DE102008054090B4 - Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, und dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, mit einem inneren Mantel (12) zum Aufnehmen und Speichern der Flüssigkeiten und viskosen Stoffe, einem äußeren Mantel (16), welcher den inneren Mantel (12) vollständig umgibt, und einem Zwischenraum (24), welcher von dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) begrenzt ist, wobei der innere Mantel (12) von dem äußeren Mantel (16) deformierbar und gegenüber dem äußeren Mantel (16) relativ bewegbar aufgenommen ist und wobei der Zwischenraum (24) zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) wärmeisolierend oder einen Wärmefluss reduzierend ausgebildet ist, wobei der innere Mantel (12) in dem äußeren Mantel (16) über in dem Zwischenraum (24) zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) angeordnete, mechanische Kräfte und/oder Momente übertragende Streben (36, 36') aufgehängt ist und wobei die Streben (36, 36') jeweils mit einem Ende (38) an dem inneren Mantel (12) und mit dem anderen Ende (40) an dem äußeren Mantel (16) verbindbar sind, und eine Verwendung dessen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dessen Verwendungen.
  • Derartige Behälter sind allgemein bekannt. Solche Behälter umfassen in aller Regel einen inneren Mantel zum Aufnehmen und Speichern der Flüssigkeiten und viskosen Stoffe und einen äußeren Mantel, welcher den inneren Mantel vollständig umgibt. Darüber hinaus weisen solche Behälter einen Zwischenraum, welcher von dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel begrenzt ist, auf. Dabei ist der innere Mantel von dem äußeren Mantel deformierbar und gegenüber dem äußeren Mantel relativ bewegbar aufgenommen. Gleichzeitig ist der Zwischenraum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel wärmeisolierend oder einen Wärmefluss reduzierend ausgebildet. Gemäß bisherigem Stand der Technik kommen solche Behälter vor allem auf dem Gebiet der Tieftemperaturtechnologie zum Einsatz und sind vielfach als Tanks aus Metall im Luft- und Raumfahrtbereich, in Kraftfahrzeugen oder in Transportvorrichtungen, wie beispielsweise in Tanklastzügen, Tankcontainer etc., eingesetzt. Kryogene Flüssigkeiten sind verflüssigte Gase, wie beispielsweise Argon, Erdgas, Helium, Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff. Dessen Volumen verringert sich im flüssigen Zustand im Vergleich zum gasförmigen Zustand zum Teil um das mehr als 600fache. Gleichzeitig beträgt deren Temperatur nur einige wenige Grad Kelvin. Insoweit führt speziell die Funktion einer Speicherung von als Treibstoff/Oxidator-Gemisch verwendeten kryogenen Fluiden zu erheblichen mechanischen und thermischen Belastungen und stellen sich besondere Anforderungen an einen diese Fluide aufnehmenden und speichernden Behälter hinsichtlich Masse und Gewicht, Wärmeisolierung, Stoßdämpfung und Herstellungskosten.
  • Zum einen weisen sämtliche solcher Behälter eine ausgesprochen komplexe wie ebenso masse- als auch gewichtsmäßig nicht unerhebliche Bauweise nicht zuletzt wegen der konstruktiven Aufhängung des inneren Mantels an dem äußeren Mantel auf: Demnach sind solche Behälter mit einer Vielzahl von unterschiedlichsten Bauelementen ausgestattet, die zudem nicht zuletzt aufgrund konstruktiver Ausgestaltung und Anordnung von erheblicher Masse und Gewicht sind. Demnach sind ausgesprochen aufwendige Lagerkonstruktionen des inneren Mantels an dem äußeren Mantel jeweils auf der Längsachse des Behälters vorgesehen, wie zum Beispiel aus der DE 603 15 481 T2 , der DE 10 2004 060 591 A1 und der DE 20 2005 006 035 U1 beispielhaft hervorgeht. Darüber hinaus sind keine Behälter bekannt, die sich für den dauerhaften Einsatz in einem Flugzeug eignen, welchen speziellen Anforderungen, wie niedrige/s Masse und Gewicht, Lebensdauer von ca. 20 Jahren, Beschleunigungen bis zu 10 g im ungünstigsten Fall, Ausnutzung des verfügbaren Einbauraums, konische oder zylindrische Form usw., genügen würden.
  • Zum anderen kommt solchen Behältern eine entscheidende Bedeutung einer thermischen Isolierung zu: Durch Wärmeeintrag in das Speichermedium steigt der Druck im Innenraum des Behälters, in dem sich das kryogene Fluid typischerweise in zwei Phasen (flüssig und gasförmig) befindet. Ab einem bestimmten Druck muss ein Ventil geöffnet werden, da der Behälter ansonsten zu stark belastet würde. Einerseits stellt dieser abgelassene Dampf eine Gefahr dar, der entsprechend konstruktiv begegnet werden muss. Andererseits geht dadurch ein Teil des Speichermediums verloren, das zum Beispiel für den Betrieb einer Brennstoffzelle vorgesehen ist. Trotz konstruktiver Vorkehrungen ist diesen Behältern allesamt ein verhältnismäßig hoher Wärmeeintrag in den Innenraum gemeinsam, wie zum Bei spiel die US 63 47 719 B1 offenbart.
  • In der DE 10 2006 043 646 A1 ist ein Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, beschrieben, bei dem drei Aufhängungselemente zur Aufhängung des inneren Mantels in dem äußeren Mantel vorgesehen sind. Jedes Aufhängungselement ist ein Endloskord in Form einer Schlaufe mit fester Länge. Diese Aufhängungselemente können nicht auf Druck belastet werden. Aufgrund der jeweiligen äquidistanten Anordnung befindet sich zudem mindestens eines der drei Aufhängungselemente grundsätzlich immer unterhalb einer durch die Längsachse des Behälters aufgespannten Horizontalebene, und zwar unabhängig davon, in welche Position der Behälter um seine Längsachse gedreht wird. Zudem ist die Lagerung statisch unbestimmt ausgeführt. Dies führt dazu, dass sämtliche Verformungen des inneren Mantels, hervorgerufen zum Beispiel durch Temperaturunterschiede, direkt auf den äußeren Mantel, und umgekehrt, übertragen werden. Es erfolgt keine Entkopplung der Bewegungen der beiden Mäntel relativ zueinander. Durch die Aufhängungselemente ist schließlich eine einfache, schnelle und kostengünstige wie gleichermaßen exakte Montage und Ausrichtung sowie nachträgliche Justierung von innerem Mantel und äußerem Mantel ausgeschlossen. Es kann lediglich eine Verspannung der drei Aufhängungselemente zusammen, nicht aber eines einzelnen Aufhängungselementes durch einen Spannmechanismus erfolgen. So kommt hinzu, dass sich die Enden der Aufhängungselemente vermutlich bei nicht vollständiger Spannung und vor allem mit der Zeit aufgrund Alterung relativ zueinander bewegen können. Schließlich ist eine Wärmeisolierung bei den Aufhängungselementen konstruktiv ausgesprochen beschränkt, nämlich lediglich durch Querschnittsveränderung, zum Beispiel durch einen flachen und kleinen Querschnitt. Darüber hinausgehende konstruktive Vorkehrungen zur Wärmeisolierung oder Reduzierung der Wärmeübertragung sind nicht vorgesehen.
