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Die
Erfindung betrifft ein Behältersystem
mit einer Vakuum-Isolationshülle,
die zwischen einem Innenbehälter
und einem diesen mit Abstand umhüllenden
Außenbehälter vorgesehen
ist, wobei eine Evakuierungsöffnung
in der Wand des Außenbehälters, der
ein sog. Evakuierungsflansch zugeordnet ist, bei betriebsbereitem
Behältersystem
mittels eines Verschlussstopfens verschlossen 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.
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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
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
Evakuierungsöffnung
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 Evakuierungsöffnung
freigelegt werden kann und über
welche nach erfolgter Evakuierung der Vakuum-Isolationshülle die
Evakuierungsöffnung
durch den Verschlussstopfen wieder verschlossen werden kann. Ein
solcher Evakuierungsstopfen dient gleichzeitig als Überdrucksicherung
in dem Fall, dass in der Vakuum-Isolationshülle bzw.
im entsprechenden Vakuumraum ein Überdruck auftritt. Dann wird
der Verschlussstopfen durch den Überdruck
herausgedrückt
und somit der Vakuumraum vom Überdruck
entlastet.
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Eine
Prüfung
der Dichtheit des Verschlussstopfens ist im Anschluss an eine Evakuierung
der Vakuum-Isolationshülle
nur eingeschränkt
möglich und
während
des laufenden Betriebs des Behältersystems überhaupt
nicht. Eine Undichtigkeit am Vakuumstopfen würde aber zu einem Abbau des
Vakuums und damit letztlich zum Zusammenbrechen der Wärmeisolation
führen,
was einen hohen Wärmeeintrag
in den Innenbehälter
zur Folge hätte,
so dass das in diesem gespeicherte tiefkalte (kryogene) Fluid beschleunigt
verdampfen würde.
Die damit verbundene Drucksteigerung würde zum Ansprechen einer Sicherheitseinrichtung,
bspw. eines Sicherheitsventils führen,
mit der Folge, dass große
Mengen von gasförmigem
Speichermedium in die Umgebung gelangen würden. Ist ein solches Behältersystem
in einem Kraftfahrzeug eingebaut und wäre dieses Kraftfahrzeug in
einem geschlossenen Raum, beispielsweise einer Garage, abgestellt,
so würde
im Falle eines Bruchs des Vakuums zwischen dem Außenbehälter und
Innenbehälter
praktisch die gesamte im Innenbehälter des Behältersystems
gespeicherte Gasmenge in diesen Raum abgegeben, der in aller Regel nicht
ausgelegt ist, diese Gasmenge gefahrlos aufzunehmen.
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Eine
Abhilfemaßnahme
für diese
geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist für
ein Behältersystem
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass
sich an den Evakuierungsflansch ein mit Ausnahme einer Übertrittsöffnung zum
Evakuierungsflansch sowie einer regulär mittels einer Berstscheibe
oder dgl. verschlossener Überströmöffnung abgeschlossener
und mit einem Fluid befüllter
Prüfraum
anschließt,
wobei der Druck des Fluids im Prüfraum
mittels einer Druckmessvorrichtung überwachbar ist. Vorteilhafte
Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
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Um
ein Zusammenbrechen des Vakuums in der Vakuum-Isolationshülle zu verhindern
oder zumindest rechtzeitig eine geeignete Maßnahme hiergegen ergreifen
zu können,
wird vorgeschlagen, der Evakuierungsöffnung eine weitere Barriere
in Form einer Berstscheibe oder dgl. vorzuschalten. Hierzu schließt sich
an die Evakuierungsöffnung
druckdicht ein abgeschlossener Raum (= sog. Prüfraum) an, in dessen Wand oder
Wänden
zumindest eine letztlich in der Umgebung mündende sog. Überströmöffnung vorgesehen
ist, die im regulären
Betrieb von einer Berstscheibe oder dgl. verschlossen ist. Dabei
liegt in diesem besagten abgeschlossenen Raum, der hier als Prüfraum bezeichnet
ist, ein nennenswert höherer
Druck als in der Vakuum-Isolationshülle des
Behältersystems
und vorzugsweise ein zum Umgebungsdruck verschiedener Druck vor.
Dieser Druck im Prüfraum
kann mittels eines geeigneten Sensors (= Druckmessvorrichtung) überwacht
werden. Vorzugsweise ist dieser Druck durch Befüllung des Prüfraums mit
einem geeigneten Gas oder allgemein Fluid hergestellt, worauf an
späterer
Stelle noch näher
eingegangen wird. Selbstverständlich
weist dieser Raum neben der (oder den) genannten Überströmöffnung(en)
noch eine Übertrittsöffnung zum Evakuierungsflansch
bzw. zu einem Kanal innerhalb desselben auf, so dass der Prüfraum letztlich
mit der vom genannten Vakuumstopfen verschlossenen Evakuierungsöffnung verbunden
ist.
