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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Speicherbehälter zur Speicherung von kryogenen Flüssigkeiten,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Technische
Gase, wie beispielsweise Wasserstoff oder LNG (Liquid Natural Gas),
werden in Speicherbehältern
häufig
im flüssigen
Aggregatszustand gelagert oder transportiert. Flüssigkeiten, deren Siedetemperatur
bei Normaldruck weniger als –40°C beträgt, werden
als kryogene Flüssigkeiten bezeichnet.
Die Speicherbehälter
für kryogene
Flüssigkeiten
sind in der Regel doppelwandig ausgeführt, wobei in einem inneren
Behälter
das flüssige
Gas aufbewahrt wird und der Zwischenraum zwischen dem inneren und
einem äußeren Behälter evakuiert wird
und so der Isolierung dient. Die Isolierung ist besonders wichtig,
da sich bei einem Ansteigen der Temperatur der Druck der kryogenen
Flüssigkeit
im inneren Behälter
erhöht
und im ungünstigsten
Fall Druck über
ein Sicherheitsventil abgelassen werden muss. Die so abgelassene
Menge an kryogenem Kraftstoff steht dann jedoch nicht mehr für eine Verbrennung
zur Verfügung
und verdampft nutzlos in die Umgebungsluft. Da dies zu unerwünschten
Emissionswerten und zu einem erhöhten
Kraftstoffverbrauch führt,
kann der Speicherbehälter
gegebenenfalls so temperiert werden, dass das Sicherheitsventil nicht
anspricht.
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Aus
der
DE 198 37 886
C2 ist ein Speicherbehälter
für kryogene
Flüssigkeiten
mit einem inneren und einem äußeren Behälter bekannt,
wobei sich zwischen dem inneren und dem äußeren Behälter ein Isolationsraum befindet
und wobei zumindest eine Stütze
zu Erhöhung
der Stabilität
des inneren oder äußeren Behälters vorgesehen
ist. Die Stütze
ist dabei so gestaltet, dass sie keine wärmeleitende Verbindung zwischen
dem inneren und dem äußeren Behälter herstellt.
Hierbei können
ein oder mehrere innere Behälter
vorgesehen sein, deren Geometrie von der des äußeren Behälters im wesentlichen unabhängig ist.
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Aus
der
DE 195 24 681
A1 ist ein Speicherbehälter
für kryogene
Medien bekannt, wobei ein Speicherraum des Speicherbehälters aus
einem Bündel
von einzelnen Kantrohren aufgebaut ist und darüber hinaus Mittel vorgesehen
sind, die ein Kommunizieren der Kantrohrinnenräume ermöglichen.
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Aus
der
DE 40 38 977 C2 ist
ein doppelwandiger Sicherheitstank in Kugelform zur Lagerung großer Volumina
von verflüssigten
technischen Gasen bekannt. Der doppelwandige Sicherheitstank ist
dabei aus einem inneren Druckmantel und einem einfachen Behältermantel
aufgebaut, wobei zwischen beiden Behälterwänden ein möglichst geringvolumiger, aber
den gesamten inneren Behältermantel
zwecks dessen Überwachung
auf Lecks mittels einer geeigneten Kontrolleinrichtung umschließender Zwischenraum
aufgespannt ist.
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Aus
der
DE 102 43 960
A1 ist ein Druckbehälter
für die
Speicherung eines Verbrennungsgases in einem Fahrzeug bekannt. Im
Druckbehälter
ist dabei ein Zwischenbehälter
vorgesehen, in welchen über
einen Einfüllstutzen
tiefgekühlte
flüssige
Gase eingefüllt
werden und der über Öffnungen
mit einem Druckraum des Druckbehälters
in Verbindung steht, aus dem das verdampf te Verbrennungsgas entnommen
wird. Hierdurch soll das Befüllen
und Entleeren des Druckbehälters
vereinfacht werden.
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Aus
der
DE 19 46 410 ist
schließlich
ein Brennstofftank für
Kraftfahrzeuge bekannt, wobei zumindest eine Seitenwand zu einem
nach innen ragenden Ansatz verformt ist, der mit einer innenliegenden
Fläche
gegen die andere Seitenwand anliegt und mit dieser verbunden ist
und dadurch die Widerstandsfähigkeit
der Seitenwände
erhöht.
