen der vorliegenden Offenbarung können kleinere und größere Tank-Untereinheiten 20 verwendet werden. Da die Wanddicke 15 (siehe 2) allgemein nicht kleiner als 1 mm beträgt, wird ein Tank, der aus einer Mehrzahl von kleineren Tank-Untereinheiten 20 hergestellt ist, dazu neigen, verglichen mit einem Tank mit dem gleichen Fassungsvermögen, der aus größeren Tank-Untereinheiten 20 aus dem gleichen Material wie die kleineren Tank-Untereinheiten hergestellt ist, ein höheres Gewicht aufzuweisen. Zur Fertigungseffizienz können die Tank-Untereinheiten 20 in einem Tank im Wesentlichen die gleiche Form und äußere Größe aufweisen. In einem anderen Beispiel können Tank-Untereinheiten 20 verschiedener Größen, Formen und Gewichte kombiniert sein, um einen Tank zu bilden.
Bezug nehmend auf 4 kann ein Fluidspeichertank eines Beispiels der vorliegenden Offenbarung eine Mehrzahl von Tank-Untereinheiten 20' aufweisen, die angeordnet sind, um den verfügbaren Raum effizient zu nutzen. In einem Beispiel kann eine Mehrzahl der Tank-Untereinheiten 20' in einer Gruppe 40 angeordnet sein. In einem Beispiel kann ein Erdgas-Adsorptionsmittel 14 in jeder Tank-Untereinheit 20' der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten 20' in der Gruppe 40 angeordnet sein. Jede Tank-Untereinheit 20' steht in fluidtechnischer Verbindung (direkt oder indirekt über eine oder mehrere benachbarte Tank-Untereinheiten) mit einer einzigen Auslassöffnung 38. Jede Tank-Untereinheit 20' steht auch in fluidtechnischer Verbindung (direkt oder indirekt über eine oder mehrere benachbarte Tank-Untereinheiten) mit einer einzigen Fluid-Einfüllöffnung 39. In einem Beispiel ist die einzige Auslassöffnung 38 die einzige Fluideinlassöffnung 39. Anders ausgedrückt, können die Funktionen der einzigen Auslassöffnung 38 und der einzigen Fluideinlassöffnung in einer einzigen Einlass/Auslassöffnung kombiniert sein. Es sollte einzusehen sein, dass die mit Bezug auf die Tank-Untereinheiten 20' in den 4 und 5 beschriebene fluidtechnische Verbindung auch für jede Tank-Untereinheit von Beispielen der vorliegenden Offenbarung einschließlich z. B. der Tank-Untereinheit 20 und 20'' zutrifft.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung können mit einem zum Betrieb mit Erdgas bestimmten Motor oder einem Zweistoffmotor (nicht gezeigt) verbunden sein, der selektiv in der Lage ist, einen flüssigen Kraftstoff und einen Erdgaskraftstoff zu verwenden. Der Motor kann z. B. verwendet werden, um das Fahrzeug in einem herkömmlichen Antrieb, einem Hybrid-Antrieb oder einem batteriebetriebenen Elektrofahrzeug, bei dem der Motor verwendet wird, um die Reichweite der Batterien zu verlängern, anzutreiben.
In einem Beispiel kann jede Tank-Untereinheit 20', 20'' ein primäres Paralleloeder sein. Die Tank-Untereinheiten 20', 20'' können als solche einen 3-dimensionalen Raum tesselieren. Eine gleichmäßige Tesselierung, die den dreidimensionalen euklidischen Raum mit nicht überlappenden, konvexen, gleichmäßigen vielflächigen Tank-Untereinheiten füllt, ist auch als eine konvexe, gleichmäßige Wabenstruktur bekannt. Eine Wabenstruktur, bei der alle Tank-Untereinheiten innerhalb ihrer Symmetrie gleichmäßig sind, ist isochor. Eine Untereinheit einer isochoren Wabenstruktur ist ein raumfüllendes Polyeder. Beispiele für raumfüllende Polyeder umfassen: regelmäßige Würfelpackungen, sechseckige Prismen und dreieckige Prismen; eine gleichmäßige, rotierte, dreieckige prismatische Wabenstruktur; eine gleichmäßige Packung von abgestumpften Oktaedern; eine rhombische, zwölfflächige Wabenstruktur; eine abgestumpfte Triakistetraeder-Wabenstruktur; eine trapez-rhombische zwölfflächige Wabenstruktur; eine längliche zwölfflächige Wabenstruktur; und eine Packung eines beliebigen würfelförmigen, rhombischen Hexaeders oder Parallelepipeds.
