DE102007016974A1

DE102007016974A1 - Behältersysstem mit einer Vakuum-Isolationshülle, insbesondere Fahrzeug-Kryotank

Info

Publication number: DE102007016974A1
Application number: DE102007016974A
Authority: DE
Inventors: Gregor Fischer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2027-04-11
Also published as: DE102007016974B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Behältersystem mit einer Vakuum-Isolationshülle, die zwischen einem Innenbehälter und einem diesen mit Abstand umhüllenden Außenbehälter vorgesehen ist und in der sich ein die Langzeitstabilität des Vakuums sicherstellendes Getter-Material oder dgl. in einem zum Vakuum offenen Behältnis befindet, wobei in der Wand des Außenbehälters eine mittels eines Verschlussstopfens verschlossene Evakuierungsöffnung vorgesehen ist. Dabei ist das Behältnis für das Getter-Material (oder dgl.) im Verschlussstopfen vorgesehen oder letzterer ist als Behältnis für das Getter-Material (oder dgl.) ausgebildet. Vorzugsweise ist der Evakuierungsöffnung in der Wand des Außenbehälters ein sog. Evakuierungsflansch zugeordnet, an den eine Vakuumschleuse anschließbar ist, über die das Behältnis für das Getter-Material (oder dgl.) austauschbar ist. Es kann eine Öffnung des Behältnisses für das Getter-Material (oder dgl.) zum Vakuum hin zunächst verschlossen und von außen freilegbar sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Behältersystem mit einer Vakuum-Isolationshülle, die zwischen einem Innenbehälter und einem diesen mit Abstand umhüllenden Außenbehälter vorgesehen ist und in der sich ein die Langzeitstabilität des Vakuums sicherstellendes Getter-Material oder dgl. in einem zum Vakuum offenen Behältnis befindet, wobei in der Wand des Außenbehälters eine mittels eines Verschlussstopfens verschlossene Öffnung vorgesehen ist. Ein solches Behältersystem ist bspw. in Form eines sog. Kryotanks zur Speicherung von tiefkaltem Wasserstoff in einem Kraftfahrzeug als Energieträger zur Verbrennung in einem Fahrzeug-Antriebsaggregat oder einem Aggregat zur Erzeugung von insbesondere elektrischer Hilfsenergie bekannt und beim Fahrzeug „Hydrogen 7" der Anmelderin eingesetzt.
Das den ein Speichermedium, bspw. tiefkalten Wasserstoff, aufnehmenden Innenbehälter gegenüber der Umgebung isolierende Vakuum muss nicht nur erstmalig erzeugt werden, sondern soll bei Bedarf erneuert werden können, weshalb im das Vakuum grundsätzlich aufrecht erhaltenden Außenbehälter eine Evakuierungsöffnung, hier allgemein Öffnung genannt, vorgesehen ist. Diese ist üblicherweise mittels eines Verschlussstopfens verschlossen, der in der Regel als einfacher Stopfen ausgeführt ist, der in einen an der Wand des Außenbehälters vorgesehenen und die (Evakuierungs-)Öffnung umgebenden Evakuierungsflansch eingesetzt ist und gegenüber diesem bzw. allgemein gegenüber der Wand des Außenbehälters mittels O-Ringen zum Vakuum hin abgedichtet ist. Zum Pumpen des Vakuums wird an den Evakuierungsflansch eine Saugleitung bzw. eine als Schleuse fungierende Vorrichtung angeschlossen, durch die der Verschlussstopfen gezogen und die Evakuierungs-Öffnung freigelegt werden kann und über welche nach erfolgter Evakuierung der Vakuum-Isolationshülle die Evakuierungs-Öffnung durch den Verschlussstopfen wieder verschlossen werden kann.
Weiterhin ist es bekannt, ein solches Behältersystem mit einer Vakuum-Isolationshülle mit im Vakuum-Raum angeordneten speziellen Stoffen auszustatten, die ähnlich einem Schwamm Gasmoleküle binden können. Hierdurch soll eine ausreichende Langzeitstabilität des Vakuums sichergestellt werden. Diese Bindung von Gasmolekülen kann durch chemische Reaktionen und/oder durch physikalische Effekte wie Anlagerung an der Oberfläche des besagten Stoffes bewerkstelligt werden. Diese speziellen Stoffe werden zumeist als Getter bezeichnet, weswegen hier für derartige Stoffe in der Vakuum-Isolationshülle (ebenfalls) der Begriff „Getter-Materialien" verwendet wird, wenngleich auch andere Stoffe, die die gleiche Funktion, nämlich die Bindung von freien Gasmolekülen in einem Vakuum-Raum übernehmen, verwendet werden können. Solche Stoffe oder Getter-Materialien befinden sich dabei in einem Behältnis, das zum Vakuum hin zumindest teilweise offen ist, d. h. bspw. eine perforierte Wand aufweist.
