DE102008027121A1 - Druckfester Behälter für kryogene Speicherung von Kraftstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen wärmeisolierten Behälter zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einen wärmeisolierten Kryotank für kondensierte Gase, mindestens bestehend aus einem Innenbehälter zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in mindestens einem Außenbehälter gehalten wird. Zusätzlich ist der Innenbehälter und/oder der Außenbehälter als Formtank gestaltet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter und/oder der Außenbehälter, in Richtung ihrer Behälterlängsachse gesehen, aus mindestens zwei zusammengefügten hohlzylindrischen Umfangswandelementen mit zwei an deren offenen Enden aufgesetzten Deckeln bestehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen druckfesten Behälter, insbesondere einen Kryotank, insbesondere zur Speicherung von kondensiertem Gas zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 195 24 681 A1 verwiesen.
  • In der Zukunft äußerst interessante Kraftstoffe zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. können auf relativ günstige Weise praktisch nur verflüssigt und somit stark abgekühlt gespeichert werden. Bei dieser kryogenen Kraftstoffspeicherung wird der tiefkalte, flüssige Wasserstoffvorrat im Fahrzeug im siedenden Zustand in dem thermisch sehr gut isolierten, druckdichten Behälter gespeichert. Die Energiedichte des siedenden Wasserstoffs wird dabei durch Lagerung bei einer Temperatur wenig über der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, ca. 20 K, maximal. In den heute technisch umgesetzten Vorratsbehältern liegt der Wasserstoff typischerweise bei Temperaturen von ca. 21 K bis ca. 27 K und den damit korrespondierenden Siededrücken von ca. 2 bar (abs.) bis ca. 5 bar (abs.) vor. Im unteren Teil des Vorratsbehälters liegt der siedende Wasserstoff als massedichtere flüssige Phase (LH2) und darüber liegend als gasförmige Phase (GH2) vor.
  • Derartige Vorratsbehälter sind in der Regel doppelwandig ausgeführt, wobei in dem inneren Behälter das flüssige Gas aufbewahrt wird und der Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Behälter evakuiert wird und zur Isolierung dient.
  • Aufgrund der Vakuumisolierung wirken sowohl auf den inneren Behälter, insbesondere bei einer Speicherung des Flüssiggases unter erhöhtem Druck, als auch auf den äußeren Behälter hohe Kräfte, die bei einer Speicherbehälterkonstruktion mit ebenen Seitenflächen hohe Wandstärken erforderlich machen. Aus diesem Grund wurden die Speicherbehälter bisher meist in zylindrischer oder kugelförmiger Bauweise ausgeführt.
  • Für den Einsatz in Verkehrsmitteln ist hier von Nachteil, dass sich die bisher übliche zylindrische Bauart der Behälter nur schlecht an die Fahrzeuggeometrie anpaßt. So wird beispielsweise bei Personenkraftwagen eine Tankanordnung unter der Rücksitzbank angestrebt, wobei der Tank langgestreckt, im Umfang seiner Umgebungskontur angepasst, ausfallen soll.
  • In der DE-OS 195 24 681 wird ein Speicherbehälter für kryogene Medien vorgeschlagen, welcher aus mehreren flüssigkeitsseitig miteinander kommunizierenden, rohrförmigen Einzelbehältem besteht, die von einem gemeinsamen äußeren Isolationsbehälter, der in der Regel keine zylindrische Symmetrie aufweist, umgeben sind. Auf diese Weise ist es möglich, durch geeignete Wahl der Einzelbehälter die Tankform an die Fahrzeuggeometrie anzupassen. Mit einem solchen, so genannten Formtank, ist es möglich, die Zwischenräume zwischen dem Speicherbehälter und den benachbarten Fahrzeugteilen zu minimieren und dadurch das Speicherbehältervolumen zu maximieren.
  • Allerdings sind diese sich in Längsrichtung erstreckenden Einzelbehälter aufwändig zu verbinden, was hohe Fertigungskosten verursacht. Außerdem ist erwünscht, einen solchen Speicherbehälter mit geringem Gewicht in modularer Bauweise und hohem Vorfertigungsgrad herzustellen, damit die Tankgröße einfach nach Bedarf variierbar ist.
