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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Egalisieren einer Schweißnaht in einem Typ-IV-Druckgasbehälter nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Sogenannte Typ-IV-Druckgasbehälter sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Charakteristisch für diese Art von Druckgasbehältern ist es, dass diese einen Innenbehälter aus Kunststoff, einen sogenannten Liner oder Innenliner aufweisen, welcher direkt oder typischerweise mittelbar über ein Zwischenelement mit einem Anschlussstück, dem sogenannten Boss verbunden ist. Beispielsweise kann der Innenbehälter mit dem Anschlussstück verschweißt und/oder über mechanische Elemente verpresst ausgebildet sein. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise aus der
DE 10 2006 031 118 A1 bekannt. Ferner umfasst ein solcher Typ-IV-Druckgasbehälter eine Außenhülle oder Stützhülle welche zur Aufnahme der mechanischen Kräfte aus einer oder mehreren Schichten aus faserverstärktem Kunststoff aufgebaut ist.
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In der Praxis ist es nun so, dass der Übergang vom Innenbehälter auf das Anschlussstück, und hier insbesondere der Bereich der Schweißnaht hinsichtlich der mechanischen Dauerbelastung, insbesondere bei einer Belastung durch Druckwechsel relativ anfällig ist. Die oben genannte
DE 10 2006 031 118 A1 geht deshalb den Weg, die Schweißnaht im Bereich einer Anschlussöffnung relativ weit nach außen zu verlagern und durch einen zusätzlichen Körper, welcher die Innenhülle mit dem Anschlussstück verpresst, zu stützten.
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Andere Varianten wie beispielsweise der in der
DE 10 2009 049 948 A1 genannte Aufbau gehen den Weg, dass sie den Innenbehälter mit einer Zwischenlage oder einem Zwischenelement verschweißen, welches dann wiederrum mit dem eigentlichen Anschlussstück verbunden ist.
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Bei allen Aufbauten ist es in der Praxis schwierig eine hohe Robustheit und Dauerfestigkeit im Bereich der Verbindung zu realisieren.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, die Robustheit und Dauerfestigkeit des Druckgasbehälters, insbesondere bei Druckwechseln, gegenüber den Aufbauten aus dem Stand der Technik zu steigern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Im Druckgasbehälter ist ein Verbinden des Innenbehälters mit einem Anschlussstück durch direktes oder mittelbares Verschweißen der beiden vorgesehen. In der Praxis ist es nun so, dass durch das Verschweißen, meist ein mittelbares Verscheißen zwischen dem Innenbehälter aus Kunststoff und einem Kunststoffüberzug auf dem Anschlussstück, durch das aufgeschmolzene Material ein Schweißspalt entsteht, aus dem dieses Material verdrängt wird, und das eine Schweißraupe oder Schweißnaht ausbildet, welche typischerweise in das Innere des Druckgasbehälters überstehende Bereiche aufweist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst nun ein Werkzeug mit einem Schaft, welcher einen kleineren Durchmesser als eine zentrale Öffnung des Anschlussstücks aufweist. An einem Ende des Schafts ist ferner ein Werkzeugarm verschwenkbar gelagert, welcher wenigstens eine Scheide aufweist. Der Werkzeugarm ist in einer Einführposition fluchtend zum Schaft angeordnet und überschreitet den Durchmesser der Öffnung des Anschlussstücks nicht. Er kann also in das Innere des Druckgasbehälters durch die Öffnung im Anschlussstück eingeführt werden. Der Werkzeugarm umfasst ferner eine Arbeitsposition, in welcher der Werkzeugarm exzentrisch zum Schaft angeordnet ist. Er kann in dieser Arbeitsposition insbesondere um eine gemeinsame Drehachse zwischen dem Schaft und dem Werkzeugarm, welche wiederum vorzugsweise zentral bezüglich der Breite des Schafts in diesem angeordnet ist, verschwenkt werden. In der Einführposition lässt sich das Werkzeug also in den Druckgasbehälter einführen. Wird der Werkzeugarm mit der Schneide dann in die zweite exzentrische Arbeitsposition verschwenkt, dann kann die Schneide entsprechend der konstruktiven Ausgestaltung des Werkzeugarms bei einer Drehung des Druckgasbehälters um das Werkzeug oder einer Drehung des Werkzeugs in dem Druckgasbehälter mit Umfangsbereichen in Eingriff kommen, welche konzentrisch um die Achse der Drehung angeordnet sind.