Dadurch kann das Gewicht des Brennstofftanks vermindert werden und
gleichzeitig die Starrheit desselben erhöht werden.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
einen Speicherbehälter
eingangs erwähnter
Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, mit welchem insbesondere eine bessere Isolierung des
Speicherbehälters
und eine verbesserte Aufnahme mechanischer Belastungen erreicht
werden kann.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Speicherbehälter der
eingangs genannten Art den inneren Behälter über zumindest eine durch eine
Federeinrichtung gebildete Abstützung
am äußeren Behälter abzustützen. Zwischen dem
inneren und dem äußeren Behälter befindet
sich ein Isolationsraum, welcher eine zu starke Erwärmung des
inneren Behälters
und verbunden damit einen übermäßigen Druckanstieg
in demselben verhindern soll. Die erfindungsgemäße Lösung bietet den Vorteil, dass
der innere Behälter
federnd in beziehungsweise am äußeren Behälter angeordnet
ist und dadurch mechanischen Belastungen, wie beispielsweise Stöße, weniger
stark ausgesetzt ist. Darüber hinaus
bietet die erfindungsgemäße Abstützung durch
die Federeinrichtung den Vorteil, dass der Wärmeübergang zwischen dem inneren
und dem äußeren Behälter deutlich
reduziert ist und dadurch die Isolierung des inneren Behälters verbessert
werden kann. Dies ist besonders wichtig, da eine zu starke Erwärmung des
inneren Behälters
und der in diesem gespeicherten kryogenen Flüssigkeit zu einem Druckanstieg
in dem Behälter
führen
würde,
was im ungünstigen
Fall darin endet, dass bei Überschreitung
eines definierten Druckes ein Sicherheitsventil des inneren Behälters öffnet und
somit Druck durch Ablassen der kryogenen Flüssigkeit beziehungsweise eines
Verdampfungsproduktes derselben abgebaut wird. Ein derartiger Abbau
bedeutet jedoch ein nutzloses Ausblasen von Kraftstoffdampf in die
Umgebungsluft, wodurch sich der Kraftstoffverbrauch insgesamt erhöht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung besitzt
jede Federeinrichtung zumindest ein Federelement, das als thermischer
Isolator ausgebildet ist. Ein derartiger thermischer Isolator besitzt
eine geringe Wärmeleitfähigkeit,
so dass über
die Federeinrichtung beziehungsweise das Federelement wenig Wärme vom äußeren Behälter auf
den inneren Behälter übertragen
wird und die zuvor beschriebenen nachhaltigen Folgen vermieden werden
können.
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Zweckmäßig weist
das zumindest eine Federelement einen kleinen Querschnitt und/oder
eine große
Länge auf.
Ein kleiner Querschnitt bewirkt dabei eine geringe Wärmeleitfähigkeit,
was die Isolierung verbessert. Die große Länge des Federelementes bewirkt
einen hohen Wärmeleitwiderstand,
was ebenfalls zur Verbesserung der Isolierung beiträgt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform weist
jede Federeinrichtung ein als schraubenförmige Zug-/Druckfeder ausge bildetes
Federelement auf. Eine derartige Zug-/Druckfeder kann dabei mit
einem kleinen Querschnitt des gewickelten Drahts und einer großen Länge des
Drahts in Wicklungsrichtung ausgebildet werden, wodurch die Wärmeleitfähigkeit
reduziert und ein besonders großer
Wärmeleitwiderstand
erreicht werden kann. Darüber
hinaus lassen sich schraubenförmige
Zug-/Druckfedern
in nahezu beliebiger Ausführungsform
kostengünstig
herstellen, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen Abstützungen
unter Umständen
Preisvorteile realisiert werden können.
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Des
Weiteren weist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung jede Federeinrichtung zumindest ein Federelement auf,
das endseitig am inneren und/oder am äußeren Behälter jeweils in einer Halteeinrichtung
gehaltert ist. Die Halteeinrichtung bewirkt dabei ein Fixieren eines
jeweiligen Federelementendes, so dass dieses unverrutschbar am inneren
und/oder am äußeren Behälter gehaltert
wird. Vorzugsweise ist dabei auch die Halteeinrichtung als thermischer
Isolator ausgebildet, wodurch eine Wärmeübertragung über die Abstützung zusätzlich reduziert
werden kann.
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Weiter
mit Vorteil weisen der innere und/oder der äußere Behälter Vertiefungen in der Behälterwand
zur Aufnahme der Halteeinrichtungen auf, womit diese und damit auch
die Federelemente in ihrer Position zwischen den beiden Behältern gehaltert sind.
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Entsprechend
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Federeinrichtungen derart
angeordnet, dass sie den inneren Behälter im Wesentlichen zentral
im äußeren Behälter halten.
Die zentrale Lage des inneren Behälters im äußeren Behälter gewährleistet dabei eine relative
Unempfindlichkeit gegenüber
Stößen, wie
sie bei der Fahrt eines Kraft fahrzeuges auftreten können, und
macht dadurch den erfindungsgemäßen Speicherbehälter mechanisch
belastbarer und somit robuster.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
der Zeichnung und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Dabei
zeigt die einzige 1 einen Querschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Speicherbehälter.
