DE102005014479A1 - Behälter für tiefkalte Flüssigkeiten - Google Patents

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Abstract

Behälter für tiefkalte Flüssigkeiten, bestehend im Wesentlichen aus einem Außenbehälter (1) und einem Innenbehälter (2), zwischen denen ein eine Superisolation enthaltender evakuierter Zwischenraum (8) besteht. Um eine Verbesserung hinsichtlich Wärmeisolation, Gewicht und Kosten zu erzielen, ist die Superisolation (19) nur im äußeren Teil (22) des Raumes (8) zwischen Außenbehälter (1) und Innenbehälter (2) angebracht und ist zwischen der Superisolation (19) und dem Innenbehälter (2) ein leerer Zwischenraum (21). Zusätzlich kann eine Zwischenschale (18) angebracht sein.

Description

  • Die Erfindung betrifft Behälter für tiefkalte Flüssigkeiten, bestehend im Wesentlichen aus einem Aussenbehälter und einem Innenbehälter, zwischen denen ein eine Superisolation enthaltender evakuierter Zwischenraum besteht. Dabei ist insbesondere an Behälter für verflüssigten Wasserstoff (kurz LH2) gedacht, der von einem Kraftfahrzeug als Treibstoff mitgeführt wird. Unter Superisolation ist die unter dem Namen „Multi-layer-insulation" (kurz MLI) bekannte Aufeinanderfolge einer Anzahl reflektierender Folien mit einem Isoliermaterial als Abstandshalter zwischen den Folien.
  • Für die Anwendung in Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an derartige Behälter hinsichtlich Wärmeisolation, Gewicht und Kosten besonders hoch. Die Wärmeisolation verdient besondere Beachtung, weil auch geringer Wärmeeintrag zum Verdampfen des LH2 beziehungsweise zur Druckerhöhung im Behälter führt, wenn das Kraftfahrzeug länger ausser Betrieb ist. Um diesen besonderen Anforderungen in noch höherem Maße genüge zu tun, wurden im Rahmen einer Dissertation die thermischen Verhältnisse in einer MLI näher untersucht. Die vorliegende Erfindung betrifft praktische Konsequenzen aus dieser Untersuchung.
  • Zunächst wurde zwischen dem Wärmeübergang durch Wärmeleitung und dem durch Wärmestrahlung, die parallel erfolgen aber verschiedenen Gesetzen gehorchen, unterschieden. Die durch Wärmestrahlung übertragene Wärmemenge ist nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz der vierten Potenz der Temperatur in Graden Kelvin proportional, wobei die Emissivität der strahlenden Oberfläche, somit der reflektierenden Folie, als – meist konstant angenommener – Faktor eingeht.
  • Die durch Wärmeleitung übertragene Wärmemenge wächst linear mit der Temperarturdifferenz, wobei die Wärmeleitfähigkeit als Faktor eingeht. Bei einer MLI ist das die Wärmeleitfähigkeit des als Abstandhalter dienenden Isoliermateriales zwischen den reflektierenden Folien. Diese ist zwar sehr gering, aber nicht zu vernachlässigen. Sie beträgt bei hochwertiger Glaswolle etwa ein Tausendstel der Wärmeleitfähigkeit eines massiven Glasblockes. In einer MLI erfolgt die Wärmeübertragung gleichzeitig durch Wärmeleitung und durch Wärmestrahlung, jedoch je nach der in einer bestimmten Zone herrschenden Temperatur in verschiedener Verteilung zwischen Wärmeleitung und Wärmestrahlung.
  • Aus den obigen Gesetzmäßigkeiten folgt, dass der Anteil der Wärmeleitung zu tieferen Temperaturen hin zunimmt, beziehungsweise der der Wärmestrahlung abnimmt, was sich auch experimentell bestätigt hat.