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Sollte
der genannte Verschlussstopfen eine geringe Undichtigkeit zur Vakuum-Isolationshülle hin verursachen
oder aufweisen, so strömt
das Gas oder Fluid aus dem Prüfraum
zumindest anteilig in die Vakuum-Isolationshülle des
Behältersystems
und es wird der Druck im Prüfraum
nennenswert verringert, wobei die Berstscheibe derart ausgelegt
ist, dass diese hohen Unterdrücken
bzw. einem Beinahe-Vakuum im Prüfraum
standhalten kann. Diese Druck-Reduzierung im Prüfraum kann dann mittels des
Sensors bzw. der genannten Druckmessvorrichtung festgestellt werden,
woraufhin ein entsprechender Hinweis bspw. an den Nutzer des Behältersystems
bzw. des dieses aufweisenden Kraftfahrzeugs erfolgen kann, der daraufhin
eine geeignete Maßnahme – auf welche
an dieser Stelle nicht näher
einzugehen ist – einleiten
kann. Wenn bzw. indem sich der Druck im Prüfraum im Normalzustand eines
erfindungsgemäßen Behältersystems
vom Umgebungsdruck unterscheidet, so kann mittels der Druckmessvorrichtung vorteilhafterweise
auch eine Undichtigkeit des Prüfraums
zur Umgebung hin festgestellt werden.
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Nur
im äußerst unwahrscheinlichen
und eigentlich nur theoretisch möglichen
Sonderfall, dass im Falle einer aufgrund einer Druckänderung
im Prüfraum
erkennbaren Störung
erstens keine geeignete Maßnahme
(vgl. vorhergehender Absatz) eingeleitet wird und dass gleichzeitig
die besagte Berstscheibe ihrerseits nicht absolut dicht ist bzw.
der Prüfraum
nicht absolut dicht gegenüber
der Umgebung abgeschlossen ist, kann jedenfalls theoretisch das
Vakuum in der Vakuum-Isolationshülle
weiter abgebaut werden und somit der eingangs geschilderte Fall
eintreten, dass sich das im Innenbehälter des Behältersystems
gespeicherte Fluid soweit erwärmt, dass
die daraus resultierende Drucksteigerung eine Sicherheitseinrichtung
zum Ansprechen bringt und daraufhin gasförmiges Speichermedium in die
Umgebung gelangt. Die Wahrscheinlichkeit für ein Eintreten dieses Falles
sollte aber derart gering sein, dass ein Abstellen eines mit einem
solchen Behältersystem
versehenen Kraftfahrzeugs auch in einer Garage möglich sein müsste.
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Vorzugsweise
ist das Fluid, mit welchem der Prüfraum befüllt ist, so ausgewählt, dass
mit einem Einströmen
desselben in die Vakuum-Isolationshülle nur
ein geringer Energieeintrag in dieses Vakuum stattfindet oder dass
dieses Vakuum nur minimal geschwächt
wird. Beispielsweise erfüllen
Ammoniak oder Schwefelhexafluorid diese Bedingungen. Damit sind
die Auswirkungen auf die Vakuum-Isolationshülle trotz feststellbarem Druckabfall
im Prüfraum
minimal, so dass ausreichend Zeit bleibt, eine geeignete Maßnahme (vgl.
oben) zu ergreifen. Auch ist es vorteilhaft, wenn das besagte Fluid
bei Austreten aus dem Prüfraum
(bspw. im Bereich des Evakuierungsflansches oder der genannten Berstscheibe)
einfach detektierbar ist, da eine im jeweiligen Bereich vorhandene
Leckage dann einfach festgestellt werden kann. Weiterhin kann ein
den Prüfraum
einschließendes sog.
Hilfsgehäuse
im Bereich des Anschlusses an den Evakuierungsflansch nach Art einer
zur Erzeugung des Vakuums zwischen Außenbehälter und Innenbehälter an
den Evakuierungsflansch anzuschließenden Saugleitung oder Schleuse
ausgebildet und somit einfach an die vorhandene Flansch-Geometrie angepasst
sein.
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Die
beigefügte
Prinzipskizze zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
wobei in diesem Schnitt weder ein üblicher Innenbehälter noch
ein in seinem grundsätzlichen
Aufbau wie üblich gestaltete
Außenbehälter dargestellt
ist, sondern linksseitig in der Figur nur ein an eine Evakuierungsöffnung in
der Wand des Außenbehälters angeschlossener
Evakuierungsflansch 1, in dessen mit einer Vakuum-Isolationshülle zwischen
dem Außenbehälter und
Innenbehälter
verbundenem kanalförmigen
zentralen Innenraum 2 das gleiche Vakuum wie in der besagten
Vakuum-Isolationshülle vorliegt. Nach
außen
hin ist dieser Innenraum 2 (und somit auch die Vakuum-Isolationshülle) durch
einen in den Evakuierungsflansch 1 eingesetzten Verschlussstopfen 3,
der geeignet mit O-Ringen 4 versehen ist, abgeschlossen.
