DE102012200554A1 - Speicherbehälter von kryogenem Druckgas mit einem Einlass - Google Patents

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Markus Kampitsch
Klaus SZOUCSEK
Bastian Landeck
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Abstract

Bei einem Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, insbesondere einem Kryodrucktank für ein Kraftfahrzeug, mit einem Speichervolumen zum Aufnehmen des gespeicherten Gases und einem Einlass zum Einleiten des zu speichernden Gases in das Speichervolumen, ist gemäß der Erfindung der Einlass mit einer in das Speichervolumen hineinragenden rohrförmigen Einlassleitung gestaltet, an der mehrere von einander beabstandet angeordnete Einlassöffnungen vorgesehen sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, insbesondere einen Kryodrucktank für ein Kraftfahrzeug, mit einem Speichervolumen zum Aufnehmen des gespeicherten Gases und einem Einlass zum Einleiten des zu speichernden Gases in das Speichervolumen.
  • Zum Betreiben von Kraftfahrzeugen zum Beispiel mit Wasserstoff oder Erdgas als Treibstoff ist es bekannt, das Gas in unterkritischem Zustand in einem speziellen druckfesten Behälter zu speichern. Das tiefkalte Gas wird dabei unter hohem Druck (13 bar bis 350 bar) gasförmig gespeichert. Dazu muss vermieden werden, dass ein Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Speicherbehälter erfolgen kann. Daher benötigt der Speicherbehälter eine sehr gute, in der Regel doppelwandige Superisolation mit einem Hochvakuum.
  • Beim Befüllen bzw. Betanken des derartigen Speicherbehälters mit tiefkaltem Gas muss ebenfalls dessen Speicherinhalt gleichmäßig auf ausreichend niedriger Temperatur gehalten werden. Dies gelingt bei bestehenden Speicherbehältern nicht in jedem Fall.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, insbesondere ein Kryodrucktank für ein Kraftfahrzeug, geschaffen, mit einem Speichervolumen zum Aufnehmen des gespeicherten Gases und einem Einlass zum Einleiten des zu speichernden Gases in das Speichervolumen, bei dem der Einlass mit einer in das Speichervolumen hineinragenden rohrförmigen Einlassleitung gestaltet ist, an der mehrere von einander beabstandet angeordnete Einlassöffnungen vorgesehen sind.
  • Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass das in den Speicherbehälter eingebrachte Gas eine zumindest geringfügig geringere Temperatur hat als zumindest Teile des Gases im Speichervolumen. Bei einer lokal begrenzten Einbringung von Gas in das Speichervolumen besteht daher die Problematik, dass das gespeicherte Gas zunächst lokal gekühlt wird und erst nach dem Betanken ein Temperaturausgleich hin zum restlichen Speichervolumen und dessen Speicherwandung erfolgt. Dieser Effekt tritt insbesondere bei teilweise oder vollständig entleertem Speicherbehälter auf. Der damit bedingte nachträgliche Wärmeeintrag in das gespeicherte Gas verursacht einen weiteren Druckaufbau im Speicherbehälter. Dies führt nach vollständiger Betankung zu einem nachgelagerten Überschwingen des Tankdrucks. Es ergibt sich also eine Überfüllung des Speicherbehälters, welche die verlustfreie Standzeit des Speicherbehälters gegebenenfalls verkürzen könnte. Darüber hinaus verursachen ungleichmäßige Abkühlungen des Speicherbehälters an dessen Speicherwandung starke Thermospannungen, die ebenfalls vermieden werden sollten.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird das zu speichernde, tiefkalte, Kryodruckgas in das Speichervolumen entlang der Einlassleitung sowohl axial als auch radial besonders gleichmäßig verteilt in das Speichervolumen eingeleitet. Dabei wird eine rein lokale Kühlung insbesondere der Speicherwandung des Speicherbehälters vermieden. Die Lösung gemäß der Erfindung vermeidet damit selbst bei Vollständiger Betankung ein nachträgliches Überschwingen des Tankdrucks.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Einlassleitung als Rohr gestaltet und die Einlassöffnungen sind in sechs, am Umfang im Winkelabstand von je 60° (Grad) beabstandeten Reihen am Rohr angeordnet. Die derartige Gestaltung der Einlassleitung als ein Rohr, welches in das Speichervolumen hineinragt, trägt zu einer zusätzlichen Temperaturangleichung des eingeleiteten Gases beim Durchströmen der Einlassleitung bei. Die Reihung von Einlassöffnungen kann fertigungstechnisch prozesssicher und kostengünstig hergestellt werden.