  • Eine Abhilfemaßnahme für die geschilderte Problematik aufzuzeigen und einen Speicherbehälter wie erwünscht bereitzustellen ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und/oder mit dem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
  • Nach der Erfindung besteht ein wärmeisolierter Behälter zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere ein wärmeisolierter Kryotank für kondensierte Gase, mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in mindestens einem Außenbehälter gehalten wird, und zusätzlich ist der Innenbehälter und/oder der Außenbehälter als Formtank gestaltet. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter und/oder der Außenbehälter, in Richtung ihrer Behälterlängsachse gesehen, aus mindestens zwei zusammen gefügten hohlzylindrischen Umfangswandelementen mit zwei an deren offenen Enden aufgesetzten Deckeln bestehen.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Umfangswandelemente und/oder die beiden Deckel identisch sind. Außerdem kann mindestens ein Stützwandelement vorgesehen sein, das zwischen die beiden Umfangswandelemente und/oder zwischen ein Umfangswandelement und einen Deckel einfügbar ist. Dieses Stützwandelement kann dann wiederum als Umfangswandelement ausgebildet sein, mit zusätzlich eingebauter, sich im wesentlichen in Querrichtung erstreckender, mit Durchflussausnehmungen versehener Stützwand. Alternativ kann das Stützwandelement auch ein mit Durchflussausnehmungen versehener Deckel sein, der zwischen zwei Umfangswandelemente eingebaut ist.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswandelemente und/oder Stützwandelemente und/oder Deckel aus Metall bestehen und an den Fügestellen dicht miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, sind. Außerdem können die Umfangswandelemente und/oder Stützwandelemente und/oder Deckel des Innenbehälters aus einer dichten Innenschicht, insbesondere aus Metall, mindestens außen umgeben von mindestens einer Verstärkungsschicht aus Fasermaterial bestehen. Wobei die Umfangswandelemente und/oder Stützwandelemente und/oder Deckel im zusammengefügten Zustand wenigstens an den Fügestellen, wenigstens außen von mindestens einer weiteren Verstärkungsschicht aus Fasermaterial umgeben sein können.
  • Wird ein Kryotank so aus gleichen, zusammensteckbaren Verbundwerkstoffsegmenten gefertigt, kann durch die geringere Dichte und höhere Festigkeit des Verbundwerkstoffes die Behältermasse reduziert werden. Die Segmente bleiben für verschiedene Tankgrößen gleich, es ändert sich nur deren Anzahl in Längsrichtung. Nach dem Zusammenstecken werden die als hohlzylindrische Umfangswandelemente ausgebildeten Tanksegmente mit einer weiteren Lage Verbundwerkstoff umwickelt. Die Umwicklung dient zur Entlastung der Fügestellen. Durch die Becherform der einzelnen Tanksegmente, entsteht nach dem Zusammenbau eine Kammerkonstruktion mit Zugelementen, die günstig die auftretenden Belastungen aufnehmen kann damit von der Kugel/Zylinder abweichende Formen dargestellt werden können. Die Zugelemente dienen dabei als Versteifungen für die biegebeanspruchten Bereiche des Speicherbehälters.
  • Die Tanksegmente können auch aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen gefertigt und durch Schweißen, Kleben und/oder Einrasten zusammengefügt werden. Durch die Segmentbauweise kann eine einfache Serienfertigung des Tanks realisiert werden. Die Segmente können vorab mit Rohleitungen, Aufhängungen und Füllstandssonden bestückt und danach zusammengebaut werden. Dabei kann das Tankvolumen durch hinzufügen von Segmenten in Längsrichtung variiert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines wärmeisolierten Behälters zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines wärmeisolierten Kryotanks für kondensierte Gase, ist dadurch gekennzeichnet, dass durch dieses Verfahren in einem ersten Schritt Umfangswandelemente und/oder Stützwandelemente und Deckel zusammengefügt werden und dass nachfolgend in einem zweiten Schritt mindestens die Fügestellen zwischen den Elementen und zu den Deckeln abgedichtet werden, insbesondere durch Schweißen, Kleben, und/oder Verpressen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. Die beigefügten 1 bis 3 zeigen jeweils eine schematisch dargestellte räumliche Ansicht eines erfindungsgemäßen Innenbehälters eines Kryotanks zur Speicherung eines kryogenen Mediums, teilweise in Explosionsdarstellung. In sämtlichen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und erfindungswesentlich können sämtliche näher beschriebenen Merkmale sein.