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An
das freie Ende des Evakuierungsflansches 1 ist unter Zwischenlage
einer Dichtung 13 sowie mittels einer geeigneten Klemmvorrichtung 14 der
Eintrittsflansch 5a eines sog. Hilfsgehäuses 5 angeschlossen,
dessen Innenraum einen bzw. den sog. Prüfraum 6 bildet, der
mit einem gasförmigen
Fluid befüllt
ist. Über
das kanalförmige
Zentrum des Eintrittsflansches 5a ist der Prüfraum 6 somit
mit dem kanalförmigen
Zentrum des Evakuierungsflansches 1, in dem sich der Verschlussstopfen 3 befindet,
verbunden. Das Hilfsgehäuse 5 weist
ferner eine letztlich in der Umgebung mündende Überströmöffnung 7 auf, die
von einer Berstscheibe 8 verschlossen ist. Diese Berstscheibe 8 ist
dabei derart gestaltet und angeordnet, dass sie einem Unterdruck
(gegenüber Umgebungsdruck)
standhält,
hingegen bei nennenswertem Überdruck
aufreißt
und somit eine Verbindung zwischen dem Prüfraum 6 und der Umgebung ermöglicht,
wofür hier
zusätzlich
eine geeignete Aufreißvorrichtung 9 in
einem die Überströmöffnung 7 bildenden
Kanal 10 vorgesehen ist. Weiterhin ist in die Wand des
Hilfsgehäuses 5 eine
Druckmessvorrichtung 11 eingesetzt, mittels derer der Druck
im Prüfraum 6 gemessen
und somit überwacht
werden kann.
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Die
Funktionsweise dieses Systems wurde weiter oben bereits ausführlich erläutert, nämlich dass
bei geringer Undichtigkeit des Verschlusstopfens 3 gasförmiges Fluid
aus dem Prüfraum 6 schleichend
am Vakuumstopfen 3 vorbei in den Innenraum 2 und
somit in die genannte Isolationshülle des Behältersystems gelangen kann,
womit der Druck im Prüfraum 6 abfällt, was
mittels der Druckmessvorrichtung 11 erkannt werden kann.
Somit ist also eine Undichtigkeit am Vakuumstopfen 3 feststellbar,
woraufhin eine geeignete Gegen-Maßnahme ergriffen werden kann.
Auch die Funktion der Berstscheibe 8 wurde bereits erläutert.
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Die
hier vorgeschlagene Anordnung reduziert somit erstens die Wahrscheinlichkeit,
dass ein Bruch des Vakuums in der Vakuum-Isolationshülle wegen
einer Undichtigkeit des Vakuumstopfens 3 eintritt. Zweitens
kann eine Undichtigkeit im Betrieb mittels der Druckmessvorrichtung
detektiert werden. Auch kann die Berstscheibe 8 selbst
auf einfache Weise auf Unversehrtheit überprüft werden, insbesondere wenn
sie – wie
hier gezeigt – nahe
des Endes in einem vom Prüfraum 6 wegführenden
Kanal 10 eingesetzt ist. Insbesondere ist es möglich, die Berstscheibe 8 beidseitig
mit Druck zu beaufschlagen.
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Das
gasförmige
Fluid, mit dem der Prüfraum 6 befüllt ist,
ist vorzugsweise derart gewählt,
dass lediglich ein geringer Wärmetransport
bei Verflüssigung
bzw. Gefrierung desselben an der Außenseite der Wand des Innenbehälters erfolgt,
falls dieses gasförmige
Fluid am eine Undichtigkeit aufweisenden Verschlussstopfen 3 vorbei
in die genannte Vakuum-Isolationshülle zwischen dem Innenbehälter und
dem Außenbehälter des
Behältersystems
gelangen sollte. Ferner sollte dieses gasförmige Fluid eine hohe Affinität (zur Bindung)
an (wie üblich)
in der Vakuum-Isolationshülle
vorgesehene Getter bzw. Absorbtionsmassen aufweisen. Schließlich ist
es vorteilhaft, wenn das besagte Fluid bei Austritt aus dem Prüfraum 6 in
die Umgebung einfach detektierbar ist.
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Die
vorgeschlagene Anordnung erfordert keine Umstellung der bekannten
und bewährten
Konzepte für
Vakuumstopfen, Vakuum-Schleuse und Verbindungstechnik. Mit diesen
Maßnahmen
wird die Sicherheit des Behältersystems
(bspw. eines Fahrzeug-Tanks zur Speicherung von kryogenem Wasserstoff)
durch eine überwachte
Redundanz an einer sehr kritischen Stelle erheblich erhöht. Damit
ist es möglich,
entsprechend ausgerüstete
Fahrzeuge in geschlossenen Räumen
abzustellen, 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.