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Genau in diesem Bereich, in dem das Werkzeug der erfindungsgemäßen Vorrichtung nun in Eingriff kommen kann, befindet sich die bereits angesprochene Schweißnaht mit den überstehenden Bereichen, welche zu der erhöhten Kerbwirkung führen und daher in Bezug auf die Stabilität des Aufbaus unerwünscht sind. Über die Antriebseinrichtung des Werkzeugs, welche beispielsweise das Werkzeug rotierend antreibt oder entsprechend festhält, falls der Druckgasbehälter selbst rotiert, kann nun außerdem das Werkzeug entsprechend zugestellt werden, um die überstehenden Bereiche der Schweißnaht abzutragen. Vorzugsweise erfolgt die Zustellung dabei in mehreren kleinen Schritten, um so entsprechend kurze und kleine Späne zu produzieren, welche leicht aus dem Inneren des Druckgasbehälters abgeführt werden können.
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Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit ihrem Werkzeug wird somit die Schweißnaht egalisiert, um so jegliche von der Schweißnaht ausgehende Kerbwirkung zu vermeiden. Durch dieses Glätten des Bereichs der Schweißnaht entsteht so ein stabiler Aufbau, welcher im Bereich der potentiellen Schwachstelle bei Weitem nicht mehr so anfällig ist, wie die Aufbauten gemäß dem Stand der Technik. Durch das Egalisieren der Schweißnaht lässt sich so ein sehr robuster und auch über einen langen Betriebszeitraum hinweg dichter Aufbau des Druckgasbehälters erreichen. Insbesondere bei immer wieder auftretenden Druckschwankungen, wie sie beispielsweise beim Fahrzeugeinsatz von derartigen Druckgasbehältern als Wasserstofftanks häufig auftreten, ergeben sich durch das erfindungsgemäße Verfahren entscheidende Vorteile.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass der Werkzeugarm in der zweiten Arbeitsposition verriegelbar ist. Durch dieses Verriegeln in der zweiten Arbeitsposition lässt sich eine exakt reproduzierbare Position des Werkzeugarms und damit der Schneide gewährleisten, sodass trotz der von außen erfolgenden Zustellung des Werkzeugs über die Antriebseinrichtung eine saubere, zuverlässige und reproduzierbare Bearbeitung des Bereichs der Schweißnaht möglich ist.
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Insbesondere kann die Verrieglung dabei über ein Verstellelement, insbesondere eine Schraube, am Schaft des Werkzeugs und damit also von außerhalb erfolgen.
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Die Schneide selbst kann dabei vorzugsweise als wechselbarer Schneideinsatz ausgebildet sein, sodass diese bei Verschleiß einfach gewechselt werden kann, ohne dass der Aufbau neu realisiert und aufwändig eingemessen werden muss. Insbesondere eignet sich als wechselbarer Schneideinsatz eine Schneidplatte oder Wechselschneide, wie sie beispielsweise aus dem Bereich des Fräsens oder des Drehens allgemein bekannt ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend exemplarisch erläutert und anhand der Figuren beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Druckgasbehälters;
- 2 eine Schnittdarstellung durch einen Teil des Druckgasbehälters nach dem Verschweißen des Innenbehälters mit dem Anschlussstück;
- 3 eine Zeichnung und eine Röntgenaufnahme eines Ausschnitts aus 2 in einer Vergrößerung;
- 4 einen Teil des Druckgasbehälters mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Einführposition;
- 5 Darstellung analog zu der in 4 in einer zweiten Arbeitsposition der Vorrichtung; und
- 6 Analog zu den Darstellungen in 3 eine zeichnerische Darstellung und eine Röntgenaufnahme des durch eine Bearbeitung mit dem Werkzeug erzielbaren Ergebnisses.