  • In einem nicht gezeichneten Kraftfahrzeug ist ein Kryotank mit einem Innenbehälter 1 nach einer der 1 bis 3 zur Speicherung von Flüssigwasserstoff LH2 eingebaut. Dieser dient als Kraftstoff zur Versorgung einer das Kraftfahrzeug antreibenden, nicht gezeichneten, Brennkraftmaschine. Der Kryotank ist ein länglicher Behälter, bestehend aus dem druckfesten Innenbehälter 1, gelagert über eine nicht gezeichnete Lagerungseinrichtung in einem nicht gezeichneten Außenbehälter, mit dazwischen liegender Isolationsschicht. Mit einem solchen so genannten Formtank ist es möglich, die Zwischenräume zwischen dem Kryotank und den benachbarten Fahrzeugteilen zu minimieren und so durch eine bessere Ausnutzung des Fahrzeugbauraums das Volumen des Innenbehälters 1 des Kryotanks maximieren zu können.
  • Der als Formtank gestaltete Innenbehälter 1, zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in mindestens einem Außenbehälter gehalten wird, wird aus identischen, zusammensteckbaren, hohlzylindrischen, aus Verbundwerkstoff bestehenden Umfangswandelementen 2 gefertigt, die in Richtung der Behälterlängsachse zusammengefügt sind. An jedem Ende, dem offenen Ende jeweils eines Umfangswandelements 2, ist jeweils ein Deckel 3 aufgesetzt. Durch die geringere Dichte und höhere Festigkeit des Verbundwerkstoffes kann die Behältermasse reduziert werden. Die Umfangswandelemente 2 und Deckel 3 bleiben bei allen Fahrzeugklassen gleich, zur Variation der Tankgröße ändert sich nur die Anzahl der Umfangswandelemente 2. Dabei sind auch die beiden Deckel 3 identisch. Nach dem Zusammenstecken werden die Tanksegmente, das heißt die Umfangswandelemente 2 und die Deckel 3, mit einer weiteren Lage Verbundwerkstoff umwickelt. Diese Umwicklung dient zur Entlastung der Fügestellen.
  • Es ist auch ein Stützwandelement 4 vorgesehen, das zwischen zwei Umfangswandelemente 2 oder zwischen ein Umfangswandelement 2 und einen Deckel 3 eingefügt wird. Durch die Becherform des Stützwandelements 4, ausgeformt als Deckel 3 mit gelochten Durchflussausnehmungen 5 im Boden, entsteht nach dem Zusammenbau eine Kammerkonstruktion mit Zugelementen, die noch höhere Belastungen aufnehmen kann. Das Stützwandelement 4' kann aber auch ein Umfangswandelement 2 sein, mit zusätzlich eingebauter, sich in Querrichtung erstreckender, mit Durchflussausnehmungen 6 versehener Stützwand 7. Durch diese Maßnahme ist es noch einfacher möglich, von Kugel oder Zylinder abweichende Formen darzustellen. Die Zugelemente der Stützwand 7 dienen dabei als Versteifungen für die biegebeanspruchten Bereiche.
  • Die Tanksegmente können aus metallischen und/oder nichtmetallischen Werkstoffen gefertigt und zusammengefügt werden. Das heißt, dass die Umfangswandelemente 2 und/oder Stützwandelemente 4, 4' und/oder Deckel 3 des Innenbehälters auch aus Metall bestehen und an den Fügestellen dicht miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, sein können. Ebenso können diese aus einer dichten Innenschicht, insbesondere aus Metall, mindestens außen umgeben von mindestens einer Verstärkungsschicht aus Fasermaterial bestehen und im zusammengefügten Zustand wenigstens an den Fügestellen, wenigstens außen, von mindestens einer weiteren Verstärkungsschicht aus Fasermaterial umgeben sein.