  • Die DE 29 03 787 A1 beschreibt eine Aufhängevorrichtung für einen Tieftemperaturtank. Die Aufhängevorrichtung, über welche der Tieftemperaturtank koaxial in einem Außenbehälter aufgehängt ist, umfasst eine obere und eine untere Reihe von jeweils sechs Befestigungsbändern aus mehreren parallelen, endlos gewickelten Doppelschlaufen. Die Befestigungsbänder zwischen Innentank und Außenbehälter können ebenfalls ausschließlich auf Zug belastet werden. Der Innentank wird dabei über die Befestigungsbänder mit dem Außenbehälter verspannt. Die so entstehende statisch unbestimmte Lagerung führt dazu, dass sich sämtliche Belastungen, die auf den Innentank wirken, zwangsläufig auch auf den Außenbehälter übertragen, und umgekehrt. Zudem ist der Innentank mit gesonderten, eingebauten Strahlungsschilden und Kühlschlangen sehr aufwendig ausgestaltet und weist ein hohes Baugewicht insgesamt auf.
  • Aus der US 44 81 778 A geht ein Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, hervor. Der Behälter weist einen inneren Mantel zum Aufnehmen und Speichern der Flüssigkeiten und viskosen Stoffe, einen äußeren Mantel, welcher den inneren Mantel vollständig umgibt, und einen Zwischenraum, welcher von dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel begrenzt ist, auf. Der innere Mantel ist mittels einer Vielzahl von Aufhängungselementen an dem äußeren Mantel aufgehängt. Die Aufhängungselemente sind ebenfalls ausnahmslos auf Zug ausgelegt. So weisen die Aufhängungselemente jeweils ein erstes Halteelement mit einer zentralen Stange oder einem zentralen Rohr aus Metall und ein zweites Halteelement in Form einer Schlaufe oder eines Bandes aus Fiberglasepoxy-Harz auf. Während des Fluges eines Raumflugkörpers im Weltall kommt allein das zweite Halteelement zum Wirkeingriff. Wenn der Raumflugkörper jedoch, wie etwa während des Starts oder der Landung, großem Beschleunigungskräften unterworfen ist, kommt zusätzlich zu dem zweiten Halteelement das erste Halteelement in Wirkeingriff. Eine Übertragung von Druckkräften durch die Aufhängungselemente ist nicht möglich. Darüber hinaus liegt bei dem Behälter eine statisch unbestimmte Lagerung mit den damit bereits erläuterten Nachteilen vor. Weiterhin sind die Aufhängungselemente sehr aufwendig herzustellen, ausgesprochen schwergewichtig und müssen zudem für Ihren Einsatzzweck genau angepasst und eingestellt werden, um den gewünschten Effekt erzielen zu können. Schließlich sind gesonderte konstruktive Maßnahmen zur Wärmeisolierung nicht vorhanden. Da eine thermische Entkopplung der Aufhängungselemente nicht vorgesehen ist, ist die Wärmeleitfähigkeit der Aufhängungselemente sehr hoch.
  • Die US 30 21 027 A offenbart schließlich eine Vorrichtung zur Halterung eines Innentanks an einem Außentank eines doppelwandigen Behälters. Zur Vermeidung einer Relativbewegung von Innentank und Außentank in axialer Richtung sind Bänder vorgesehen, die an der Außenseite des Innentanks und der Innenseite des Außentanks angeschweißt sind. Um darüber hinaus durch Temperaturdifferenzen zwischen Innerem des Innentanks und Umgebung des Außentanks auftretende Ausdehnungen und die daraus resultierenden schädlichen Spannungen zu vermeiden, sind zusätzliche Streben vorgeschlagen. Allerdings können die Spannungen in Folge von Temperaturdifferenzen zwischen Innenbehälter und Außenbehälter bei dem doppelwandigen Behälter nicht (ausreichend) verhindert werden. Aufgrund einer Temperaturänderung entstehen in den Streben in jedem Fall Zugspannungen, unabhängig davon, ob sie über ein Zwischengelenk verfügen oder nicht. Auch bei longitudinalen Relativbewegungen des Innentanks zum Außentank würden die Streben auf Zug und gleichzeitig auf Biegung und die weiteren Streben auf Zug belastet werden. Schließlich fehlt es gänzlich an Vorschlägen für konstruktive Maßnahmen zur Wärmeisolierung.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, zur Verfügung zu stellen, mit welchem sich die obigen Nachteile verhindern lassen, welcher mithin konstruktiv besonders einfach, zugleich kompakt und stabil sowie sehr leichtbauend ist, eine Übertragung hoher Zug- und Druckkräfte ermöglicht, damit einhergehend eine hohe Festigkeit und Steifigkeit aufweist, für eine gleichermaßen effiziente und leichtbauende Wärmeisolierung sorgt und in der Herstellung ausgesprochen kostengünstig ist, und dessen Verwendungen bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird in vorrichtungstechnischer Hinsicht auf überraschend einfache Weise durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie im Hinblick auf die Verwendungen durch die Merkmale des Ansprüche 24 und 25 gelöst.
  • Durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Behälters zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, mit einem inneren Mantel zum Aufnehmen und Speichern der Flüssigkeiten und viskosen Stoffe, einem äußeren Mantel, welcher den inneren Mantel vollständig umgibt, und einem Zwischenraum, welcher von dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel begrenzt ist, wobei der innere Mantel von dem äußeren Mantel deformierbar und somit gegenüber dem äußeren Mantel relativ bewegbar aufgenommen ist und wobei der Zwischenraum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel wärmeisolierend oder einen Wärmefluss reduzierend ausgebildet ist, wobei der innere Mantel in dem äußeren Mantel über in dem Zwischenraum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel angeordnete Zug- und Druckkräfte übertragende Streben aufgehängt ist und wobei die Streben jeweils mit einem Ende an dem inneren Mantel und mit dem anderen Ende an dem äußeren Mantel verbindbar sind und wobei die Streben sämtlich in einem Bereich in und/oder oberhalb einer durch die Längsachse des Behälters aufgespannten Horizontalebene angeordnet sind, wird eine besonders einfache, zudem kompakte und stabile Bauweise des Behälters von verhältnismäßig geringem Gewicht erreicht. Darüber hinaus ist eine Übertragung von Zug- und Druckkräften über die Streben des erfindungsgemäßen Behälters ermöglicht. Von besonders großer Bedeutung für eine ausgesprochen einfache und damit kostengünstige Bauweise zum einen und eine hohe Funktionszuverlässigkeit in mechanischer und thermischer Hinsicht zum anderen sind die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben als Zug/Druck-Streben ausgebildet, um sämtliche radial und/oder axial und/oder tangential wirkenden Kräfte aufzunehmen und zu übertragen und um so entsprechende Verformungen des inneren Mantels auszugleichen. Zugleich weist der erfindungsgemäße Behälter eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auf. Gleichermaßen weist der erfindungsgemäße Behälter den zusätzlichen wesentlichen Vorteil auf, eine effiziente und leichtbauende Wärmeisolierung oder zumindest eine ausreichende Reduzierung des Wärmeflusses infolge des unterschiedlichen Temperaturgradienten durch die in dem Innenraum des inneren Mantels aufgenommenen und gespeicherten Fluide sicherzustellen. Mithin sind die Streben sämtlich in einem Bereich ungefähr in der oberen Hälfte des erfindungsgemäßen Behälters angeordnet. Da insbesondere kryogene Fluide meist in zwei Phasen (flüssig und gasförmig) im inneren Mantel vorliegen und die Streben zur Reduktion des Wärmeflusses in dessen obere Hälfte angeordnet sind, ist ausgeschlossen, dass die Streben in der flüssigen Phase liegen und somit einen erhöhten Wärmefluss besitzen. Schließlich gestaltet sich die Herstellung des erfindungsgemäßen Behälters einfach und wenig arbeitsintensiv und ist somit ausgesprochen kostengünstig.
