DE102015203703A1

DE102015203703A1 - Fahrzeug-Tanksystem zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand

Info

Publication number: DE102015203703A1
Application number: DE102015203703.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ulrich Stahl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2015-03-02
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Tanksystem zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand, bestehend aus einem den Betriebsstoff aufnehmenden Innentank und einer diesen unter Bildung einer annähernd ein Vakuum darstellenden Isolationsschicht umhüllenden Außenhaut, wobei das Tanksystem eine mit zeitlichem Versatz zur Erst-Inbetriebnahme des Systems im Bedarfsfall aktivierbare Vorrichtung zur Steigerung der Vakuum-Güte in Form einer Sorptionspumpe und/oder zumindest eines zunächst noch nicht aktiven und bedarfsweise aktivierbaren Getters aufweist. Es kann ein Bestandteil der Sorptionspumpe, an welchem sich bei Betrieb Partikel aus der Vakuum-Isolationsschicht anlagern, mit der Wand des Innentanks in wärmeleitender Verbindung stehen. Es kann die Vakuum-Güte indirekt bestimmt werden, indem die Sorptionspumpe in gewissen Zeitabständen zumindest kurzzeitig in Betrieb genommen wird und aus deren Betriebsdaten auf die Vakuum-Güte geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Tanksystem zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand, bestehend aus einem den Betriebsstoff aufnehmenden Innentank und einer diesen unter Bildung einer annähernd ein Vakuum darstellenden Isolationsschicht umhüllenden Außenhaut, wobei das Tanksystem eine mit zeitlichem Versatz zur Erst-Inbetriebnahme des Systems im Bedarfsfall aktivierbare Vorrichtung zur Steigerung der Vakuum-Güte aufweist, und geht aus von der WO 2013/143775 A1 .
Für eine ökologisch und ökonomisch vertretbare mobile Speicherung kryogener Gase ist es notwendig, den Wärmeeintrag aus der Umgebung in das gespeicherte Gas auf ein Minimum zu reduzieren, um ungewollte und nachteilige Druckanstiege im Speicherbehälter (Tank) und daraus ggf. resultierende Gasverluste als Folge eines anteiligen Abblasens von gespeichertem Gas zur Vermeidung eines unzulässig hohen Druckaufbaus im Tank zu verhindern. Daher weisen Tanksysteme zur Speicherung von Betriebsstoffen in tiefkaltem Zustand eine Vakuumsuperisolation auf, die aus in einem sog. „Nahezu-Vakuum” durch Spacerlagen voneinander getrennten Reflektorschilden besteht (vgl. bspw. DE 10 2006 057 663 A1 ) und mit Absolut-Druckwerten im Bereich zwischen 10^–5 mbar und 10^–3 mbar (Millibar) arbeitet, Zur nachhaltigen Aufrechterhaltung dieses Vakuums in der Isolationsschicht über mehrere Jahre hinweg, d. h. zur Gewährleistung der notwendigen Vakuumgüte idealerweise über den kompletten Lebenszyklus eines kryogenen Tanks bzw. Gasspeichers ist üblicherweise in der Vakuumsuperisolation desselben ein Getter (vgl. bspw. DE 10 2007 016 974 A1 , DE 603 15 481 T2 oder DE 10 2008 031 344 A1 ) vorgesehen. Solche Getter werden bei der Erst-Inbetriebnahme des Systems bereits aktiviert. Gemäß der DE 603 15 481 T2 (2) können Getter auch regeneriert oder ersetzt werden. Zur Regeneration ist es notwendig, die vorher adsorbierten und dann wieder austretenden Gasbestandteile durch eine weitere Evakuierungsmaßnahme aus dem Vakuum zu entfernen. Ferner müsste das Servicepersonal den Außenbehälter öffnen, um einen Getter auszutauschen. Somit sind die Regeneration und der Austausch von einem Getter mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden und wirtschaftlich nicht tragbar. Ein dritter Ansatz der DE 603 15 481 T2 sieht vor, einen Getter mit einer Kapazität für die ganze Lebensdauer vorzusehen. Auch dieser Ansatz ist mit Nachteilen verbunden: einerseits steigen die Herstellkosten aufgrund der Gettergröße, andererseits kann im Fall einer einmaligen, temporären Degradation der Vakuumgüte ein solcher Getter komplett gesättigt werden und damit für die Verbesserung der Vakuumqualität nicht mehr zur Verfügung stehen. Denkbare Fälle, die zur kompletten Sättigung auch eines sehr großen Getters führen, wären beispielsweise ein Bruch des Vakuums, der durch den Austausch anderer Komponenten im Vakuum notwendig geworden ist oder eine Leckage: in beiden Fällen müsste erst der Vakuumraum wieder abgedichtet und evakuiert werden, bevor der Einsatz von Gettern sinnvoll ist. Mit dem hier vorgeschlagenen System ist dies möglich, mit DE 603 15 481 T2 jedoch nicht.