  • Durch die Segmentbauweise kann eine Serienfertigung des Tanks realisiert werden. Die Segmente können vorab mit Rohleitungen, Aufhängungen und Füllstandssonden bestückt werden und danach zusammengebaut werden. Dabei kann das Tankvolumen durch Hinzufügen von Segmenten variiert werden. Daraus resultiert ein Formtank mit geringem Gewicht. Aufgrund der modularen Bauweise und des hohen Vorfertigungsgrads ist der Formtank mit verhältnismäßig kleinen Werkzeugen in verschiedenen Größen preiswert herzustellen.
  • Ein solches Herstellungsverfahren für einen wärmeisolierten Behälter zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines wärmeisolierten Kryotanks für kondensierte Gase, ist dadurch gekennzeichnet, dass durch dieses Verfahren in einem ersten Schritt Umfangswandelemente 2 und/oder Stützwandelemente 4, 4' und Deckel 3 zusammengefügt werden und dass durch dieses Verfahren in einem zweiten Schritt mindestens die Fügestellen zwischen den Elementen 2, 4, 4' und zu den Deckeln 3 abgedichtet werden, insbesondere durch Schweißen, Kleben, und/oder Verpressen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19524681 A1 [0001]
    • - DE 19524681 [0006]

Claims (12)

  1. Wärmeisolierter Behälter zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere wärmeisolierter Kryotank für kondensierte Gase, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter (1) zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in mindestens einem Außenbehälter gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (1) und/oder der Außenbehälter, in Richtung ihrer Behälterlängsachse gesehen, aus mindestens zwei zusammen gefügten hohlzylindrischen Umfangswandelementen (2) mit zwei an deren offenen Enden aufgesetzten Deckeln (3) bestehen.
  2. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Umfangswandelemente (2) identisch sind.
  3. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Deckel (3) identisch sind.
  4. Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (1) und/oder der Außenbehälter als Formtank gestaltet sind.
  5. Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stützwandelement (4) vorgesehen ist, das zwischen die beiden Umfangswandelemente (2) und/oder zwischen ein Umfangswandelement (2) und einen Deckel (3) einfügbar ist.
  6. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützwandelement (4') ein Umfangswandelement (2) ist, mit zusätzlich eingebauter, sich im wesentlichen in Querrichtung erstreckender, mit Durchflussausnehmungen (5) versehener Stützwand (7).
  7. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützwandelement (4) ein mit Durchflussausnehmungen (5) versehener Deckel (3) ist, der zwischen zwei Umfangswandelemente (2) eingebaut ist.
  8. Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswandelemente (2) und/oder Stützwandelemente (4, 4') und/oder Deckel (3) aus Metall bestehen und an den Fügestellen dicht miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, sind.
  9. Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswandelemente (2) und/oder Stützwandelemente (4, 4') und/oder Deckel (3) des Innenbehälters (1) aus einer dichten Innenschicht, insbesondere aus Metall, mindestens außen umgeben von mindestens einer Verstärkungsschicht aus Fasermaterial bestehen.
  10. Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswandelemente (2) und/oder Stützwandelemente (4, 4') und/oder Deckel (3) im zusammengefügten Zustand wenigstens an den Fügestellen, wenigstens außen von mindestens einer weiteren Verstärkungsschicht aus Fasermaterial umgeben sind.
  11. Verfahren zum Herstellen eines wärmeisolierten Behälters zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines wärmeisolierten Kryo tanks für kondensierte Gase, dadurch gekennzeichnet, dass durch dieses Verfahren in einem ersten Schritt Umfangswandelemente (2) und/oder Stützwandelemente (4, 4') und Deckel (3) zusammengefügt werden und dass durch dieses Verfahren in einem zweiten Schritt mindestens die Fügestellen zwischen den Elementen (2, 4, 4') und zu den Deckeln (3) abgedichtet werden, insbesondere durch Schweißen, Kleben, und/oder Verpressen.
  12. Verfahren zum Herstellen nach Anspruch 11 eines wärmeisolierten Behälters nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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