  • Im Ergebnis ist die Aufhängung des inneren Mantels an dem äußeren Mantel des Behälters nach der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sowohl leichter als auch besser isoliert. Mit der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Aufhängung wird der Behälter leichter als sämtliche bisher verwendeten und bekannten Behälter. Gleichzeitig ist eine Wärmeleitung über die wenigen, verwendeten Streben ausgeschlossen, zumindest äußerst gering.
  • Weitere vorteilhafte Einzelheiten des erfindungsgemäßen Behälters sind in den Ansprüchen 2 bis 23 beschrieben.
  • Vorzugsweise liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben nach Anspruch 2 zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel derart angeordnet sind, dass radial wirkende Kräfte bzw. Laterallasten übertrag bar sind. Kumulativ oder alternativ sollen im Bedarfsfall auch tangential wirkende Kräfte von den erfindungsgemäß ausgebildeten Streben gleichermaßen aufgenommen und übertragen werden können.
  • Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben nach Anspruch 3 zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel derart angeordnet sind, dass axial wirkende Kräfte bzw. Axiallasten übertragbar sind.
  • Darüber hinaus liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben nach Anspruch 4 jeweils mittelbar über Verstärkungsringe an dem inneren Mantel und an dem äußeren Mantel befestigbar sind.
  • In diesem Zusammenhang sind die Verstärkungsringe nach Anspruch 5 an dem inneren Mantel und an dem äußeren Mantel befestigt oder mit dem inneren Mantel und mit dem äußeren Mantel integral ausgebildet
  • Alternativ zu einer mittelbaren Anbindung der Streben mittels Verstärkungsringen sind die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben nach Anspruch 6 ebenso jeweils unmittelbar an dem inneren Mantel und an dem äußeren Mantel befestigbar.
  • Des Weiteren ist zur Erhöhung der Freiheitsgrade erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben nach Anspruch 7 jeweils mit dem inneren Mantel und/oder mit dem äußeren Mantel gelenkig verbunden sind.
  • Vorzugsweise sind die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben dabei nach Anspruch 8 jeweils mit dem inneren Mantel und/oder mit dem äußeren Mantel über ein Kugelgelenk oder Universalgelenk verbunden. Anstelle eines solchen Kugelgelenks kann auch ein Drehgelenk vorgesehen sein, sofern eine solche konstruktive Ausgestaltung durch die baulichen, räumlichen und geometrischen Vorgaben und Voraussetzungen getragen sind.
  • Von besonders großem Interesse sind weiterhin die konstruktiven Maßnahmen des Anspruchs 9, nachdem eine Kraft- und/oder Momentenübertragung und ein Wärmeaustausch vornehmlich über die Oberflächen der Streben erfolgt/erfolgen. Demnach sind die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben wärmeisolierend oder einen Wärmefluss reduzierend ausgebildet und/oder angeordnet. Der Wärmefluss zwischen den zwei Deckschichten lässt sich durch die Ausbildung der Streben einerseits und/oder die Anordnung der Streben andererseits drastisch verringern.
  • Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung 10, die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben aus einem hochfesten Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit zu bilden. Das verwendete Material der Streben muss zum einen hohe Festigkeiten zur Übertragung von mechanischen Lasten und zum anderen parallel einen niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten aufweisen. Der Anteil des Wärmeflusses, welcher über die Streben übertragen wird, kann durch eine geeignete Wahl des verwendeten Materials erheblich reduziert werden.
  • Zweckmäßigerweise ist/sind die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben nach Anspruch 11 wenigstens teilweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan, einer Legierung daraus und/oder aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), mit oder ohne Aramid-, Glas-, Kohlen-, Nylon-, Polyethylen- und/oder Polyesterfaserverstärkung, und/oder einer Kombination daraus gebildet.
  • Um den Wärmefluss zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel sowie den Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben, und umgekehrt, noch zusätzlich zu unterbinden oder effizient zu reduzieren, sind die Maßnahmen des Anspruchs 12 vorgesehen. Demnach sind zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel sowie den Streben wärmeisolierende oder einen Wärmefluss reduzierende Elemente angeordnet.
  • In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, die wärmeisolierenden oder einen Wärmefluss reduzierenden Elemente, welche zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel sowie den Streben angeordnet sind, entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 13 aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), mit oder ohne Aramid-, Glas-, Kohlen-, Nylon-, Polyethylen- und/oder Polyesterfaserverstärkung, und/oder einer Kombination daraus auszubilden.
  • In vorteilhafter Weise weisen die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben nach Anspruch 14 eine konstante Länge auf. Alternativ dazu ist es ebenso denkbar, dass die Streben in der Länge einstellbar.
  • Zweckmäßigerweise sind die Merkmale des Anspruchs 15, wonach die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben jeweils ein rohr- oder stabförmiges Verbindungselement, das mit den zwei Enden form- und/oder kraftschlüssig verbindbar ist, aufweisen.
  • Zusätzlich ist erfindungsgemäß nach Anspruch 16 vorgesehen, dass der innere Mantel und/oder der äußere Mantel mit in dem Zwischenraum angeordneten Versteifungen oder Spanten versehen ist/sind.
  • Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 17 sind die Versteifungen oder Spanten an der Innenseite des äußeren Mantels oder an der Außenseite des inneren Mantels befestigt, können jedoch ebenso mit dem inneren Mantel oder mit dem äußeren Mantel integral ausgebildet sein.
  • Die Versteifungen oder Spanten sind nach Anspruch 18 zweckmäßigerweise an der Innenseite des äußeren Mantels angeschweißt, und zwar insbesondere mittels Heftung oder Punktung. Hierdurch lässt sich die Herstellung des erfindungsgemäßen Behälters noch zusätzlich vereinfachen und damit weniger arbeits-, zeit- und letztlich und kostenintensiv gestalten.
  • Entsprechend den Maßnahmen des Anspruchs 19 ist zur thermischen Wärmeisolierung an den Zwischenraum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel ein Vakuum angelegt.
  • Von besonderem Vorteil sind die Merkmale des Anspruchs 20, dass nämlich der Zwischenraum zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel wenigstens teilweise mit einer thermischen Isolierung oder thermischen Mehrfachisolierung versehen ist.
  • Nach Anspruch 21 ist/sind der Behälter, insbesondere der innere Mantel und/oder der äußere Mantel und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben und/oder die Verstärkungsringe und/oder die Versteifungen oder Spanten, leichtbauend ausgebildet.