Die Wirksamkeit von Getter-Materialien (oder dgl.) ist zeitlich betrachtet durch deren Aufnahmefähigkeit für Gas-Moleküle begrenzt. Wenn keine Gasmoleküle mehr aufgenommen werden können, sinkt deren Wirksamkeit, was längerfristig betrachtet einen Druckanstieg in der Vakuum-Isolationshülle zur Folge hat. Es ist sodann erforderlich, das Getter-Material auszutauschen. Dies ist im bekannten Stand der Technik nur durch einen Bruch des Vakuums möglich, d. h. dass der Außenbehälter aufgeschnitten werden muss, um neues Getter-Material einzubringen, wonach das Vakuum in der Vakuum-Isolationshülle erneut gezogen werden muss.
Da ein solcher beschriebener Austausch äußerst aufwändig ist, soll hiermit aufgezeigt werden, wie das Getter-Material in einem Behältersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vereinfacht ausgetauscht werden kann (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis für das Getter-Material (oder dgl.) im Verschlusstopfen vorgesehen ist oder letzterer als Behältnis für das Getter-Material (oder dgl.) ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der (Evakuierungs-)Öffnung in der Wand des Außenbehälters ein sog. Evakuierungsflansch zugeordnet, an den eine Vakuumschleuse anschließbar ist, über die das Behältnis für das Getter-Material (oder dgl.) mit oder ohne Verschlussstopfen austauschbar ist.
Vorgeschlagen wird somit quasi ein austauschbares Modul, das als Behältnis für ein Getter-Material fungiert und das über die bereits vorhandene Evakuierungs-Öffnung oder eine andere Öffnung des Außenbehälters solchermaßen in die Vakuum-Isolation eingebracht werden kann, dass ein Austausch und somit eine Entnahme des Behältnisses mit dem (verbrauchten) Getter-Material abermals durch diese (Evakuierungs-)Öffnung möglich ist. In diesem Sinne wird das besagte Behältnis in dieser (Evakuierungs)-Öffnung in der Wand des Außenbehälters gehalten und kann dafür entweder im genannten Verschlusstopfen – integriert – vorgesehen sein oder selbst diesen Verschlussstopfen bilden und hierfür geeignet geformt oder gestaltet sein. Besonders bevorzugt ist dabei die (Evakuierungs)-Öffnung bzw. deren direkte Umgebung in Form eines sog. Evakuierungsflansches derart gestaltet, dass hieran eine dem Fachmann grundsätzlich bekannte Vakuum-Schleuse angeschlossen werden kann, über die bzw. mittels derer dann auch das Behältnis mit dem Getter-Material in die (Evakuierungs)-Öffnung eingebracht sowie aus dieser herausgenommen werden kann, ohne dass hierfür das Vakuum in der Vakuum-Isolationshülle zerstört, d. h. gebrochen werden muss.
Es sind bereits grundsätzlich Verfahren bekannt, mittels derer das Getter-Material erst zu einem späteren Zeitpunkt aktiviert werden kann, d. h. obwohl das Behältnis mit dem Getter-Material vor oder mit Abschluss des Erzeugens des Vakuums in der Vakuum-Isolationshülle eingesetzt wird, wird eine Verbindung zwischen dem Getter-Material und dem Vakuum erst später hergestellt, bspw. wenn sich in der Vakuum-Isolationshülle bereits ein gewisser Druck aufgebaut hat. Die Herstellung dieser Verbindung, d. h. das zeitversetzte Aktivieren des Getter-Materials (oder dgl.) kann dadurch erfolgen, dass das zunächst vollständig geschlossene Behältnis, in welchem sich das Getter-Material befindet, zum Vakuum hin geöffnet wird.
Entsprechendes kann nun auch hier vorgesehen sein, d. h. dass eine Öffnung des Behältnisses für das Getter-Material (oder dgl.) zum Vakuum hin zunächst verschlossen und von außen freilegbar ist. Dieses Freilegen kann beispielsweise durch Perforation, Aufbrechen oder Abschmelzen des Behältnisses bzw. einer an diesem geeignet vorgesehenen Schutzhülle erfolgen. Für ein Aufbrechen oder ein Perforieren kann von außen bspw. ein mechanischer Impuls auf das Behältnis aufgebracht werden; ein partielles Abschmelzen kann bspw. durch Anlegen von elektrischem Strom zur Erzeugung einer Heizwirkung initiiert werden.