  • Bei dieser Erkenntnis setzt die Erfindung an. Sie besteht darin, dass die Superisolation nur im äusseren Teil des Raumes zwischen Aussenbehälter und Innenbehälter angebracht ist und der dem Innenbehälter nähere Teil des Zwischenraumes leer ist. Leer ist im doppelten Wortsinn gemeint: ohne MLI und evakuiert, also Vakuum. Mit anderen Worten: die innerste Schicht der Superisolation berührt den Innenbehälter nicht. So wird bei besserer Isolation, also insgesamt geringerem Wärmeeintrag sogar noch Material und Gewicht gespart. Nebstbei wird dadurch auch der Zusammenbau des gesamten Behälters mit den Rohren und Armaturen in dem Raum zwischen Innen- und Aussenbehälter erleichtert.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist in dem Raum zwischen Aussenbehälter und Innenbehälter eine Zwischenschale und die Superisolation in dem Teilraum zwischen der Zwischenschale und dem Aussenbehälter angebracht (Anspruch 2). Das erleichtert den Einbau weiter und unterstützt die MLI bei Erschütterungen (mit denen im Fahrbetrieb zu rechnen ist). Dadurch können für die MLI auch dünnere Folien mit besseren Eigenschaften eingesetzt werden. Wegen der geringen Masse der MLI kann die Zwischenschale dünn sein und aus einem leichten Werkstoff bestehen.
  • In konsequenter Fortführung der der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis, stützt sich die Zwischenschale über nur wenige Füße am Innenbehälter ab, welche Füße den Innenbehälter nur an Punkten berühren (Anspruch 3). So ist auch auf diesem Wege die Wärmeleitung minimiert. Wegen des geringen Gewichtes von Zwischenschale und MLI kann die Aufstandsfläche des Fußes auf dem Innenbehälter auch auf nahezu einen Punkt reduziert sein.
  • In einer praktischen Ausführungsform eines Behälters, dessen Aussenbehälter und Innenbehälter im Wesentlichen Zylinder mit Klöpperböden an beiden Enden sind, hat die Zwischenschale auf jeder Seite nur drei über den Umfang verteilte Füsse (Anspruch 4). Weiters ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenschale an zumindest einer Seite eine reflektierende Beschichtung aufweist, vorzugsweise wird das die dem Aussenbehälter (1) zugewandte sein.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
  • 1: Einen Behälter nach dem Stand der Technik im Längsschnitt.
  • 2: Einen erfindungsgemäßen Behälter im Längsschnitt.
  • 3: Einen Querschnitt nach III-III in 2.
  • 4: Diagramm: Temperaturverlauf bei Wärmeeintrag nur durch Strahlung nach dem Stand der Technik.
  • 5: Diagramm: Temperaturverlauf bei Wärmeübertragung durch Strahlung und Wärmeleitung nach dem Stand der Technik, und eines erfindungsgemäßen Behälters.
  • 6: Diagramm: Verteilung des Wärmeeintrages auf Leitung und Strahlung pro Schicht der Superisolation bei einem Behälter nach 1.
  • 7: Diagramm: Verteilung des Wärmeeintrages auf Leitung und Strahlung pro Schicht der Superisolation bei einem erfindungsgemäßen Behälter.
  • 8: Diagramm: Vergleich des Wärmeeintrages eines Behälters nach dem Stand der Technik und eines erfindungsgemäßen Behälters.
  • Der in 1 abgebildete Behälter nach dem Stand der Technik besteht aus einem Außenbehälter 1, einem Innenbehälter 2 und diversen nicht dargestellten Verbindungsleitungen und Armaturen. Der Außenbehälter 1 ist aus einem zylindrischen Mantel 3 und beiderseits je einem Klöpperboden 4 zusammengesetzt, der Innenbehälter 2 aus einem zylindrischen Mantel 5 und beiderseits Klöpperböden 6. Der Innenbehälter 2 ist mittels nur angedeuteter Tragelemente 7 im Außenbehälter 1 aufgehängt. In dem Raum 8 zwischen Außenbehälter 1 und Innenbehälter 2 ist eine Superisolation 9 angebracht. Diese besteht in bekannter Weise aus in vielen Schichten aufeinanderfolgenden reflektierenden Folien und Abstandhaltern. Die Folien sind beispielsweise mit Aluminium durch Aufdampfen beschichtete Kunststofffolien und die Abstandhalter ein Glasfaser-Gewebe.