  • Des Weiteren ist/sind der innere Mantel und/oder der äußere Mantel und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben und/oder die Verstärkungsringe und/oder die Versteifungen oder Spanten nach Anspruch 22 vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan, einer Legierung daraus und/oder aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), mit oder ohne Aramid-, Glas-, Kohlen-, Nylon-, Polyethylen- und/oder Polyesterfaserverstärkung, und/oder einer Kombination daraus gebildet.
  • Schließlich ist/sind der innere Mantel und/oder der äußere Mantel und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben in vorteilhafter Weise nach Anspruch 23 ganz oder teilweise in Sandwichbauweise und/oder Verbundbauweise ausgebildet.
  • Schließlich liegt es noch im Rahmen der Erfindung, den erfindungsgemäßen Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, vorzugsweise von Sauerstoff und Wasserstoff, nach An spruch 24 in Fahrzeugen, insbesondere in Luftfahrzeugen oder Fluggeräten der Luft- und Raumfahrt, vorzugsweise in Flugzeugen und Raumflugkörpern, insbesondere in Wasserfahrzeugen, vorzugsweise in einem U-Boot oder Luftkissenfahrzeug (Hovercraft), oder insbesondere in Landfahrzeugen, vorzugsweise in einem Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Wohnmobil, zu verwenden.
  • Ganz besonders eignet sich der erfindungsgemäße Behälter nach Anspruch 25 für Treibstofftanks von Luftfahrzeugen.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Behälters,
  • 2 eine schematische Längsschnittansicht durch die Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Behälters, von oben gesehen,
  • 3A eine Querschnittansicht durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Strebe entsprechend Linie IIIA-IIIA in der 3B, in vergrößerter Darstellung,
  • 3B eine Seitenansicht der Ausführungsform der erfindungsgemäß ausgebildeten Strebe nach der 3A,
  • 4 eine schematische, teilweise abgebrochene und auseinandergezogene Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Strebe,
  • 5 eine schematische, teilweise abgebrochene Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Strebe,
  • 6 eine schematische, teilweise abgebrochene Draufsicht auf eine noch andere Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Strebe, und
  • 7 eine schematische, teilweise abgebrochene Querschnittsansicht durch die Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Behälters im Bereich einer Verbindung zwischen dem inneren Mantel oder dem äußeren Mantel und einer erfindungsgemäßen Strebe, in vergrößerter Darstellung.
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters 10 zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, sind einander entsprechende, gleiche Bauteile jeweils mit identischen Bezugsziffern versehen.
  • Der erfindungsgemäße Behälter 10 zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, vorzugsweise von Sauerstoff und Wasserstoff, findet in vorteilhafter Weise in Fahrzeugen, insbesondere in Luftfahrzeugen oder Fluggeräten der Luft- und Raumfahrt, vorzugsweise in Flugzeugen und Raumflugkörpern, insbesondere in Wasserfahrzeugen, vorzugsweise in einem U-Boot oder Luftkissenfahrzeug (Hovercraft), oder insbesondere in Landfahrzeugen, vorzugsweise in einem Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Wohnmobil, Verwendung. In ganz besonderem Maße lässt sich der erfindungsgemäße Behälter 10 für ein Fluggerät der Luftfahrt, wie etwa einen Treibstofftank, zum Beispiel zum Aufnehmen und Speichern von LH2 für den Betrieb einer Brennstoffzelle, einsetzen.
  • Darüber hinaus eignet sich der erfindungsgemäße Behälter 10 in gleichermaßen vorteilhafter Weise zur Verwendung in der Raum fahrt, etwa zum Aufnehmen und Speichern von flüssigem Helium, das einen Siedepunkt von 2 K aufweist. Bei einer Verwendung in der Raumfahrt wäre der erfindungsgemäße Behälter 10 lediglich mit einer Propellant Management Device, zum Beispiel einen Bladder, auszustatten, um die beiden Phasen (flüssig und gasförmig) unter Schwerelosigkeit zu trennen und damit eine kontrollierte Entnahme zu ermöglichen.
  • Der in den 1 und 2 schematisch dargestellte Behälter 10 nach der Erfindung umfasst einen, insbesondere dünnwandigen, inneren Mantel 12, in dessen Innenraum 14 zum Beispiel kryogene Fluide, wie Sauerstoff und Wasserstoff, aufgenommen und gespeichert sind, welche unter anderem als Treibstoff/Oxidator-Gemisch oder für eine Brennzelle Verwendung finden.
  • Des Weiteren weist der Behälter 10 einen, wiederum insbesondere dünnwandigen, äußeren Mantel 16 auf. Der äußere Mantel 16 schließt den inneren Mantel 12 vollständig ein.
  • Über Anschlüsse 18 und (flexible) Leitungen 20 (nur eine Leitung 20 dargestellt) lassen sich die Flüssigkeiten und viskosen Stoffe, insbesondere die kryogenen Fluide, in den Innenraum 14 einfüllen und bei Bedarf aus diesem wieder entnehmen. Des Weiteren sind Stecker 22 oder dergleichen für eine Ausrüstung des erfindungsgemäßen Behälters 10, wie zum Beispiel Druck- und Temperatursensoren, Ein- und Ausschaltaggregate etc., vorhanden.
  • Von dem inneren Mantel 12 und dem äußeren Mantel 16 ist ein Zwischenraum 24 begrenzt. Der Zwischenraum 24 zwischen dem inneren Mantel 12 und dem äußeren Mantel 16 ist dabei wärmeisolierend oder zumindest einen Wärmefluss reduzierend ausgebildet.
  • Zu diesem Zweck ist an den Zwischenraum 24 in der Regel ein Vakuum angelegt. Alternativ oder kumulativ dazu kann der Zwischenraum 24 wenigstens teilweise mit einer thermischen Isolierung oder bei hohen Anforderungen mit einer thermischen Mehrfachisolierung (MLI = Multi Layer Isolation) versehen sein. Eine Wärmeübertragung durch Strahlung vom äußeren Mantel 16 hin zum inneren Mantel 12 wird dabei vermieden, zumindest erheblich minimiert.
  • Der innere Mantel 12 und/oder der äußere Mantel 16 ist/sind, wie weiterhin aus der 2 hervorgeht, mit Versteifungen 26 oder Spanten versehen. Durch die Versteifungen 26 oder Spanten lassen sich zum einen die Steifigkeit des Behälters 10 erhöhen und zum anderen dessen Masse reduzieren.
  • Die Versteifungen 26 oder Spanten sind an der Innenseite 28 des äußeren Mantels 16 und/oder an der Außenseite 30 des inneren Mantels 12 befestigt. In alternativer Ausgestaltung können die Versteifungen 26 oder Spanten demgegenüber auch mit dem inneren Mantel 12 oder dem äußeren Mantel 16 integral ausgebildet sein (nicht dargestellt).
  • Bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters 10 nach der 2 sind die Versteifungen 26 oder Spanten vorzugsweise an der Innenseite 28 des äußeren Mantels 16, befestigt, zum Beispiel durch Verschweißen, wie in der 2 durch die Schweißnähte 32 angedeutet.