Wie in 4 gezeigt, ist kein ungenutzter Raum zwischen benachbarten Tank-Untereinheiten 20' vorhanden, die primäre Paralleloeder sind. Das Niveau an Körnigkeit und somit die Effizienz der Nutzung von Raum an den äußeren Rändern des Tanks kann von der Größe der einzelnen Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' abhängig sein. Es sollte jedoch einzusehen sein, dass partielle Tank-Untereinheiten verwendet werden können, um die Ränder gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung zu füllen. In dem in 4 gezeigten Beispiel ist jede Tank-Untereinheit 20' in der Form eines primären Paralleloeders ein abgestumpftes Oktaeder. Jede der Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' kann mit benachbarten Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' über ausgerichtete Öffnungen/Durchbrechungen 34 (in 5 gezeigt) in benachbarten Wänden der Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' in fluidtechnischer Verbindung stehen. In Beispielen, in denen das Fluid eine Flüssigkeit ist, können die ausgerichteten Öffnungen angeordnet sein, um ein vollständiges Leerlaufen jeder Tank-Untereinheit unter dem Einfluss der Schwerkraft zuzulassen. Es sollte einzusehen sein, dass Öffnungen auf jeder beliebigen Seite einer Tank-Untereinheit mit einer benachbarten Tank-Untereinheit vorhanden sein können.
5 zeigt eine Gruppe 40 von abgestumpften Oktaeder-Tank-Untereinheiten 20' mit Durchbrechungen 34 in einigen der quadratischen Flächen 32. Eine Wanddicke 15 einer Fläche ist in 5 gezeigt. Bei der Bezugsziffer 36 ist eine Durchbrechung 34 in einer Wand definiert, die eine andere Durchbrechung 34 in einer benachbarten Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten überlappt. Jede Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' weist zumindest eine solche Durchbrechung 34 auf, um eine fluidtechnische Verbindung mit einer benachbarten Tank-Untereinheit 20, 20', 20'' bereitzustellen. Einige Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' der vorliegenden Offenbarung können Durchbrechungen 34 zur direkten fluidtechnischen Verbindung mit mehr als einer benachbarten Tank-Untereinheit 20, 20', 20'' aufweisen. Alle Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' in der Gruppe 40 stehen letztlich in fluidtechnischer Verbindung mit allen anderen Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' in der Gruppe 40. Es sollte einzusehen sein, dass das durch die Gruppe 40 aufzunehmende Fluid innerhalb der Gruppe 40 vollständig aufgenommen ist. Anders ausgedrückt ist keine zusätzliche Hülle außerhalb der Gruppe erforderlich, um ein abgedichtetes Gefäß zu schaffen. Es sollte einzusehen sein, dass, wenngleich keine zusätzlich Hülle erforderlich ist, um das Gefäß abzudichten, eine Hülle aus anderen Gründen, umfassend eine mechanische Unterstützung, Korrosionsschutz oder das ästhetische optische Erscheinungsbild, verwendet werden kann.
In dem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, ist jede Tank-Untereinheit 20' in der Form eines primären Paralleloeders in der Gruppe 40' ein sechseckiges Prisma 20''.
7 zeigt, wie die Tank-Untereinheiten 20'' in der Form eines sechseckigen Prismas einen Raum 52 tesselieren können. Der Raum 52 als solcher wird ohne ungenutzten Raum ausgefüllt. Wie in 7 gezeigt, können Abschnitte der Tank-Untereinheiten in der Form eines sechseckigen Prismas verwendet werden, um Räume entlang der Ränder des Raumes 52 im Wesentlichen auszufüllen, wo eine ganze Tank-Untereinheit 20'' in der Form eines sechseckigen Prismas nicht hineinpassen wird. Der in 7 gezeigte Raum 52 soll vermitteln, dass der Raum jede beliebige Form annehmen kann.