Die beigefügte Prinzipskizze zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei in diesem Schnitt lediglich ein Wandabschnitt eines ansonsten üblichen Innenbehälters 1 sowie ein Wandabschnitt eines in seinem grundsätzlichen Aufbau wie üblich gestalteten Außenbehälters 2 dargestellt ist, zwischen denen sich eine Vakuum-Isolationshülle 3 befindet.
Im dargestellten Wandabschnitt des Außenbehälters 2 ist eine Evakuierungsöffnung 4 vorgesehen, durch bzw. über die das Vakuum in der Vakuum-Isolationshülle 3 erzeugt werden kann. Umgeben ist diese hier kreisförmige Evakuierungsöffnung 4 von einem sich nach außen hin erstreckenden sog. Evakuierungsflansch 5, an den außenseitig eine dem Fachmann grundsätzlich bekannte Vakuumschleuse angeschlossen werden kann. In diesen hohlzylindrischen Evakuierungsflansch 5 ist ein die Evakuierungsöffnung 4 verschließender Verschlussstopfen 6 unter Zwischenlage von O-Ringen 7 eingesetzt. Dieser Verschlussstopfen 6 stellt jedoch – abweichend vom üblichen Stand der Technik – keinen Voll-Zylinder dar, sondern ist als Hohlzylinder ausgebildet, in den zentral und dabei in den Trennfugen völlig abgedichtet – ein abschnittsweise kreiszylindrisches Behältnis 8 eingesetzt ist, welches mit Getter-Material befüllt ist. Hier ist dieses Behältnis 8 an der inneren Trennfuge zum Verschlussstopfen 6 an diesen angeschweißt.
Mit Ausnahme des in der Vakuum-Isolationshülle 3 liegenden Bodens 8a des Behältnisses 8 sind die Wände des Behältnisses 8 geschlossen; lediglich dessen Boden 8a ist perforiert. Zunächst ist dieser perforierte Boden 8a von einem Deckelteil 9 abgedeckt, so dass keine Verbindung zwischen dem Getter-Material im Behältnis 8 und dem Vakuum in der Vakuum-Isolationshülle 3 möglich ist.
Wie ersichtlich ist das Behältnis 8 jedoch im wesentlichen nur in seinem in die Vakuum-Isolationshülle 3 hinein ragenden Abschnitt kreiszylindrisch ausgebildet, während das Behältnis 8 in seinem in der Figur rechtsseitigen, im wesentlichen im Evakuierungsflansch 5 liegenden Abschnitt die Form eines Kreisring-Zylinders hat. In dessen bzw. in den dortigen zentrischen zylindrischen Hohlraum des Behältnisses 8 ist ein lediglich abstrakt dargestelltes sog. Auslösesystem 10 für das Getter-Material eingesetzt, bei welchem es sich bspw. um eine elektrische Heizeinrichtung handeln kann, mittels derer das genannte Deckelteil 9 abgeschmolzen werden kann, so dass damit eine Verbindung zwischen der Vakuum-Isolationshülle 3 und dem im Behältnis 8 befindlichen Getter-Material hergestellt wird.
In den Evakuierungsflansch 5 eingesetzt wird der Verschlusstopfen 6 mit integriertem Behältnis 8 über eine in der Figur nicht dargestellte, an die außenseitige Stirnseite des den Evakuierungsflansches 5 angeschlossene Vakuumschleuse am Ende des Evakuierungsprozesses der Vakuum-Isolationshülle 3, was über die Evakuierungsöffnung 4 und die besagte Vakuumschleuse erfolgt. Entweder sofort – wenn sich das genannte Deckelteil 9 nicht auf dem Boden 8a des Behältnisses 8 befindet – oder zu einem späteren Zeitpunkt – nachdem das Deckelteil 9 aufgeschmolzen oder anderweitig zumindest teilweise entfernt wurde – kann das im Behältnis 8 enthaltene Getter-Material Gasmoleküle, die sich in der Vakuum-Isolationshülle 3 befinden oder in diese hineingelangen, binden, um das Vakuum in der Vakuum-Isolationshülle 3 möglichst langfristig aufrecht zu erhalten. Nach einer gewissen Zeit ist jedoch das Getter-Material "aufgebraucht", d. h. nicht weiter in der Lage, ein ausreichende Menge von Gas-Molekülen zu binden, so dass ein Austausch des Getter-Materials erforderlich wird. Dies kann durch einfachen Austausch des Behältnisses 8 erfolgen, wofür wiederum eine Vakuum-Schleuse an den Evakuierungsflansch 5 angeschlossen wird und der Verschlusstopfen 6 mit integriertem Behältnis 8 entfernt wird, um anschließend daran – weiterhin über diese Vakuum-Schleuse – ein neues Behältnis 8 mit frischem Getter-Material in einem anderen Verschlussstopfen 6 integriert in die Evakuierungsöffnung 4 bzw. in den Evakuierungsflansch 5 einzusetzen. Für diesen Austausch von Getter-Material muss somit weder des Vakuum in der Vakuum-Isolationshülle 3 gebrochen noch der Außenbehälter 2 aufgeschnitten werden, so dass dieser Austausch äußerst einfach durchgeführt werden kann.