  • Auf diese Weise lassen sich mehrere Vorteile erreichen. So werden die Schweißnähte 32 an der Innenseite 28 des äußeren Mantels 16 nicht auf Zug beansprucht. Die Schweißnähte 32 befinden sich in dem Zwischenraum 24 und damit innerhalb des äußeren Mantels 16 des erfindungsgemäßen Behälters 10. Bei einer Undichtigkeit der Schweißnähte 32 bleibt damit der Behälter 10 insgesamt nach außen hin bzw. nach innen hin zu dem Zwischenraum 24, in welchem Vakuum herrscht, dicht. Weiterhin reichen geheftete oder gepunktete Schweißnähte 32 ohne weiteres aus. Schließlich kann die Außenseite 34 des äußeren Mantels 16 ebenflächig ausgestaltet werden. Ein Behälter 10 mit ebenflächiger Außenseite 34 des äußeren Mantels 16 lässt sich in zweckmäßiger Weise als integraler Bestandteil zum Beispiel eines Flugzeugrumpfes einsetzen.
  • Somit wird der äußere Mantel 16 mit den Versteifungen 26 oder Spanten verstärkt. Gleichzeitig kann der innere Mantel 12 durch die Versteifungen 26 oder Spanten innerhalb des äußeren Mantels 16 zentriert und auf Abstand gehalten werden. Der Zwischenraum 24 zwischen dem inneren Mantel 12 und dem äußeren Mantel 16 weist daher in unbefülltem Zustand des Behälters 10 eine gleichbleibende Höhe auf, wodurch die Wärmeisolierung noch zusätzlich verbessert werden kann.
  • Wie bereits erwähnt und aus den 1 und 2 ersichtlich, ist der innere Mantel 12 von dem äußeren Mantel 16 aufgenommen. Dabei ist der innere Mantel 12 individuell deformierbar und gegenüber dem äußeren Mantel 24 relativ bewegbar, um Verformungen auszugleichen, die aufgrund vorherrschender Druck- und Wärmeverhältnisse der Flüssigkeiten und viskosen Stoffe, insbesondere kyrogenen Fluide, die in dem Innenraum 14 des inneren Mantels 12 aufgenommen und gespeichert sind, während des Betriebs auftreten können.
  • Zu diesem Zweck ist der innere Mantel 12 in dem äußeren Mantel 16 über Streben 36, 36' aufgehängt. Die Streben 36, 36' sind in dem Zwischenraum 24 zwischen dem inneren Mantel 12 und dem äußeren Mantel 16 angeordnet und übertragen Zug- und Druckkräfte zwischen dem inneren Mantel 12 und dem äußeren Mantel 16. Dabei sind die Streben 36, 36' jeweils mit einem Ende 38 an dem inneren Mantel 12 und mit dem anderen Ende 40 an dem äußeren Mantel 16 verbindbar.
  • Die Streben 36 sind zwischen dem inneren Mantel 12 und dem äußeren Mantel 16 derart angeordnet, dass radial und/oder gegebenenfalls tangential wirkende Kräfte und/oder Momente bzw. Laterallasten übertragbar sind. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Behälters 10 sind jeweils drei Streben 36 zur lateralen Aufhängung des inneren Mantels 12 an dem äußeren Mantel 16 vorgesehen. Die jeweils drei Streben 36 kommen endseitig im Bereich von den links- und rechtsseitigen Behälterböden 42 in Wirkeingriff. Auf diese Weise ist eine statisch bestimmte Lagerung des inneren Mantels 12 an dem äußeren Mantel 16 ermöglicht. Die Behälterböden 42 sind schalenförmig, insbesondere halbkugelförmig, kugelkappenförmig, kalottenförmig, ellipsoidkallotenförmig, konisch, elliptisch, in Cassini-Form oder mit anderen Querschnittsformen bzw. geometrischen Formen ausgebildet.
  • Demgegenüber sind die Streben 36' zwischen dem inneren Mantel 12 und dem äußeren Mantel 16 derart angeordnet, dass axial wirkende Kräfte und/oder Momente bzw. Axiallasten übertragbar sind. Bei dem in der 2 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters 10 sind zwei Streben 36' vorgesehen, welche die mechanischen Kräfte und/oder Momente bzw. Lasten in Richtung der Längsachse 44 des Behälters 10 aufnehmen. Die zwei Streben 36' kommen endseitig im Bereich von den rechtsseitigen Behälterböden 42 in Wirkeingriff.
  • In besonders vorteilhafter Weise sind die Streben 36, 36' als Zug-/Druck-Streben ausgebildet, um sämtliche radial und/oder axial wirkenden Kräfte und/oder Momente sowie im Bedarfsfall auch tangential wirkende Kräfte und/oder Momente aufzunehmen und zu übertragen und um so entsprechende Verformungen des inneren Mantels 12 auszugleichen.
  • Entsprechend den 1 und 2 sind die Streben 36, 36' jeweils mittelbar über Verstärkungsringe 46 (in der 1 lediglich schematisch durch Strichlinien angedeutet) an dem inneren Mantel 12 und an dem äußeren Mantel 16 befestigbar. Sämtliche Streben 36, 36' sind an den Verstärkungsringen 46 angeschlossen, die jeweils Bestandteil des inneren Mantels 12 bzw. des äußeren Mantels 16 sind. Die Verstärkungsringe 46 können dabei an dem inneren Mantel 12 und an dem äußeren Mantel 16 mittels Verschweißung befestigt sein. Ohne im Einzelnen dargestellt zu sein, ist es alternativ dazu jedoch ebenso möglich, die Ver stärkungsringe 46 mit dem inneren Mantel 12 und mit den äußeren Mantel 16 integral auszubilden.
  • Anstelle einer mittelbaren Befestigung der Streben 36, 36' über die Verstärkungsringe 46 ist es darüber hinaus jedoch ebenso denkbar, ohne hier im Einzelnen weiter einzugehen, die Streben 36, 36' jeweils unmittelbar an dem inneren Mantel 12 und an dem äußeren Mantel 16 anzubinden.
  • Um ausreichende Freiheitsgrade für die Streben 36, 36' bereitzustellen, sind die Streben 36, 36' jeweils mit dem inneren Mantel 12 und/oder mit dem äußeren Mantel 16 gelenkig verbunden.
  • Wie in den 3A und 3B gezeigt ist, sind die Streben 36, 36' zu diesem Zweck endseitig, d. h. über das eine Ende 38 und das andere Ende 40, mit dem inneren Mantel 12 und/oder mit dem äußeren Mantel 16 über ein Kugelgelenk 48 verbunden. Das Kugelgelenk 48 umfasst dabei einen Lageraußenring 50 und einen Lagerinnenring 52, der mit dem Lageraußenring 50 zusammenwirkt. Der Lageraußenring 50 kann aus Stahl oder Kunststoff bestehen. Der Lagerinnerring ist im Allgemeinen aus Stahl gebildet. Anstelle dessen kann das Kugelgelenk 48 (nicht dargestellt) auch eine Kugelscheibe und eine diese aufnehmende Kugelpfanne aus Hartchrom/Polyimid oder Polytetraflurethylen (PTFE) als Gleitpaarung umfassen.
  • In Abhängigkeit von konstruktiven Vorgaben, Kraft- und/oder Momenten- sowie Lastverteilungen etc. ist es alternativ möglich, anstelle eines Kugelgelenks 48 an dem einen Ende 38 und/oder an dem anderen Ende 40 von einer oder mehreren Streben 36, 36' individuell auch ein Drehgelenk (nicht gezeigt) vorzusehen.