Ferner kann jede Tank-Untereinheit 20, 20', 20'' in einem Tank im Wesentlichen die gleiche Form und Außenabmessung aufweisen. In einem anderen Beispiel können Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' mit verschiedenen Größen, Formen und Gewichten kombiniert werden, um einen Tank zu bilden. In Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann eine einzelne Tank-Untereinheit 20, 20', 20'' eine gleichmäßige Wanddicke aufweisen, oder Abschnitte der einzelnen Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' können dickere Wände aufweisen als andere Abschnitte. In Beispielen können verschiedene Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' voneinander verschiedene Wanddicken aufweisen. Beispielsweise kann eine Tank-Untereinheit 20, 20', 20'' auf einem inneren Abschnitt eines Drucktanks von benachbarten Tank-Untereinheiten getragen sein und eine geringere spannungsinduzierende Kraft von dem Druck des enthaltenen Fluids erfahren. Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' auf einem äußeren Abschnitt desselben Tanks können dickere Wände aufweisen, um die durch das mit Druck beaufschlagte Fluid verursachte Spannung zu reduzieren, wenn die Wand keine benachbarte Tank-Untereinheit aufweist, die als eine Stütze wirkt, um die Nettokraft auf der Wand zu reduzieren.
Wenngleich oben stehend in Verbindung mit den Fig. bestimmte Formen beschrieben wurden, können Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' der vorliegenden Offenbarung andere dreidimensionale Formen aufweisen, die ein Volumen tesselieren. Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' in einem Tank der vorliegenden Offenbarung kann z. B. eine Mischung aus unregelmäßigen Dodekaedern mit fünfeckigen Flächen umfassen, die eine tetraedrische Symmetrie aufweist. Gleichermaßen können Tank-Untereinheiten Tetrakaidekaeder mit zwei sechseckigen und zwölf fünfeckigen Flächen sein, die eine nicht prismatische Symmetrie besitzen (Weaire-Phelan-Strukturen). Die Tank-Untereinheiten können andere raumfüllende Formen einschließlich Pyritoeder und abgestumpfte sechseckige Trapezoeder sein.
In Beispielen der vorliegenden Offenbarung können kleinere Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' auf äußeren Schichten des Tanks positioniert werden, um den Tank widerstandsfähiger gegenüber einer Druckdifferenz zwischen den Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' und der Umgebung außerhalb des Tanks zu machen. Kleinere Tank-Untereinheiten würden besser versteifende Wände aufweisen, um Festigkeit bereitzustellen, um druckinduzierten Spannungen standzuhalten.
In einem weiteren Beispiel der vorliegenden Offenbarung sind benachbarte Seiten von benachbarten Tank-Untereinheiten 20', 20'' in der Gruppe 40, 40' wechselseitig befestigt und mit beidseitiger Symmetrie ausgerichtet, und eine Linie durch die Schwerpunkte der benachbarten Flächen steht orthogonal zu jeder der benachbarten Flächen der benachbarten Tank-Untereinheiten 20', 20''.
Es sollte einzusehen sein, dass benachbarte Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' mithilfe eines beliebigen geeigneten Verfahrens aneinander angebracht werden können. In einem Beispiel sind die Untereinheiten aneinandergeschweißt. In einem weiteren Beispiel sind die Untereinheiten aneinandergeklebt. Es sollte einzusehen sein, dass ein beliebiger geeigneter Kleber verwendet werden kann, z. B. um eine hinreichende Bindung für das Material vorzusehen, aus dem die Untereinheiten 20, 20', 20'' gebildet sind.
Die Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' können aus einem Metall, einem Polymer, einem faserverstärkten Verbundwerkstoff und/oder einer Kombination daraus gebildet sein. In jedem Beispiel können die Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' aus einem beliebigen Material hergestellt sein, das für den klassifizierten Betriebsdruck geeignet ist. In einigen Beispielen der vorliegenden Offenbarung, Z. B. einem belüfteten Flüssigkeitsspeichertank, kann der Betriebsdruck relativ niedrig sein. In anderen Beispielen, z. B. einem Gasspeichertank, kann der Betriebsdruck 3600 psi oder mehr betragen.
Einige Beispiele von geeigneten Tank-Untereinheit-Materialien können Aluminiumlegierungen, ein hochfester, niedrig legierter Stahl (HSLA, vom engl. high strength low alloy steel), Titan und Edelstähle umfassen. Beispiele von hochfesten Aluminiumlegierungen umfassen jene der Serie 7000, die eine relativ hohe Fließfestigkeit aufweist. Ein spezifisches Beispiel umfasst Aluminium 7075-T6, das eine Zugfestigkeit von etwa 73000 psi (503 MPa, Megapascal) aufweist. Andere Aluminiumlegierungen umfassen jene der Serie 6000, wobei ein spezifisches Beispiel Aluminium 6061-T6 umfasst, das eine Zugfestigkeit von etwa 40000 psi (276 MPa) aufweist. Die Wahl der Aluminiumlegierung, die eine Gewichtsreduktion mit sich bringt, wird von der endgültigen Gefäßauslegung und somit von dem Arbeitsdruck abhängig sein. Beispiele von hochfestem, niedrig legierten Stahl, weisen allgemein einen niedrigen Kohlenstoffgehalt in einem Bereich von etwa 0,05% bis etwa 0,25% auf, und der Rest der chemischen Zusammensetzung variiert, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen.