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Entsprechend 1 weist
ein erfindungsgemäßer Speicherbehälter 1 zur
Speicherung von kryogenen Flüssigkeiten,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, einen inneren Behälter 2 zur
Aufnahme der Flüssigkeit
und einen diesen umgebenden äußeren Behälter 3 auf.
Der Speicherbehälter 1 kann
beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Speicherung von flüssigem Wasserstoff
oder LNG (Liquid Natural Gas) eingesetzt werden. Zwischen dem inneren
Behälter 2 und
dem äußeren Behälter 3 befindet
sich ein Isolationsraum 4, der in der Regel vakuumisoliert
ist, aber auch mit Perlit oder einem anderen Isolationsmaterial gefüllt sein
kann.
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Vorzugsweise
besitzt zumindest der innere Behälter 2 eine
zylindrische Form und kann dadurch auch bei einer relativ geringen
Wandstärke
die aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Inneren des inneren
Behälters 2 und
dem Isolationsraum 4 auftretenden Kräfte aufnehmen. Um seine Position bezüglich des äußeren Behälters 3 halten
zu können, ist
der innere Behälter 2 über zumindest
eine Abstützung 5 am äußeren Behälter 3 abgestützt. Die
Abstützung 5 bewirkt
dabei, dass ein stets ausreichend großer Abstand zwischen dem inneren
Behälter 2 und
dem äußeren Behälter 3 vorhanden
ist und dadurch der Isolationsraum 4 zwischen den beiden
Behältern 2 und 3 stets
groß genug
bleibt.
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In
der einzigen Figur ist der innere Behälter 2 über insgesamt
vier Abstützungen 5 an
dem äußeren Behälter 3 abgestützt. Die
Abstützungen 5 sind
jeweils identisch ausgebildet, so dass die nachfolgende Beschreibung
der einzelnen Merkmale anhand einer beispielhaften Abstützung erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist jede
Abstützung 5 durch
eine Federeinrichtung 6 gebildet, wobei jede Federeinrichtung 6 zumindest
ein Federelement 7 besitzt, welches als thermischer Isolator
ausgebildet ist. Die Ausbildung als thermischer Isolator verhindert dabei
eine zu hohe Wärmeübertragungsrate über die Abstützungen 5 und
gewährleistet
somit ein nicht zu rasches Erwärmen
des inneren Behälters 2 beziehungsweise
der darin gespeicherten kryogenen Flüssigkeit.
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Eine
geringe Wärmeübertragungsrate
kann beispielsweise über
eine geringe Wärmeleitfähigkeit erreicht
werden, wozu das zumindest eine Federelement 7 beispielsweise
einen kleinen Querschnitt und/oder eine große Länge aufweist. Der kleine Querschnitt
setzt die Wärmeleitfähigkeit
des Federelementes 7 herab, wogegen die große Länge einen Wärmeleitwiderstand
des Federelementes 7 erhöht. Beide Effekte bewirken
eine thermische Isolierung und damit eine Herabsetzung der Wärmeübertragungsrate.
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Gemäß 1 weist
jede Federeinrichtung 6 ein als Zug-/Druckfeder ausgebildetes Federelement 7 auf,
das aus einem spiralförmig
oder schraubenförmig
gewickelten Federdraht besteht. Eine derartige Zug-/Druckfeder oder
Schraubenfeder beziehungsweise deren Draht kann einen kleinen Querschnitt und/oder
eine große
Länge aufweisen,
so dass gute thermische Isolierungseigenschaften erzielt werden können. Die
Länge des
Federelementes 7 kann dabei durch eine erhöhte Anzahl
von Windungen und/oder einem großen Durchmesser erreicht werden,
so dass auf den Wärmeleitwiderstand
beziehungsweise die Wärmeleitfähigkeit
der Zug-/Druckfeder leicht Einfluss genommen werden kann.
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Vorzugsweise
weist jede Federeinrichtung 6 zumindest ein Federelement 7 auf,
welches endseitig am inneren Behälter 2 und/oder
am äußeren Behälter 3 jeweils
in einer Halteeinrichtung 8 gehaltert ist. Die Halteeinrichtung 8 kann
beispielsweise eine Hülse zur
Aufnahme des jeweiligen Federelementendes aufweisen. Der Halteeinrichtung 8 beziehungsweise der
Hülse fällt dabei
die Aufgabe zu, das jeweilige Federelementende ortsfest am inneren
Behälter 2 oder am äußeren Behälter 3 zu
fixieren. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Halteeinrichtung 8 ebenfalls als
thermischer Isolator ausgebildet ist. Als Isolationsmaterial kommt
hierbei beispielsweise Kunststoff in Frage, welcher gegenüber tiefen
Temperaturen unempfindlich ist. Darüber hinaus ist denkbar, dass
das Federelement 7 zumindest an seinen jeweiligen Federelementenden
eine dasselbe umgebende Isolationsschicht aufweist, wodurch zusätzlich die
Wärmeleitfähigkeit
reduziert werden kann.