  • Durch die konstruktive Ausgestaltung des Behälters 10 nach der Erfindung, welche auf einer Aufhängung des inneren Mantels 12 an dem äußeren Mantel 16 über die Zug- und Druckkräfte über tragenden Streben 36, 36' basiert, lässt sich eine bedeutsame Massenreduzierung und damit Gewichtseinsparung erhalten. Der erfindungsgemäße Behälter 10 ist daher in einer ausgesprochen leichten Bauweise realisierbar.
  • Gleichzeitig sind die Streben 36, 36' des Behälters 10 nach der Erfindung jedoch dahingehend optimiert, dass die Streben 36, 36' wärmeisolierend oder zumindest einen Wärmefluss reduzierend ausgebildet und/oder angeordnet sind. Wie eingangs erwähnt, kommt der thermischen Isolierung eine entscheidende Bedeutung bei dem Behälter 10 zu. Demnach würde der Druck im Innenraum 14 des inneren Mantels 12, in welchem sich die Flüssigkeiten und viskosen Stoffe, insbesondere die kryogenen Fluide, noch dazu im Allgemeinen in zwei Phasen (flüssig und gasförmig), befinden, durch Wärmeeintrag steigen. Ein solcher Wärmeeintrag wird durch die Bauweise des erfindungsgemäßen Behälters 10 und die damit verbundene thermische Isolierung verhindert oder erheblich vermindert.
  • Dies wird auf verschiedene Weise durch eine kumulative oder alternative konstruktive Ausbildung und/oder Anordnung der Streben 36, 36' des Behälters 10 verwirklicht, wie nachfolgend insbesondere anhand der 3A bis 7 näher erläutert ist.
  • Die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben 36, 36' sind aus einem hochfesten Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gebildet. Zu diesem Zweck ist/sind die Streben 36, 36' wenigstens teilweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan, einer Legierung daraus und/oder aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), mit oder ohne Aramid-, Glas-, Kohlen-, Nylon-, Polyethylen- und/oder Polyesterfaserverstärkung, und/oder einer Kombination daraus gebildet.
  • Zurückkommend auf die Ausführungsform der 3A und 3B, die eine Strebe 36, 36' mit konstanter Länge darstellen, bestehen die Enden 38, 40 der Streben 36, 36', welche den sogenannten Gelenkkopf bilden, beispielsweise bevorzugt aus Stahl bzw. Edelstahl oder Kunststoff, zum Beispiel Glasfaser. Der Lageraußenring 50 des Kugelgelenks 48 ist aus Stahl oder Kunststoff gebildet. Der Lagerinnenring 52 des Kugelgelenks 48 ist aus Stahl gebildet.
  • Zwischen den zwei Enden 38, 40 der Streben 36, 36' ist ein längliches, rohr- oder stabförmiges Verbindungselement 54 vorgesehen. Das Verbindungselement 54 verbindet die zwei Enden 38, 40 der Streben 36, 36' miteinander.
  • Bei der Ausführungsform einer Strebe 36, 36', die in den 3A und 3B gezeigt ist, ist das längliche Verbindungselement 54 rohrförmig ausgestaltet. Das Verbindungselement 54 besteht aus Stahl, vorzugsweise Edelstahl oder beispielhaft glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK). Zusätzlich ist das rohrförmige Verbindungselement 54 mit einer zusätzlichen Schicht 56 oder dergleichen Umwicklung abgedeckt und verstärkt, die ebenfalls aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) bestehen kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Strebe 36, 36' ist die Schicht 56 oder dergleichen Umwicklung zugleich auch auf bzw. über die zwei Enden 38, 40 der Strebe 36, 36' selbst aufgetragen. Hierdurch wird die Steifigkeit der Strebe 36, 36' insgesamt noch zusätzlich verbessert.
  • Das rohrförmige Verbindungselement 54 ist formschlüssig mit den zwei Enden 38, 40 der Strebe 36, 36' verbindbar. Zu diesem Zweck ist das Verbindungselement 54 auf die zwei Enden 38, 40 aufsteckbar und in eine angepasste Aussparung 58 oder Nut einführbar. Damit können die Außenflächen der Enden 38, 40 und des Verbindungselementes 54 zueinander fluchten.
  • Aus Gründen der Sicherheit werden im Allgemeinen mehr Streben 36, 36' zur Aufhängung des inneren Mantels 12 an dem äußeren Mantel 16 verwendet als theoretisch für eine statisch bestimmte Lagerung nötig wären. Dies wiederum kann es erforderlich machen, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben 36, 36' – zumindest teilweise – in der Länge einstellbar ausgebildet sind. Andernfalls könnten sich bei Zusammentreffen bestimmter baulicher, räumlicher und geometrischer Vorgaben sowie Lastzustände ungewollte Zwangskräfte ergeben.
  • Anhand der 4 bis 6 sind verschiedene Ausführungsformen von Streben 36, 36' des erfindungsgemäßen Behälters 10 erläutert, bei welchen ein Längenausgleich während der Montage und vor Ort vorgenommen werden kann.
  • Entgegen der in den 3A und 3B gezeigten Ausführungsform der Streben 36, 36', ist das längliche Verbindungselement 54 bei den Ausführungsformen der Streben 36, 36' des erfindungsgemäßen Behälters 10, die in den 4 bis 6 dargestellt sind, nicht rohrförmig, sondern stabförmig ausgestaltet. Das stabförmige Verbindungselement 54 ist wiederum aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) gebildet. Die zwei Enden 38, 40 der Ausführungsformen der Streben 36, 36' entsprechend den 4 bis 6 sind darüber hinaus mit dem stabförmigen Verbindungselement 54 form- und/oder kraftschlüssig verbindbar.
  • 4 zeigt eine erste Ausführungsform einer längeneinstellbaren Strebe 36, 36' des erfindungsgemäßen Behälters 10. Dabei ist das stabförmige Verbindungselement 54 in eine korrespondierende Bohrung 60 des Endes 38, 40 der Strebe 36, 36' entsprechend Pfeil 62 eingeführt. Um einen Formschluss zu verwirklichen, weist entweder das stabförmige Verbindungselement 54 oder die Bohrung 60 eine sehr grobe Oberfläche auf. Beispielsweise ist es denkbar, das stabförmige Verbindungselement 54 endseitig zu lackieren und zu sanden bzw. mit Sand zu bestreuen oder zu sandstrahlen. Alternativ dazu könnte das stabförmige Verbindungselement 54 mit einem Außengewinde, Rillen, Rändeln etc. versehen sein. Ebenso denkbar wäre es anstelle dessen, die Bohrung 60 mit einem Innengewinde, Rillen, Rändeln etc. auszustatten. Selbstverständlich ließen sich gleichzeitig auch sehr grobe Oberflächen von stabförmigen Verbindungselement 54 und Bohrung 60 herstellen und verwenden.
  • 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer längeneinstellbaren Strebe 36, 36' des erfindungsgemäßen Behälters 10. Dabei ist das stabförmige Verbindungselement 54 in eine etwa passgenaue Bohrung 60 eingeführt. Das Ende 38, 40 der Strebe 36, 36' wird anschließend im Bereich 64 mechanisch gequetscht. Die dadurch entstehende Verbindung ist unlösbar.