Der Widerstand der hierin offenbarten Tanks gegenüber Druck resultiert zumindest teilweise aus einem Gleichgewicht der Fließfestigkeit des Materials und einer Dicke der Tank-Untereinheit-Wände. Tanks, die aus hochfesten Materialien hergestellt sind, können aus dünneren Materialbeständen (Blechen) hergestellt werden als weniger feste Materialien. Hochfeste Tanks als solche können leichter sein als Tanks, die aus Legierungen mit einer geringeren Fließfestigkeit hergestellt sind. In Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann eine Tank-Untereinheit 20, 20', 20'' Wände aufweisen, die aus Legierungen mit verschiedenen Fließfestigkeiten in derselben Tank-Untereinheit 20, 20', 20'' hergestellt sind. In anderen Beispielen kann sich eine Tank-Untereinheit 20, 20', 20'', die aus einem ersten Material hergestellt ist, in einer gleichen Gruppe 40, 40' befinden wie eine andere Tank-Untereinheit 20, 20', 20'', die aus einem zweiten Material hergestellt ist. Das erste Material kann z. B. Aluminium der Serie 6000 sein und das zweite Material kann Aluminium der Serie 7000 sein.
Ohne dass es gezeigt ist, ist einzusehen, dass ein Tank mit anderen Tanks so ausgestaltet sein kann, dass die vielen Tanks über einen Verteiler oder einen anderen Mechanismus in fluidtechnischer Verbindung stehen. Ferner können zumindest zwei Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten 20, 20', 20'' in fluidtechnischer Verbindung mit einem Verteiler stehen, um das Fluid den zumindest zwei Tank-Untereinheiten parallel hinzuzufügen oder daraus zu entnehmen.
In Beispielen, die ein Erdgas-Adsorptionsmittel 14 umfassen, kann das Erdgas-Adsorptionsmittel 14 innerhalb jeder Tank-Untereinheit 20, 20', 20'' positioniert sein. Geeignete Adsorptionsmittel 14 sind zumindest in der Lage, Methanverbindungen freisetzbar zurückzuhalten (d. h. Methanmoleküle reversibel zu speichern oder zu adsorbieren). In einigen Beispielen, kann das gewählte Adsorptionsmittel 14 in der Lage sein, andere in Erdgas vorhandene Komponenten wie z. B. andere Kohlenwasserstoffe (z. B. Ethan, Propan, Hexan etc.), Wasserstoffgas, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoffgas und/oder Schwefelwasserstoff reversibel zu speichern. In noch anderen Beispielen kann das gewählte Adsorptionsmittel inert gegenüber einigen der Erdgaskomponenten und in der Lage sein, andere der Erdgaskomponenten freisetzbar zurückzuhalten.
Im Allgemeinen weist das Adsorptionsmittel 14 eine große Oberfläche auf und ist porig. Die Größe der Poren ist allgemein größer als der effektive Moleküldurchmesser zumindest der Methanverbindungen. In einem Beispiel ist die Porengrößenverteilung derart, dass Poren mit einem effektiven Moleküldurchmesser der kleinsten zu adsorbierenden Verbindungen und Poren mit einem effektiven Moleküldurchmesser der größten zu adsorbierenden Verbindungen vorhanden sind. In einem anderen Beispiel weist das Adsorptionsmittel 14 eine BET-Oberfläche von mehr als 50 Quadratmeter pro Gramm (m²/g) und bis zu etwa 5000 m²/g auf und umfasst eine Mehrzahl von Poren mit einer Porengröße von mehr als etwa 2 Angström und bis zu etwa 50 nm.