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Die
Halteeinrichtung 8 ist beidseitig, das heißt sowohl
an der Innenseite des äußeren Behälters 3 als
auch an der Außenseite
des inneren Behälters 2 in
Vertiefungen 9 angeordnet, die in die jeweilige Behälterwand
eingeformt sind. Durch die Anordnung in den Vertiefungen 9 sind
die Halteeinrichtungen 8 positionssicher angeordnet. Neben
den Vertiefungen 9, die eine mechanische Sicherung der
Halteeinrichtungen 8 bilden, sind auch nicht mechanische Sicherungen
der Halteeinrichtung an den Wänden der
Behälter 2, 3 denkbar.
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Eine
Reduktion der Wärmeleitfähigkeit
der Abstützungen 5 beziehungsweise
der Federeinrichtungen 6 ist deshalb wichtig, da bei einer
Erhöhung der
Temperatur der Druck innerhalb des inneren Behälters 2 ansteigt und
bei Erreichen eines definierten Wertes sich ein nicht dargestelltes Überdruck-
beziehungsweise Sicherheitsventil öffnet, so dass durch Entweichen
der kryogenen Flüssigkeit
beziehungsweise eines Verdampfungsproduktes davon, der Druck innerhalb
des inneren Behälters 2 abgebaut werden
kann. Das Öffnen
des Überdruck-
beziehungsweise Sicherheitsventils bedeutet jedoch, dass wertvoller
Kraftstoff nutzlos in die Umgebungsluft abgegeben wird und nicht
mehr für
die Verbrennung beziehungsweise dem Antrieb des Kraftfahrzeuges
zur Verfügung
steht. Um dies zu vermeiden, ist darauf zu achten, dass die Temperatur
des inneren Behälters 2 einen
bestimmten vorgegebenen Wert nicht übersteigt.
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Neben
der Wirkung als thermischer Isolator erfüllen die erfindungsgemäßen Abstützungen 5 mit den
Federeinrichtungen 6 zusätzlich die Funktion, den inneren
Behälter 2 im
Wesentlichen zentral in dem äußeren Behälter 3 zu
halten. Um diese Aufgabe zu erfüllen,
sind vorzugsweise mehrere Federeinrichtungen 6 an unterschiedlichen,
vorbestimmten Stellen angeordnet. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen
kommt es während
des Betriebes immer wieder zu stoßartigen Belastungen, beispielsweise
durch Unebenheiten in der Fahrbahn, welche bei herkömmlich ausgebildeten
Speicherbehältern
voll auf den inneren Behälter 2 übertragen
werden würden.
Durch die als Federeinrichtung 6 ausgebildeten Abstützungen 5 findet
jedoch eine Dämpfung
der mechanischen Stoßbelastung
statt, so dass der innere Behälter 2 und
eventuell daran angeschlossene Anschlüsse einer deutlich geringeren
Stoßbelastung
ausgesetzt sind. Durch die Reduzierung der mechanischen Belastung
aufgrund der Federeinrichtungen 6 kann die Langlebigkeit
des Speicherbehälters 1 gesteigert werden
und dadurch eine erhöhte
Qualität
erreicht werden.
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Zusammenfassend
lassen sich die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemäßen Lösung wie folgt
charakterisieren:
Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, bei
einem Speicherbehälter 1,
welcher einen inneren Behälter 2 und
einen diesen umgebenden äußeren Behälter 3 aufweist,
Abstützungen 5 in
Form von Federeinrichtungen 6 zur Abstützung des inneren Behälters 2 am äußeren Behälter 3 einzusetzen.
Der Zwischenraum zwischen dem inneren Behälter 2 und dem äußeren Behälter 3 ist
dabei als Isolationsraum 4 ausgebildet und dient der Isolierung
der im inneren Behälter 2 gespeicherten
kryogenen Flüssigkeit.
Die Abstützungen 5 sind
dabei als thermischer Isolator ausgebildet, so dass eine Wärmeübertragungsrate
zwischen dem äußeren Behälter 3 und
dem inneren Behälter 2 reduziert
werden kann und die kryogene Flüssigkeit
innerhalb des inneren Behälters 2 länger ihre
tiefe Temperatur behält.
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Durch
die Erfindung lassen sich mehrere Vorteile realisieren: Zum einen
wird eine Erwärmung des
inneren Behälters 2 beziehungsweise
einer darin gespeicherten kryogenen Flüssigkeit verzögert und zum
anderen wird eine mechanische Belastung des inneren Behälters 2 aufgrund
der federnden Lagerung am äußeren Behälter 3 reduziert.