Aus der eingangs genannten Schrift ( WO 2013/143775 A1 ) ist es weiterhin bekannt, im Fahrzeug permanent eine mit der Isolationsschicht verbundene Vakuumpumpe vorzusehen, mittels derer die Güte des Vakuums steigerbar ist, wenn die auf geeignete Weise mittels einer irgendwie gearteten Überwachungseinrichtung überwachte Vakuum-Güte (eine solche Überwachungseinrichtung kann vergleichbar ausgebildet auch vorliegend vorhanden sein und wird hier als Einheit zur Überprüfung der Vakuum-Güte bezeichnet) vorgegebenen Anforderungen nicht genügt. Auch die DE 603 15 481 T2 (3) zeigt eine mechanische Vakuumpumpe.
Hiermit soll nun zumindest eine besonders vorteilhafte (weitere) Vorrichtung zur Steigerung der Vakuum-Güte an einem Fzg.-Tanksystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgezeigt werden (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einer Sorptionspumpe und/oder zumindest einem zunächst noch nicht aktiven und bedarfsweise aktivierbaren Getter.
Bekanntlich kann man bei Vakuumpumpen zwischen Gastransfervakuumpumpen und gasbindenden Vakuumpumpen unterscheiden, wobei üblicherweise an die erstgenannten gedacht wird, wenn von einer Vakuumpumpe gesprochen wird. So erwähnt auch die eingangs genannte Schrift als bevorzugte Ausführungsform einer Vakuumpumpe eine Turbomolekularpumpe. Solche Vakuumpumpen mit Statoren und Rotoren sind jedoch – jedenfalls derzeit – empfindliche Bauelemente, welche einem dauerhaften Aufenthalt in einem Fahrzeug jedenfalls im derzeitigen Entwicklungsstand nur eingeschränkt standhalten können. Daher werden vorliegend demgegenüber robustere Vorrichtungen zur Steigerung der Vakuumgüte vorgeschlagen, die grundsätzlich jeweils für sich, in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform jedoch in Kombination vorgesehen sein können.
So wird zum einen eine Sorptionspumpe vorgeschlagen, die vorzugsweise direkt in der Vakuum-Isolationsschicht vorgesehen ist, um die Gefahr einer Leckage über eine irgendwie geartete Verbindungsleitung zu minimieren. Eine solche Sorptionspumpe kann bspw. als Getterpumpe, als Ionengetterpumpe, als Titan-Sublimationspumpe oder als Kryopumpe (welche vorliegend aufgrund des in einer Vakuum-Kryopumpe stattfindenden Partikel-Bindungsprozesses durch Kondensation auch unter den Oberbegriff einer Sorptionspumpe fallen soll) ausgeführt sein. Da solche Sorptionspumpen jedoch einen hohen Energiebedarf aufweisen können, kann vorgesehen sein, dass diese nur dann betrieben werden, wenn das Fahrzeug, genauer die Sorptionspumpe an einen bezüglich des Fahrzeugs externen Energieversorger, bspw. an ein öffentliches elektrisches Stromnetz, angeschlossen ist. Insbesondere dafür ist es vorteilhaft, wenn zusätzlich eine weitere Vorrichtung zur Steigerung der Vakuum-Güte vorgesehen ist, welche im Bedarfsfall kurzfristig und unabhängig von einem externen Energieversorger aktiviert werden kann. Hierfür wird vorliegend ein grundsätzlich bekannter und mit der Vakuum-Isolationsschicht verbundener, vorzugsweise in dieser angeordneter Getter vorgeschlagen, welcher zunächst nicht aktiv ist und bei Bedarf, beispielsweise nach Erkennen einer mangelhaften Vakuum-Güte durch eine genannte Einheit zur Überprüfung derselben, gezielt aktiviert wird. Hinsichtlich des gezielten Aktivierens eines Getters zu einem späteren Zeitpunkt wird auf die weiter oben genannte DE 10 2007 016 974 A1 ausdrücklich Bezug genommen. Selbstverständlich kann neben einem erfindungsgemäß erst bei Bedarf aktivierbaren Getter ein weiterer von Anbeginn an aktiver Getter vorgesehen sein und es können mehrere solche erst bei Bedarf individuell aktivierbaren Getter vorgesehen sein, von welchen bei Bedarf einer oder mehrere, jedoch nicht sämtliche, nacheinander aktiviert werden. Grundsätzlich wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung aber auch alleine durch einen solchen bei Bedarf vorzugsweise selbsttätig durch eine elektronische Steuereinheit aktivierbaren Getter gelöst, während eine Kombination einer Sorptionspumpe mit zumindest einem Getter eine vorteilhafte Ausführungsform darstellt.