Beispiele von geeigneten Adsorptionsmitteln 14 umfassen Kohle (z. B. Aktivkohle, Superaktivkohle, Kohlenstoff-Nanoröhrchen, Kohlenstoff-Nanofasern, Kohlenstoff-Molekularsiebe, Zeolith-Templat-Kohlenstoffe), Zeolithe, Materialien mit metallorganischen Gerüsten (MOF vom engl. metal-organic framework), poröse vernetzte Polymere und Kombinationen daraus. Beispiele von geeigneten Zeolithen umfassen Zeolith X, Zeolith Y, Zeolith LSX, MCM-41 Zeolithe, Silicoaluminophosphate (SAPO) und Kombinationen daraus. Beispiele von geeigneten metallorganischen Gerüsten umfassen MOF-5, ZIF-8, MOF-177 und/oder dergleichen, die durch Verbinden anorganischer Gruppen mit organischen Linkern (z. B. Carboxylat-Linkern) gebaut werden.
Das Volumen, welches das Adsorptionsmittel 14 in dem Behälter einnimmt, wird von der Dichte des Adsorptionsmittels 14 abhängig sein. In einem Beispiel ist es wünschenswert, dass die Dichte des Adsorptionsmittels 14 in einem Bereich von etwa 0,1 g/ccm (Gramm pro Kubikzentimeter) bis etwa 0,9 g/ccm liegt. Ein gut gepacktes Adsorptionsmittel 14 kann eine Dichte von etwa 0,5 g/ccm aufweisen. In einem Beispiel kann ein Behälter 100 Pfund (45,359 kg) eines Kohlenstoff-Adsorptionsmittels 14 umfassen. In diesem Beispiel machen 10% des Adsorptionsmittels 14 bis etwa 10 Pfund (4535,9 g) Puffererdgas aus, das bei 1 Atmosphäre (14,7 psi) in dem Behälter verbleibt. Die Freisetzung dieser Gasmenge würde den Kraftstoffverbrauch deutlich verbessern.
Das gewählte Adsorptionsmittel 14 (d. h. Art und Dichte etc.) kann auch von den Betriebsbedingungen (z. B. Temperatur, Druck etc.) abhängig sein.
Während einige Beispiele der hierin offenbarten Tanks als für ein Fahrzeug beschrieben sind, sollte einzusehen sein, dass Beispiele der vorliegenden Offenbarung in anderen Nicht-Automobilanwendungen verwendet werden können, die ein gespeichertes Fluid einsetzen oder transportieren.
Es sollte einzusehen sein, dass die hierin vorgesehenen Bereiche den angegebenen Bereich und jeden Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereiches umfassen. Zum Beispiel ist ein Bereich von etwa 0,1 g/ccm bis etwa 0,9 g/ccm so zu verstehen, dass er nicht nur die explizit angeführten Grenzen von etwa 0,1 g/ccm bis etwa 0,9 g/ccm umfasst, sondern auch einzelne Werte wie z. B. 0,25 g/ccm, 0,49 g/ccm, 0,8 g/ccm etc. und Unterbereiche wie z. B. von etwa 0,3 g/ccm bis etwa 0,7 g/ccm; von etwa 0,4 g/ccm bis etwa 0,6 g/ccm etc. umfasst. Wenn ferner „etwa” verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, so bedeutet dies, dass geringfügige Abweichungen (bis zu +/–10%) von dem angegebenen Wert eingeschlossen sind.
Bei der Beschreibung und Beanspruchung der hierin offenbarten Beispiele umfassen die Einzahlformen „ein/e” und „der/die/das” die Pluralformen, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes bestimmt.
Es sollte einzusehen sein, dass die Ausdrücke „verbinden/verbunden/Verbindung” und/oder dergleichen hierin weitläufig definiert sind, um eine Vielfalt von abweichenden verbundenen Anordnungen und Montagetechniken zu umfassen. Diese Anordnungen und Techniken umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf (1) die direkte Verbindung zwischen einer Komponente und einer anderen Komponente ohne eingreifende Komponenten dazwischen; und (2) die Verbindung einer Komponente und einer anderen Komponente mit einer oder mehreren Komponenten dazwischen, vorausgesetzt, dass die eine Komponente, die mit der anderen Komponente „verbunden” ist, in irgendeiner Weise mit der anderen Komponente in funktioneller Verbindung steht (ungeachtet des Vorhandenseins einer oder mehrerer zusätzlicher Komponenten dazwischen).
Des Weiteren bedeutet die Bezugnahme auf „ein Beispiel”, „ein anderes Beispiel”, „irgendein Beispiel” und so weiter in dieser Patentbeschreibung durchweg, dass ein spezielles Element (z. B. Merkmal, Struktur und/oder Eigenschaft), das in Verbindung mit dem Beispiel beschrieben ist, in zumindest einem hierin beschriebenen Beispiel enthalten ist und in anderen Beispielen vorhanden sein kann oder nicht. Außerdem sollte einzusehen sein, dass die beschriebenen Elemente für jedes beliebige Beispiel in beliebiger Art und Weise in den verschiedenen Beispielen kombiniert sein können, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes bestimmt.