  • Der in 2 abgebildete erfindungsgemäße Behälter unterscheidet sich von dem nach dem Stand der Technik dadurch, dass in dem Zwischenraum 8 zwi schen Außenbehälter 1 und Innenbehälter 2 eine Zwischenschale 18 vorgesehen ist, die sich mit Füßen 20 am Innenbehälter 2 abstützt. Die Zwischenschale 18 unterteilt so den Raum 8 in einen Zwischenraum 21 auf der dem Innenbehälter 2 zugewandten Seite und einem die Superisolation 19 aufnehmenden Raum auf der dem Außenbehälter 1 zugewandten Seite. Die Zwischenschale 18 dient vornämlich der Unterstützung der Superisolation, sie kann bei ausreichend steifer Superisolation auch wegfallen. Der Zwischenraum 21 ist leer, in ihm herrscht so wie im gesamten Raum 8 ein Vakuum und er enthält nichts, auch keine wie immer geartete Isolation. Es ist lediglich eine minimale Anzahl von Füßen 20 vorgesehen, die der Abstützung und Zentrierung der Zwischenschale 18 hier bezüglich des Innenbehälters 2 dienen. Die Füße 20 könnten sich aber auch am Außenbehälter 1 abstützen. Wesentlich ist, dass die Füße 20 an ihren Aufstandspunkten 23 die jeweilige Behälterwand nur angenähert punktweise, jedenfalls mit minimaler Aufstandsfläche, berühren.
  • In den 1 bis 3 ist die Superisolation 9 bzw. 19 jeweils nur angedeutet und für den von den zylindrischen Wandteilen 3, 5 begrenzten Raum beschrieben. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind aber in sinnvoller Abwandlung auch für die Teile zwischen den Klöpperböden 4, 6 und überhaupt auch auf anders geformte Behälter anwendbar.
  • Im folgenden wird der theoretische Hintergrund und die Wirkung der erfindungsgemäßen Maßnahmen näher erläutert. 4 zeigt diagrammatisch die Temperatur einer jeden Schicht der Superisolation bei einem Behälter nach dem Stand der Technik, zum Beispiel gemäß 1, bei Wärmeeintrag nur durch Strahlung, also in einem Idealfall. In dem Diagramm ist auf der Ordinate die normierte Folienanzahl und auf der Abszisse die Temperatur in Grad Kelvin angegeben. Durch die Normierung trifft die Kurve 43 unabhängig von der tatsächlichen Anzahl Folien in dem Raum 8 zu. Bei 0 % ist die innerste, bei 100 % die äusserste Folie. Wenn man annimmt, dass die Emissivität der reflektierenden Folie von der Temperatur unabhängig ist, trifft auch die gezeichnete Kurve selbst von der Emission unabhängig zu. Bemerkenswert ist, dass der Temperaturunterschied zwischen den Punkten 40 und 41 sehr groß und viel größer als alle darauf folgenden ist. Dabei entspricht der Punkt 40 der innersten, am Innenbehälter 2 anliegenden Folie und der Punkt 41 der nach außen darauf folgenden. Der große Temperaturunterschied 42 zwischen den Punkten 40, 41 erklärt sich mit dem Planck'schen Strahlungsgesetz dem gemäß bei sehr tiefen Temperaturen praktisch kein Wärmeeintrag durch Wärmestrahlung mehr erfolgt.
  • In 5 ist die Kurve 43 wieder zu finden. Die darunter liegenden Kurven 44, 45 zeigen wieder die Temperaturen aufeinanderfolgender Schichten der Superisolation, hier aber unter Berücksichtigung auch der Wärmeleitung jeweils für zwei verschiedene Wärmeleitfähigkeiten der Abstandshalteschichten zwischen den einzelnen reflektierenden Folien. Die Kurve 44 entspricht einer Wärmeleitfähigkeit von 1,5 E-05 [W/mk], die Kurve 45 einer Wärmeleitfähigkeit von 1,5 E-03. Weiters ist in 5 eine Kurve 46 eingezeichnet, die den Temperaturverlauf einer erfindungsgemäßen Ausführungsform des Behälters angibt. Bei dieser berührt die innerste Folie den Innenbehälter 2 nicht. Es findet somit praktisch keine Wärmeleitung statt und der entsprechende Punkt 47 liegt nur geringfügig unter dem Punkt 41 der 4 (Wärmeeintrag durch die Füße 20). Der weitere Verlauf der Kurve 46 ist zwischen der Kurve 43 reiner Strahlung und der Kurve 44. Die Kurven 46 und 44 haben noch eine Gemeinsamkeit, sie sind mit Abstandshalteschichten derselben Wärmeleitfähigkeit von 1,5 E-05 ermittelt. Wenn man für diese beiden Kurven die eingetragene Wärmemenge ermittelt, sei es durch Messung sei es durch Rechnung, so ergibt sich für die Kurve 44 eine Wärmemenge von 0,42 Watt pro Flächen- und Zeiteinheit, für die Kurve 46 von 0,34 Watt. Das entspricht einer beachtli chen Reduktion um 20 %, nur durch Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre. Dabei ist es unwesentlich, ob zwischen der Superisolation 19 und dem leeren Teilraum 21 eine Zwischenschale 18 angebracht ist oder nicht, wenn von den Füßen der Zwischenschale 18 abgesehen wird.