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In der Darstellung der 1 ist ein Typ-IV-Druckgasbehälter 1 schematisch dargestellt. Er umfasst im Wesentlichen einen zylindrischen Mittelabschnitt sowie zwei halbrunde Endbereiche, welche auch als Dome bezeichnet werden. In diesem Bereich sind Anschlussstücke 2, 3 angeordnet welche auch als BOSS bezeichnet werden. Der Aufbau eines typischen Typ-IV-Druckgasbehälters 1 sieht es nun vor, wie es in den teilweisen Schnitt der 2 zu erkennen ist, dass ein Innenbehälter 4 aus Kunststoff, ein sogenannter Liner ausgebildet ist, welcher für die Dichtheit gegenüber dem zu speichernden Gas, beispielsweise Wasserstoff, sorgt. Dieser ist mit dem Anschlussstück 2 in der Darstellung der 2 verbunden, in dem hier dargestellten Fall mit einer teilweisen Kunststoffumhüllung 6 des Anschlussstücks 2 verschweißt. Diese teilweise Kunststoffumhüllung 6, welche auch als BOSS Overmold bezeichnet wird, ist formschlüssig und/oder verklebt mit dem Anschlussstück 2 verbunden, beispielsweise in dem mit dieser das Anschlussstück 2 und dort vorgesehene Vertiefungen teilweise umspritzt sind. Diesen gesamten Aufbau umgibt dann eine Außenhülle 5 aus einem faserverstärktem Kunststoffmaterial, welches die mechanische Belastung aufnimmt, ohne selbst für das in dem Druckgasbehälter 1 gespeicherte Gas dicht zu sein beziehungsweise dicht sein zu müssen. Zusätzlich sind Verstärkungsstücke bzw. Ausgleichsstücke 7 im Bereich der Dome bzw. Ihrer Schultern angeordnet, um in diesem Bereich den Aufbau entsprechend zu Verstärken und ihn leichter in einer Lagerung aufnehmbar zu machen. Dieser Aufbau ist so prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt.
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Der Innenbehälter 4 weist, wie es in der vergrößerten Darstellung des Ausschnitts III in 2 zu erkennen ist, einen Stabilisierungsring 8 des Innenbehälters 4 aus Kunststoff auf. In der Darstellung der 3 links ist der Bereich, in welchem die Kunststoffumhüllung 6 mit dem Innenbehälter 4 verschweißt ist, durch eine gestrichelte Linie markiert und mit dem Bezugszeichen 9 versehen. Dieser Bereich der Verschweißung ist in der 3 rechts wiederum in einer Röntgenaufnahme zu erkennen, wobei hier das Material der Kunststoffumhüllung 6 dunkler als das Material der Innenbehälters 4 dargestellt ist. Deutlich ist zu erkennen, dass durch das Verschweißen und das dabei auftretende Verflüssigen des Materials eine ausgequetschte Schweißraupe 10 aus dem Material der Kunststoffumhüllung 6 und/oder dem Material des Innenbehälters 4 entsteht. Insgesamt ergibt sich hier also eine Schweißnaht bzw. Schweißraupe 10, welche gegenüber dem Material in der Umgebung entsprechend aufgeworfen ist und damit die massive Gefahr einer Kerbwirkung in sich trägt.
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Diese Kerbwirkung gefährdet die Stabilität der Verbindung zwischen dem Innenbehälter 4 und über die Kunststoffumhüllung 6 mittelbar mit dem Anschlussstück 2, sodass bei hoher Belastung, insbesondere bei einer hohen zyklischen Belastung, sehr schnell ein Versagen entweder der Verbindung oder der die Verbindung umgebenden Bereiche auftreten kann. Um dieser Problematik nun entgegenzuwirken, sollen die überstehenden Materialbereiche der Schweißraupe 10 und dabei idealerweise auch gleich der Stabilisierungsring 8, sofern dieser vorhanden ist, entfernt werden. Da zu diesem Zeitpunkt zumindest das Anschlussstück 2 bereits mittelbar mit dem Innenbehälter 4 des Druckgasbehälters 1 verschweißt ist, muss nun also im Inneren des Aufbaus gearbeitet werden, entweder am Zwischenprodukt aus Innenbehälter 4 und Anschlussstück 2 oder auch am fertigen Druckgasbehälter 1, nachdem dieser die Außenhülle 5 und gegebenenfalls die Verstärkungsstücke 7 erhalten hat. Um dies nun realisieren zu können, ist eine spezielle Vorrichtung 11 vorgesehen, welche in der Darstellung der 4 in einer Einführposition dargestellt ist. Die Vorrichtung 11 besteht im Wesentlichen aus einer Antriebseinrichtung 12 sowie einem Werkzeug 13, welches einen Schaft 14 und einen gegenüber dem Schaft 14 verschwenkbaren Werkzeugarm 15 mit einer Schneide 16, beispielsweise einer auswechselbaren Schneide, aufweist. Sowohl der Schaft 14 als auch der Werkzeugarm 15 mit der Schneide 16 weisen in dieser Einführposition einen Durchmesser auf, welcher in der Lage ist, ohne zu Streifen durch den engsten Teil einer Anschlussöffnung 17 des Anschlussstücks 2 hindurchzufahren. In der Darstellung der 4 ist durchgezogen die erste Einführposition mit in die Anschlussöffnung 17 eingefahrenem Werkzeugarm 15 zu erkennen, und in der gestrichelt dargestellten Position eine zweite Einführposition des Aufbaus mit bereits in das Innere des Druckgasbehälters 1 verfahrenem Werkzeugarm 15.