  • 6 zeigt schließlich eine noch andere Ausführungsform einer längeneinstellbaren Strebe 36, 36' des erfindungsgemäßen Behälters 10. Bei dieser Variante ist das stabförmige Verbindungselement 54 wiederum in eine etwa passgenaue Bohrung 60 eingeführt. Eine zuverlässige Fixierung des stabförmigen Verbindungselementes 54 erfolgt jedoch durch eine Verschraubung mit Hilfe einer Mutter 66, die an dem Ende 38, 40 der Strebe 36, 36' vormontiert ist. Das konische Gewinde 68 bewirkt beim Anziehen der Mutter 66 eine Einschnürung des Endes 38, 40 der Strebe 36, 36' im Bereich der Bohrung 60. Der Vorteil dieser Ausführungsform einer längeneinstellbaren Strebe 36, 36' besteht darin, dass die Verbindung jederzeit wieder lösbar ist.
  • Des Weiteren sind in kumulativer oder alternativer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Behälters 10 zwischen dem inneren Mantel 12 und dem äußeren Mantel 16 sowie den Streben 36, 36' wärmeisolierende oder einen Wärmefluss reduzierende Elemente 70, 72 vorgesehen.
  • Um einen Wärmeeintrag zu verhindern oder (zusätzlich) zu reduzieren, kann eine noch andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters 10, die in der 7 dargestellt ist, vorgesehen sein.
  • So sind die zusätzlichen wärmeisolierenden Elemente 70, 72 in Form von Hülsen und Scheiben ausgebildet, die zwischen innerem Mantel 12 bzw. äußerem Mantel 16 und den Streben 36, 36' angeordnet sind. Die Elemente 70, 72 bestehen aus Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetraflurethylen (PTFE) und können aramid-, glas-, kohlen-, nylon-, polyethylen- und/oder polyesterfaserverstärkt sein. In Abhängigkeit von der maximal auftretenden Belastung ist es darüber hinaus denkbar, auch den Lageraußenring 50 des Kugelgelenks 48 aus einem solchen Werkstoff auszubilden.
  • Wie der 7 weiter entnehmbar ist, ist der Verstärkungsring 46 bei der vorliegenden Ausführung jeweils zweiteilig bzw. mit zwei Schenkeln 74, 74' ausgebildet, um die Streben 36, 36' zentriert und ohne Vorspannung bzw. frei von Querkräften aufzunehmen und zu lagern. Die zwei Schenkel 74, 74' gehen über einen Übergangsbereich 76 größerer Materialanhäufung in den inneren Mantel 12 bzw. äußeren Mantel 16 dünnerer Wandstärke über.
  • Schließlich ist in kumulativer oder alternativer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Behälters 10 noch ein weiteres konstruktives Merkmal von ganz besonderem Interesse für eine Verbesserung der Wärmeisolierung bzw. Vermeidung oder Reduzierung der Wärmeleitung.
  • Demnach sind die Streben 36, 36', die Zug- und Druckkräfte aufnehmen und übertragen, bei der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behälters 10, wie in den 1 und 2 angedeutet und gleichsam dargestellt ist, in einem Bereich 78 angeordnet, der sich vornehmlich in der oder oberhalb einer Horizontalebene, welche durch die Längsachse 44 des Behälters 10 aufgespannt ist, befindet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Streben 36, 36' in einem Bereich 78 des erfindungsgemäßen Behälters 10 angeordnet sind, in welchem eine Wärmeleitung ohnehin bereits vermindert ist, wenn sich im Innenraum 14 des inneren Mantels 12 Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, mit zwei Phasen (flüssig und gasförmig) befinden. Demzufolge sind die Streben 36, 36' in einem Bereich 78 des erfindungsgemäßen Behälters 10 angeordnet, welcher etwa dem oberen Bereich des Innenraums 14 des in neren Mantels 12 benachbart ist, in dem sich die dann gasförmige Phase der Flüssigkeiten und viskosen Stoffe sowie insbesondere der kryogenen Fluide (an)sammelt. Dieser Bereich entspricht daher ungefähr der oberen Hälfte des Behälters 10. Wie in der 1 schematisch angedeutet ist, ist der bereich 78 allerdings noch etwas unterhalb der Längsachse und damit der oberen Hälfte 44 des Behälters angeordnet.
  • Der Behälter 10 und insbesondere der innere Mantel 12 und/oder der äußere Mantel 16 und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben 36, 36' und/oder die Verstärkungsringe 46 und/oder die Versteifungen 26 oder Spanten ist/sind schließlich in vorteilhafter Weise leichtbauend ausgebildet.
  • Zu diesem Zweck ist/sind der innere Mantel 12 und/oder der äußere Mantel 16 und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben 36, 36' und/oder die Verstärkungsringe 46 und/oder die Versteifungen 26 oder Spanten aus Metall, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan, einer Legierung daraus und/oder aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), mit oder ohne Aramid-, Glas-, Kohlen-, Nylon-, Polyethylen- und/oder Polyesterfaserverstärkung, und/oder einer Kombination daraus gebildet. Ganz besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch, wenn der innere Mantel 12 und/oder der äußere Mantel 16 und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben 36, 36' ganz oder teilweise in Sandwichbau- und/oder Verbundbauweise ausgebildet ist/sind.
  • Im Ergebnis sind die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben 36, 36' aus einem hochfesten und wärmeisolierenden oder einen Wärmefluss reduzierenden Material gebildet. Zum einen müssen die Streben 36, 36' aus einem Material bestehen, das hohe Festigkeiten zur Übertragung von mechanischen Lasten aufweist. Zum anderen müssen die Streben 36, 36' aus einem Material gebildet sein, das parallel dazu einen niedrigen Wärmeleitungskoeffizienten besitzt. Der Wärmefluss, der über die Streben 36, 36' von dem inneren Mantel 12 zu dem äußeren Mantel 16, und umgekehrt, übertragen wird, kann durch geeignete Wahl des verwendeten Materials in besonders einfacher und zugleich wirkungsvoller Weise unterbunden oder zumindest erheblich reduziert werden. Hierdurch lässt sich zum Beispiel ein Abdampfen von Wasserstoff infolge Wärmeleitung über die Streben 36, 36' gänzlich oder weitestgehend ausschließen oder zumindest die abgedampfte Masse des Wasserstoffes minimieren.
  • Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellte Ausführungsformen des Behälters 10 beschränkt. So ist es ohne weiteres denkbar, die vorgestellten, zum Teil voneinander sehr unterschiedlichen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Behälters 10 und dessen einzelnen Bauteile, insbesondere die Streben 36, 36', im Rahmen der Erfindung miteinander individuell und beliebig zu kombinieren. Darüber hinaus ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Streben 36, 36' in beliebiger Anzahl und Anordnung vorzusehen, um den inneren Mantel 12 an dem äußeren Mantel 16 aufzuhängen, soweit Anforderungen an eine statisch bestimmte Lagerung erfüllbar sind. Schließlich lassen sich beliebige Geometrien des erfindungsgemäßen Behälters 10, also kugelförmige, konische, (halb-)elliptische und andere konforme Formen beliebiger Art realisieren.