  • Die Einlassöffnungen sind vorzugsweise eng nebeneinander in der Mitte des Speichervolumens angeordnet. Eng nebeneinander bedeutet hier, dass die Einlassöffnungen vergleichsweise nah nebeneinander in einem Abstand von maximal dem zehnfachen ihres eigenen Durchmessers positioniert sind. Die gewählte Anordnung in der Mitte bzw. dem Zentrum des Speichervolumens trägt dazu bei, dass das eingebrachte Gas sich gleichmäßig im Speichervolumen verteilt. Fernen besteht mit dieser Anordnung der Einlassöffnungen ein weitgehend gleichmäßig weiter Abstand zwischen dem Einbringbereich und der Speicherwandung.
  • Alternativ sind die Einlassöffnungen eng nebeneinander an einer Seite des Speichervolumens angeordnet. Die derartige Anordnung kann insofern vorteilhaft sein, als durch die Einlassöffnungen das eingeleitete Gas gezielt in das Speichervolumen derart eingeleitet werden kann, dass es sich im Speichervolumen verteilt, ohne nahe an die Speicherwandung zu geraten.
  • Eine besonders gleichmäßige Verteilung des eingeleiteten Gases in den Speicherbehälter kann erzielt werden, indem die Einlassleitung als Rohr gestaltet und die Einlassöffnungen in drei, am Umfang im Winkelabstand von je 120° beabstandeten Reihen am Rohr angeordnet sind.
  • Alternativ kann die Einlassleitung vorteilhaft als Rohr gestaltet sein, an dem die Einlassöffnungen in einer Reihe angeordnet sind. Die derartige Lösung kann kostengünstiger hergestellt werden.
  • Um eine gleichmäßige Verteilung insbesondere in einem zylindrischen Speichervolumen zu erhalten, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass sich das Rohr quer durch das Speichervolumen erstreckt und die Einlassöffnungen über die Längserstreckung des Rohres hinweg beabstandet angeordnet sind.
  • Besonders bevorzugt sind 36 kreisrunde Einlassöffnungen mit je einem Durchmesser von 1 mm (Millimeter) vorgesehen. Alternativ sind vorzugsweise 12 kreisrunde Einlassöffnungen mit je einem Durchmesser von 1,7 mm vorgesehen.
  • Für eine gerichtete Einbringung von einzuleitendem Gas auch schräg zur Richtung der genutzten Einlassleitung, sind die Einlassöffnungen vorzugsweise am Rohr schräg zu dessen Längserstreckung ausgerichtet, insbesondere in einem Winkel von kleiner 45°.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
  • 2 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
  • 3 eine Seitenansicht eines Abschnitts der Einlassleitungen der Speicherbehälter gemäß 1 und 2,
  • 4 einen Querschnitt der Einlassleitungen gemäß 3,
  • 5 einen Längsschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
  • 6 einen Längsschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
  • 7 eine Seitenansicht eines Abschnitts der Einlassleitungen der Speicherbehälter gemäß 5 und 6,
  • 8 einen Querschnitt der Einlassleitungen gemäß 7,
  • 9 einen Längsschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
  • 10 eine Seitenansicht eines Abschnitts der Einlassleitung des Speicherbehälters gemäß 9,
  • 11 einen Querschnitt der Einlassleitung gemäß 10 und
  • 12 einen Längsschnitt der Einlassleitung gemäß 10.