  • Anhand der 6 und 7 ist die Verteilung der eingetragenen Wärmemenge zwischen Wärmeleitung und Wärmestrahlung in 6 in Prozent (auf der vertikalen Achse aufgetragen) für einen Behälter nach dem Stand der Technik und in 7 für einen erfindungsgemäßen Behälter dargestellt. Bei beiden sind 40 Schichten Superisolation, somit 40 Folien mit ihren Abstandshaltern zugrundegelegt und deren Nummer auf der horizontalen Achse aufgetragen. In beiden Figuren nimmt erwartungsgemäß der Anteil der Wärmeleitung am Wärmeeintrag zu tieferen Temperaturen hin zu. Im Tieftemperaturbereich ist er eindeutig dominant. Besonders deutlich zeigt das die Kurve 50 in 6. Die entsprechende Kurve für den Strahlungsanteil ist dort mit 51 bezeichnet. In 7 ist der Anteil der Wärmeleitung im Tieftemperaturbereich bis zur letzten Schicht dominant (Kurventeil 52) und fällt dann dank des leeren Zwischenraumes (21) stark ab (Kurventeil 53). Der Anteil der Wärmestrahlung (Kurven 54, 55) verhält sich gegengleich. Insgesamt ergibt sich aus der erfindungsgemäßen Anordnung ein erheblich reduzierter Wärmeeintrag.
  • 8 zeigt einen abschließenden Vergleich zwischen einem Behälter nach dem Stand der Technik mit einem erfindungsgemäßen Behälter, in Abhängigkeit von der Wärmeleitfähigkeit der abstandhaltenden Schicht zwischen den Folien. Diese ist auf der Ordinate aufgetragen und auf der Abszisse (am linken Rand des Diagramms) der Wärmeeintrag in Watt. Bei dem bereits zu 5 angenommenen Wärmeleitfähigkeit von 1,5 E-05 sind die Wärmemengen aus den Punkten 62 beziehungsweise 63 abzulesen. Es ist zu bemerken, dass die Kurven 60, 61 nach rechts oben hin, also zu größeren Wärmeleitfähigkeiten der Abstandshalteschicht zwischen den Folien (somit bei billigerer Superisolation) divergieren. Das bedeut, dass der Unterschied bei schlechteren Wärmeisolationswerten der Zwischenschicht zunimmt. In 8 ist auch noch eine Kurve 64 eingezeichnet, die die Verringerung des Wärmeeintrages in Prozent angibt, siehe Skala am vertikalen rechten Rand der 8.

Claims (5)

  1. Behälter für tiefkalte Flüssigkeiten, bestehend im Wesentlichen aus einem Aussenbehälter (1) und einem Innenbehälter (2), zwischen denen ein eine Superisolation enthaltender evakuierter Zwischenraum (8) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Superisolation (19) nur im äusseren Teil (22) des Raumes (8) zwischen Aussenbehälter (1) und Innenbehälter (2) angebracht ist und zwischen der Superisolation (19) und dem Innenbehälter (2) ein leerer Zwischenraum (21) ist.
  2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aussenbehälter (1) und Innenbehälter (2) eine Zwischenschale (18) angebracht ist und die Superisolation (19) in dem Teilraum (22) zwischen der Zwischenschale (18) und dem Aussenbehälter (1) angebracht ist.
  3. Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschale (18) sich über nur wenige Füße (20) am Innenbehälter abstützt, welche Füße (20) den Innenbehälter (2) nur an Punkten (23) berühren.
  4. Behälter nach Anspruch 3, wobei Aussenbehälter (1) und Innenbehälter (2) im Wesentlichen Zylinder (3, 5) mit Klöpperböden (4, 6) an beiden Enden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschale (18) auf jeder Seite drei über den Umfang verteilte Füße (20) hat.
  5. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschale (18) an zumindest ihrer Seiten eine reflektierende Beschichtung aufweist.
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