    • 10
    Behälter
    12
    Innerer Mantel des Behälters
    14
    Innenraum
    16
    Äußerer Mantel des Behälters
    18
    Anschlüsse
    20
    Leitungen
    22
    Stecker oder dergleichen für eine Ausrüstung
    24
    Zwischenraum
    26
    Versteifungen oder Spanten
    28
    Innenseite des äußeren Mantels
    30
    Außenseite des inneren Mantels
    32
    Schweißnähte
    34
    Außenseite des äußeren Mantels
    36, 36'
    Streben
    38
    Ein Ende der Streben
    40
    Das andere Ende der Streben
    42
    Behälterboden
    44
    Längsachse des Behälters
    46
    Verstärkungsringe
    48
    Kugelgelenk
    50
    Lageraußenring des Kugelgelenks
    52
    Lagerinnenring des Kugelgelenks
    54
    Verbindungselement der Streben
    56
    Schicht oder dergleichen Umwicklung
    58
    Aussparung oder Nut
    60
    Bohrung
    62
    Pfeil
    64
    Bereich
    66
    Mutter
    68
    Konisches Gewinde
    70
    Element
    72
    Element
    74, 74'
    Schenkel der Verstärkungsringe
    76
    Übergangsbereich
    78
    Bereich.

Claims (25)

  1. Behälter zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, mit einem inneren Mantel (12) zum Aufnehmen und Speichern der Flüssigkeiten und viskosen Stoffe, einem äußeren Mantel (16), welcher den inneren Mantel (12) vollständig umgibt, und einem Zwischenraum (24), welcher von dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) begrenzt ist, wobei der innere Mantel (12) von dem äußeren Mantel (16) deformierbar und somit gegenüber dem äußeren Mantel (16) relativ bewegbar aufgenommen ist und wobei der Zwischenraum (24) zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) wärmeisolierend oder einen Wärmefluss reduzierend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (12) in dem äußeren Mantel (16) über in dem Zwischenraum (24) zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) angeordnete Zug- und Druckkräfte übertragende Streben (36, 36') aufgehängt ist, wobei die Streben (36, 36') jeweils mit einem Ende (38) an dem inneren Mantel (12) und mit dem anderen Ende (40) an dem äußeren Mantel (16) verbindbar und wobei die Streben (36, 36') sämtlich in einem Bereich (78) in und/oder oberhalb einer durch die Längsachse (44) des Behälters (10) aufgespannten Horizontalebene angeordnet sind.
  2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) derart angeordnet sind, dass radial wirkende und/oder tangential wirkende Kräfte übertragbar sind.
  3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) derart angeordnet sind, dass axial wirkende Kräfte übertragbar sind.
  4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') jeweils mittelbar über Verstärkungsringe (46) an dem inneren Mantel (12) und an dem äußeren Mantel (16) befestigbar sind.
  5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsringe (46) an dem inneren Mantel (12) und an dem äußeren Mantel (16) befestigt oder mit dem inneren Mantel (12) und mit dem äußeren Mantel (16) integral ausgebildet sind.
  6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') jeweils unmittelbar an dem inneren Mantel (12) und an dem äußeren Mantel (16) befestigbar sind.
  7. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') jeweils mit dem inneren Mantel (12) und/oder mit dem äußeren Mantel (16) gelenkig verbunden sind.
  8. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') jeweils mit dem inneren Mantel (12) und/oder mit dem äußeren Mantel (16) über ein Kugelgelenk (48) oder ein Drehgelenk verbunden sind.
  9. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') wärmeisolierend oder einen Wärmefluss redu zierend ausgebildet und/oder angeordnet sind.
  10. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') aus einem hochfesten Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit gebildet sind.
  11. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') wenigstens teilweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan, einer Legierung daraus und/oder aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), mit oder ohne Aramid-, Glas-, Kohlen-, Nylon-, Polyethylen- und/oder Polyesterfaserverstärkung, und/oder einer Kombination daraus gebildet ist/sind.
  12. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) sowie den Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') wärmeisolierende oder einen Wärmefluss reduzierende Elemente (70, 72) angeordnet sind.
  13. Behälter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) sowie den Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') angeordneten wärmeisolierenden oder einen Wärmefluss reduzierenden Elemente (70, 72) aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), mit oder ohne Aramid-, Glas-, Kohlen-, Nylon-, Polyethylen- und/oder Polyesterfaserverstärkung, und/oder einer Kombination daraus ausgebildet sind.
  14. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') eine konstante Länge aufweisen und/oder in der Länge einstellbar sind.
  15. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') jeweils ein rohr- oder stabförmiges Verbindungselement (54), das mit den zwei Enden (38, 40) form- und/oder kraftschlüssig verbindbar ist, aufweisen.
  16. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (12) und/oder der äußere Mantel (16) mit in dem Zwischenraum (24) angeordneten Versteifungen (26) oder Spanten versehen ist/sind.
  17. Behälter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungen (26) oder Spanten an der Innenseite (22) des äußeren Mantels (16) oder an der Außenseite (30) des inneren Mantels (12) befestigt oder mit dem inneren Mantel (12) oder mit dem äußeren Mantel (16) integral ausgebildet sind.
  18. Behälter nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Versteifungen (26) oder Spanten an der Innenseite (28) des äußeren Mantels (16), insbesondere mittels Heftung oder Punktung, angeschweißt sind.
  19. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass an den Zwischenraum (24) zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) ein Vakuum angelegt ist.
  20. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (24) zwischen dem inneren Mantel (12) und dem äußeren Mantel (16) wenigstens teilweise mit einer thermischen Isolierung oder thermischen Mehrfachisolierung versehen ist.
  21. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (10), insbesondere der innere Mantel (12) und/oder der äußere Mantel (16) und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') und/oder die Verstärkungsringe (46) und/oder die Versteifungen (26) oder Spanten, leichtbauend ausgebildet ist/sind.
  22. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (12) und/oder der äußere Mantel (16) und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') und/oder die Verstärkungsringe (46) und/oder die Versteifungen (26) oder Spanten aus Metall, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Titan, einer Legierung daraus und/oder aus Kunststoff, insbesondere aus Polyimid (PI), Polyoximethylen (POM) oder Polytetrafluorethylen (PTFE), mit oder ohne Aramid-, Glas-, Kohlen-, Nylon-, Polyethylen- und/oder Polyesterfaserverstärkung, und/oder einer Kombination daraus gebildet ist/sind.
  23. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (12) und/oder der äußere Mantel (16) und/oder die Zug- und Druckkräfte übertragenden Streben (36, 36') ganz oder teilweise in Sandwichbauweise und/oder Verbundbauweise ausgebildet ist/sind.
  24. Verwendung eines Behälters nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, vorzugsweise von Sauerstoff und Wasserstoff, in Fahrzeugen, insbesondere in Luftfahrzeugen oder Fluggeräten der Luft- und Raumfahrt, vorzugsweise in Flugzeugen und Raumflugkörpern, insbesondere in Wasserfahrzeugen, vorzugsweise in einem U-Boot oder Luftkissenfahrzeug (Hovercraft), oder insbesondere in Landfahrzeugen, vorzugsweise in einem Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Wohnmobil.
  25. Verwendung eines Behälters nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zum Aufnehmen und Speichern von Flüssigkeiten und viskosen Stoffen, insbesondere von kryogenen Fluiden, für Treibstofftanks von Luftfahrzeugen.
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