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In der Darstellung der 5 ist nun die Arbeitsposition der Vorrichtung 11 bzw. des Werkzeugs 13 dargestellt. Der Werkzeugarm 15 ist exzentrisch gegenüber dem Schaft 14 verschwenkt, sodass die Schneide 16 im Bereich der Verbindung 9 zwischen der Kunststoffumhüllung 6 und der Innenhülle 4 zu liegen kommt. Wird nun beispielsweise über die Antriebseinrichtung 12 der Schaft 14 in eine Rotationsbewegung versetzt oder entsprechend festgehalten und der Druckbehälter 1 in eine Rotationsbewegung versetzt, so schneidet die Schneide 16 in der Art eines Dreh- oder Fräsvorgangs das unerwünschte Material der Schweißraupe 10 und des Stabilisierungsringes 8 ab. Dabei kann durch die Antriebseinrichtung 12 ein entsprechender Vorschub in Richtung auf das Anschlussstück 2 zu eingestellt werden. Insbesondere erfolgt das Nachstellen in entsprechend kleinen Vorschubschritten, sodass sich relativ kleine und damit kurze Späne ergeben, welche entsprechend früh brechen und im Gegensatz zu langen ungebrochenen Spänen sehr viel leichter aus dem Inneren des Druckgasbehälters 1 zu entfernen sind. Die Späne können beispielsweise durch ein Absaugrohr, welches durch eine hier nicht dargestellte Anschlussöffnung des gegenüberliegenden Anschlussstücks 3 eingeführt wird, abgesaugt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Reinigung auch mittels Druckluft nach dem Ende des mechanischen Schneidvorgangs mittels des Werkzeuges 13 erfolgen. Ergänzend kann außerdem über eine Kamera, welche beispielsweise über das Anschlussstück 3 zusammen mit einem Absaugrohr eingeführt wird, oder welche im Anschluss an die Bearbeitung durch die Anschlussöffnung 17 eingeführt wird, der Erfolg der mechanischen Bearbeitung überwacht und gegebenenfalls dokumentiert werden.
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In der Praxis sieht es nun so aus, dass das Ergebnis der Bearbeitung in etwa zu dem in der Darstellung der 6 gezeigten Geometrie führt. In der 6 links ist wiederum analog zur Darstellung in 3 links der Aufbau eines Teils des Anschlussstückes 2 mit der Kunststoffumhüllung 6 und dem mit ihr verschweißten Innenbehälter 4 zu erkennen. Die Schweißraupe 10 und der Stabilisierungsring 8 sind durch das Werkzeug 13 hier gänzlich abgetragen worden, sodass ein idealer stetiger Übergang entsteht, welcher entsprechend geglättet ist und die Gefahr einer potenziellen Kerbwirkung damit bannt. In der Darstellung der 6 rechts ist der in etwa derselbe Ausschnitt nochmals in einer Röntgenaufnahme zu erkennen, sodass erkennbar wird, dass die Darstellung nicht idealisiert ist, sondern auch in praktischen Versuchen mit einer vergleichbaren Qualität der erzielten Geometrie einhergeht. Die so im Bereich der durch Schweißen erzielten Verbindung zwischen dem Innenliner und dem Anschlussstück 2 bzw. dessen Kunststoffumhüllung 6 nachbearbeiteten Druckgasbehälter 1 ermöglichen somit eine sehr viel höhere Belastbarkeit und sind auch bei häufigen Druckwechseln, wie sie beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen auftreten können, außerordentlich langlebig. Sie eignen sich deshalb insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa, wie er beispielsweise in Fahrzeugen zur Verwendung mit einem Brennstoffzellen-Antriebssystem eingesetzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006031118 A1 [0002, 0003]
- DE 102009049948 A1 [0004]