  • Die Fig. veranschaulichen Ausführungsbeispiele von Speicherbehältern 10 für komprimiertes Wasserstoffgas (CcH2, cryocompressed H2), so genannten Kryodrucktanks. Das darin gelagerte, kryogene Gas eignet sich für jegliche Art von H2-Energiewandlern und dient bevorzugt zum Antreiben einer Brennkraftmaschine eines weiter nicht veranschaulichten Fahrzeugs. Dazu wird das Gas aus dem Speicherbehälter 10 entnommen und der Brennkraftmaschine zugeführt.
  • In dem Speicherbehälter 10 wird das CcH2 bei sehr tiefer Temperatur bei überkritischem Druck gelagert. Dazu weist der Speicherbehälter 10 einen Außentank bzw. ein Speichergehäuse 12 auf, das ein Speichervolumen 14 zum Aufnehmen des Gases fluiddicht umschließt. Das Speichergehäuse 12 ist mit einer Außenhülle 16, einer darin angeordneten Isolierung 18 und einem Innentank bzw. einer inneren Speicherwandung 20 gebildet. In das Speichervolumen 14 ist ein Wärmetauscher 22 hineingeführt, mittels dem das gespeicherte Gas beheizt werden kann.
  • Zum Betanken des Speicherbehälters 10 ist ein Einlass 24 vorgesehen, mittels dem CcH2-Gas in das Speichervolumen 14 eingeleitet werden kann. Das derart eingebrachte Gas hat eine zumindest geringfügig geringere Temperatur als jenes Gas, das sich bereits im Speichervolumen 14 befindet.
  • Um mit dem Einbringen von frischem Gas in das Speichervolumen 14 einen ungleichmäßigen Temperatureintrag insbesondere in die Speicherwandung 20 und damit möglicherweise verbundene Temperaturspannungen möglichst zu vermeiden, ist der Einlass 24 gemäß sämtlichen Ausführungsbeispielen mit einer als Rohr gestalteten Einlassleitung 26 gestaltet, welche in das Speichervolumen 14 hineinragt und sowohl als Befüllleitung als auch als Entnahmeleitung dient.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erstreckt sich die Einlassleitung 26 quer durch das gesamte Speichervolumen 14 und weist an ihrem Endbereich mehrere von einander beabstandet angeordnete Einlassöffnungen 28 auf. Die 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Einlassleitung 26 rohrförmig bis zur Mitte des Speichervolumens 14 geführt ist. Dabei befinden sich wiederum am Endbereich der Einlassleitung 26 mehrere Einlassöffnungen 28. Wie in den 3 und 4 veranschaulicht ist, sind bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 jeweils die Einlassöffnungen 28 in sechs, am Umfang im Winkelabstand α (Alpha) von je 60° (Grad) beabstandeten Reihen 30 an der Einlassleitung 26 angeordnet. Die Einlassöffnungen 26 sind dabei eng nebeneinander auf einer Länge von 40 mm (Millimeter) bis 60 mm, vorzugsweise 50 mm, mit jeweiligen Abständen a von 4 mm bis 13 mm, vorzugsweise 9 mm, angeordnet und weisen je einen Durchmesser von 0,8 mm bis 1,2 mm, vorzugsweise 1 mm, auf.
  • Die 5 bis 8 veranschaulichen zwei Ausführungsbeispiele, bei denen die rohrförmige Einlassleitung 26 ebenfalls quer durch das gesamte Speichervolumen 14 geführt ist. Die Einlassöffnungen 28 sind über weitgehend die gesamte Längserstreckung der Einlassleitung 26 verteilt in gleichen Abständen a von ca. 20 mm bis 80 mm, vorzugsweise 50 mm, beabstandet voneinander verteilt angeordnet. Dabei sind gemäß der 3 drei Reihen 30 mit Einlassöffnungen 28 am Umfang im Winkelabstand α von je 120° verteilt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist nur eine Reihe 30 von Einlassöffnungen 28 vorgesehen, die sämtlich nach oben gerichtet sind. Die Einlassöffnungen 28 dieser Ausführungsbeispiele gemäß 5 bis 8 haben dabei einen Durchmesser von 1,5 mm bis 1,9 mm, vorzugsweise 1,7 mm.