Während verschiedene Beispiele im Detail beschrieben wurden, wird es für Fachleute offensichtlich sein, dass die offenbarten Beispiele abgewandelt werden können. Aus diesem Grund ist die vorstehende Beschreibung als nicht einschränkend zu betrachten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE J1100, revidiert im September 2005, Abschnitt 7, Cargo Dimensions and Cargo Volumes [0022]

Claims

Fluidspeichertank, umfassend: eine Mehrzahl von Tank-Untereinheiten, die in einer Gruppe angeordnet sind, wobei: jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten eine Durchbrechung aufweist, die in zumindest einer Wand definiert ist und mit einer anderen Durchbrechung überlappt, die in zumindest einer benachbarten Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten definiert ist; jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten in fluidtechnischer Verbindung mit einer einzigen Auslassöffnung zum selektiven Entnehmen des Fluids aus dem Tank steht; jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten in fluidtechnischer Verbindung mit einer einzigen Fluid-Einfüllöffnung steht; und jede Tank-Untereinheit ein inneres Volumen aufweist, das in einem Bereich von etwa 0,2 Liter bis etwa 3,0 Liter liegt.
Fluidspeichertank nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Erdgas-Adsorptionsmittel, das in jeder Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten in der Gruppe angeordnet ist, wobei das Erdgas-Adsorptionsmittel aus Kohlenstoff, einem porösen Polymernetzwerk, einem metallorganischen Gerüst oder einem Zeolith gewählt ist.
Fluidspeichertank nach Anspruch 1, wobei die einzige Auslassöffnung die einzige Fluid-Einfüllöffnung ist.
Fluidspeichertank nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei Tank-Untereinheiten der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten in fluidtechnischer Verbindung mit einem Verteiler stehen, um das Fluid den zumindest zwei Tank-Untereinheiten parallel hinzuzufügen oder daraus zu entnehmen.
Fluidspeichertank nach Anspruch 1, wobei jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten im Wesentlichen die gleiche Form und äußere Größe aufweist; und wobei: eine Fläche der zumindest einen Tank-Untereinheit eine Wanddicke aufweist, die größer ist als die der anderen Fläche der zumindest einen Tank-Untereinheit; eine Fläche der zumindest einen Tank-Untereinheit aus einem Material gebildet ist, das eine Fließfestigkeit aufweist, die höher als die Fließfestigkeit eines anderen Materials ist, das zu einer anderen Fläche der zumindest einen Tank-Untereinheit gebildet ist; oder eine Wanddicke einer Tank-Untereinheit mit einer gleichmäßigen Wanddicke größer ist als eine andere Wanddicke einer anderen Tank-Untereinheit.
Fluidspeichertank nach Anspruch 5, ferner umfassend: eine erste Tank-Untereinheit, die aus einem ersten Material gebildet ist; und eine zweite Tank-Untereinheit, die aus einem zweiten Material gebildet ist, wobei eine Fließfestigkeit des ersten Materials höher ist als eine Fließfestigkeit des zweiten Materials.
Fluidspeichertank nach Anspruch 1, wobei benachbarte Flächen von benachbarten Tank-Untereinheiten in der Gruppe wechselseitig befestigt und mit beidseitiger Symmetrie ausgerichtet sind, wobei eine Linie durch die Schwerpunkte der benachbarten Flächen orthogonal zu jeder der benachbarten Flächen der benachbarten Tank-Untereinheiten steht; und wobei: die benachbarten Tank-Untereinheiten aneinandergeschweißt sind; oder die benachbarten Tank-Untereinheiten aneinandergeklebt sind.
Fluidspeichertank nach Anspruch 1, wobei jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten ein abgestumpftes Oktaeder ist, und wobei die Durchbrechung in einer quadratischen Fläche des abgestumpften Oktaeders definiert ist.
Fluidspeichertank nach Anspruch 1, wobei jede Tank-Untereinheit der Mehrzahl von Tank-Untereinheiten ein sechseckiges Prisma ist.
Fluidspeichertank nach Anspruch 1, wobei die Gruppe von Tank-Untereinheiten zu einem dreidimensionalen Volumen tesseliert sind.