Vorteilhafterweise erlaubt der einfache Austausch auch ein vereinfachtes Recycling der ausgetauschten Elemente und es muss die Menge des einzubringenden Getter-Materials nicht auf eine potentielle Lebensdauer des Behälter-Systems ausgelegt werden, sondern nur auf ein sehr viel kürzeres Wartungsintervall. Insbesondere als Fahrzeugtank für kryogene Kraftstoffe (LH2 oder LNG) eignet sich ein hier vorgeschlagenes Behältersystem. Anlässlich regelmäßiger Wartungen kann jeweils das Behältnis 8 mit dem Verschlussstopfen 6 (im weiteren „Modul" genannt) schnell und einfach ausgewechselt werden, entweder in Abhängigkeit vom in der Vakuum-Isolationshülle 3 herrschenden Druck oder auch einfach nach Zeitintervallen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mehr als ein derartiges austauschbares Modul (selbstverständlich in einer entsprechenden Zahl von Öffnungen in der Wand des Außenbehälters 2) zu verbauen. Damit kann entweder die Leistung, Gasmoleküle in der Isolationshülle 3 zu binden, vervielfacht werden oder es eröffnet sich die Möglichkeit, ein Modul für den normalen Betriebsfall auszulegen und ein weiteres Modul abhängig von anderen Parametern, zum Beispiel Störfällen, zu aktivieren. Treten beispielsweise kleine Leckagen auf, die über Tage hinweg das Vakuum in der Vakuum-Isolationshülle 3 und damit die Isolierwirkung reduzieren würden, kann über eine externe, nicht dargestellte Steuerung das zweite (oder ein weiteres) Modul aktiviert werden. Damit kann der kritische Anstieg des Wärmeeintrags über die Vakuum-Isolationshülle 3 in den Innenbehälter 1 deutlich verzögert werden. Diese Verzögerungszeit wiederum kann genutzt werden, geeignete Maßnahmen einzuleiten, wie zum Beispiel gezieltes Ablassen des im Innenbehälter 1 gespeicherten Fluids, oder zumindest die Verhinderung einer weiteren Befüllung des Innenbehälters 1 oder auch nur eine Warnung des Nutzers, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Behältersystem mit einer Vakuum-Isolationshülle (3), die zwischen einem Innenbehälter (1) und einem diesen mit Abstand umhüllenden Außenbehälter (2) vorgesehen ist und in der sich ein die Langzeitstabilität des Vakuums sicherstellendes Getter-Material oder dgl. in einem zum Vakuum offenen Behältnis (8) befindet, wobei in der Wand des Außenbehälters (2) eine mittels eines Verschlussstopfens (6) verschlossene (Evakuierungs)-Öffnung (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis (8) für das Getter-Material (oder dgl.) im Verschlusstopfen (6) vorgesehen ist oder letzterer als Behältnis für das Getter-Material (oder dgl.) ausgebildet ist.
Behältersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der (Evakuierungs)-Öffnung (4) in der Wand des Außenbehälters (2) ein sog. Evakuierungsflansch (5) zugeordnet ist, an den eine Vakuumschleuse anschließbar ist, über die das Behältnis (8) für das Getter-Material (oder dgl.) mit oder ohne Verschlussstopfen (6) austauschbar ist.
Behältersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung des Behältnisses (8) für das Getter-Material (oder dgl.) zum Vakuum hin zunächst verschlossen und von außen freilegbar ist.
Behältersystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Behältnisse in zugeordneten Öffnungen in der Wand des Außenbehälters (2) vorgesehen sind, von denen zumindest eines zunächst geschlossen und bedarfsabhängig aktivierbar ist.