  • Die 9 bis 12 zeigen schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Einlassleitung 26 nur eine vergleichsweise kurze Strecke in das Speichervolumen 14 hineinragt. Die derartige rohrförmige Einlassleitung 26 weist an ihrem Endbereich sechs Reihen 30 mit jeweils sechs Einlassöffnungen 28 auf, die je in einem Winkel ϕ (Phi) von 30° bis 60°, vorzugsweise 45° schräg zur Längserstreckung der Einlassleitung 26 gerichtet sind.
  • Mittels der derart ausgebildeten Einlassöffnungen 28 an den Einlassleitungen 26 wird das zu speichernde Gas sowohl axial als auch radial besonders gleichmäßig in das Speichervolumen 14 verteilt. Dabei kommt es insbesondere nicht zu einer örtlich begrenzten Erwärmung der Speicherwandung 20.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, insbesondere Kryodrucktank
    12
    Speichergehäuse
    14
    Speichervolumen zum Aufnehmen des gespeicherten Gases
    16
    Außenhülle
    18
    Isolierung
    20
    Speicherwandung
    22
    Wärmetauscher
    24
    Einlass
    26
    Einlassleitung als Rohr gestaltet
    28
    Einlassöffnung
    30
    Reihe

Claims (10)

  1. Speicherbehälter (10) von kryogenem Druckgas, insbesondere Kryodrucktank für ein Kraftfahrzeug, mit einem Speichervolumen (14) zum Aufnehmen des gespeicherten Gases und einem Einlass (24) zum Einleiten des zu speichernden Gases in das Speichervolumen (14), bei dem der Einlass (24) mit einer in das Speichervolumen (14) hineinragenden rohrförmigen Einlassleitung (26) gestaltet ist, an der mehrere von einander beabstandet angeordnete Einlassöffnungen (28) vorgesehen sind.
  2. Speicherbehälter nach Anspruch 1, bei dem die Einlassleitung (26) als Rohr gestaltet ist und die Einlassöffnungen (28) in sechs, am Umfang in Winkelabständen von je 60° beabstandeten Reihen (30) am Rohr angeordnet sind.
  3. Speicherbehälter nach Anspruch 2, bei dem die Einlassöffnungen (28) eng nebeneinander in der Mitte des Speichervolumens (14) angeordnet sind.
  4. Speicherbehälter nach Anspruch 2, bei dem die Einlassöffnungen (28) eng nebeneinander an einer Seite des Speichervolumens (14) angeordnet sind.
  5. Speicherbehälter nach Anspruch 1, bei dem die Einlassleitung (26) als Rohr gestaltet ist und die Einlassöffnungen (28) in drei, am Umfang in Winkelabständen von je 120° beabstandeten Reihen (30) am Rohr angeordnet sind.
  6. Speicherbehälter nach Anspruch 1, bei dem die Einlassleitung (26) als Rohr gestaltet ist und die Einlassöffnungen (28) in einer Reihe (30) am Rohr angeordnet sind.
  7. Speicherbehälter nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Rohr sich quer durch das Speichervolumen (14) erstreckt und die Einlassöffnungen (28) über die Längserstreckung des Rohres hinweg beabstandet angeordnet sind.
  8. Speicherbehälter nach eine der Ansprüche 1 bis 7, bei dem 36 kreisrunde Einlassöffnungen (28) mit je einem Durchmesser von 1,0 mm vorgesehen sind.
  9. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem 12 kreisrunde Einlassöffnungen (28) mit je einem Durchmesser von 1,7 mm vorgesehen sind.
  10. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9; bei dem die Einlassöffnungen (28) am Rohr schräg zu dessen Längserstreckung ausgerichtet sind, insbesondere in einem Winkel von kleiner 45°.
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