Im Sinne einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Kälte des den zu speichernden Betriebsstoff im tiefkalten Zustand enthaltenden Innentanks für eine Steigerung des Wirkungsgrades der Sorptionspumpe oder des Getters, soweit diese bei niedrigen Temperaturen besser arbeiten als bei höheren Temperaturen, genutzt werden. Hierfür kann ein Bestandteil der Sorptionspumpe oder des Getters, an welchem Bestandteil sich bei deren/dessen Betrieb Partikel aus der Vakuum-Isolationsschicht anlagern, mit der Wand des Innentanks in wärmeleitender Verbindung stehen.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug-Tanksystem kann gemäß dem Stand der Technik eine Einheit zur Überprüfung der Güte des Vakuums in der Isolationsschicht aufweisen sowie eine elektronische Steuereinheit, welche unter Berücksichtigung des Überprüfungsergebnisses dieser besagten Einheit zur Überprüfung der Vakuum-Güte die Vorrichtung zur Steigerung derselben ergebnisabhängig aktiviert. Falls verschiedene Vorrichtungen zur Steigerung der Vakuum-Güte vorhanden sind, kann gezielt nur eine dieser Vorrichtungen aktiviert werden, oder es ist eine zeitliche versetzte Aktivierung wie weiter oben bereits genannt (d. h. zunächst ein Getter und später eine energieintensivere Sorptionspumpe) möglich. Auch ist es möglich, die Sorptionspumpe in Abhängigkeit von der Größe oder vom Umfang des Verbesserungsbedarfs der Vakuum-Güte in unterschiedlichem Ausmaß in Betrieb zu nehmen.
Was eine solche Einheit zur Überprüfung der Güte des Vakuums betrifft, so kann diese wie in der eingangs genannten Schrift WO 2013/143775 A1 angegeben arbeiten, d. h. entweder direkt den Absolutdruck in der Vakuum-Isolationsschicht messen oder indirekt aus der Erwärmung des im Tank gespeicherten Betriebsstoffes auf die Güte des Vakuums in der Vakuum-Isolationsschicht schließen. Eine weitere Möglichkeit ist vorliegend im Patentanspruch 8 aufgezeigt, wonach die Einheit zur Überprüfung der Vakuum-Güte letztere indirekt bestimmt, indem die Sorptionspumpe in gewissen Zeitabständen zumindest kurzzeitig in Betrieb genommen wird und aus deren Betriebsdaten auf die Vakuum-Güte geschlossen wird. So fließt bspw. bei einer Ionnengetterpumpe bei höherer Vakuum-Güte ein geringerer elektrischer Strom als bei geringerer Vakuum-Güte, so dass mit einem kurzen Betrieb der Pumpe (Sorptionspumpe) aus der Höhe von deren elektrischer Betriebs-Strom-Aufnahme auf die Vakuum-Güte geschlossen werden kann. Es ist also (lediglich) erforderlich, die Sorptionspumpe (bspw. Ionengetterpumpe) nach bspw. festgelegten längeren Zeitintervallen kurzfristig in Betrieb zu nehmen und hieraus durch eine elektronische Steuereinheit, in welcher die geeigneten Prozeduren und Daten hinterlegt sind, die Vakuum-Güte zu bestimmen, woraufhin diese elektronische Steuereinheit bei verbesserungswürdiger Vakuum-Güte entweder selbst die nötigen Schritte (bspw. durch Aktivierung des Getters) einleitet oder an den Betreiber oder Fahrer des Fahrzeugs oder an eine mit dessen Wartung beauftragte Werkstatt einen Hinweis übermittelt, dass die Sorptionspumpe über einen längeren Zeitraum betrieben werden und hierfür diese bspw. an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden sollte.
Während vorstehend erläutert wurde, wie eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steigerung der Vakuum-Güte abgeleitet aus der Auswertung durch eine Einheit zur Überprüfung der Vakuum-Güte in Betrieb genommen bzw. aktiviert wird, kann auch eine im wesentliche zeitabhängige Inbetriebnahme oder Aktivierung der besagten Vorrichtung vorgesehen sein, d. h. es kann der besagte „Bedarfsfall” auch anhand eines verstrichenen Zeitintervalls festgestellt werden. So können bspw. mehrere individuell aktivierbare Getter vorgesehen sein, von denen einer oder mehrere, jedoch nie sämtliche, jeweils nach Verstreichen eines vorgegebenen Zeitintervalls, welches durchaus in der Größenordnung von einem Jahr liegen kann, zeitlich nacheinander aktiviert werden. Dem vergleichbar kann eine Sorptionspumpe nach Verstreichen festgelegter Zeitintervalle jeweils für eine vorgegebene Mindestzeitdauer in Betrieb genommen werden.
Beispielsweise können mehrere Getter unterschiedlicher Größe vorgesehen sein. Bevorzugt kann neben mindestens einen sich nach Aktivierung allmählich sättigenden Getter eine zweite Sorptionspumpe vorgesehen sein, wobei die zweite Sorptionspumpe eingesetzt wird, wenn eine Degradation der Vakuum-Güte vorliegt, die oberhalb eines Grenzwertes liegt. Bei starker Degradation wird dann also die zweite Sorptionspumpe aktiv, so dass der mindestens eine stromlos betreibbare Getter geschont wird. Auch die Aktivierung jeweils unterschiedlicher Getter-Materialien, in Abhängigkeit von der Restgaszusammensetzung ist möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/143775 A1 [0001, 0003, 0010]
DE 102006057663 A1 [0002]
DE 102007016974 A1 [0002, 0007]
DE 60315481 T2 [0002, 0002, 0002, 0002, 0003]
DE 102008031344 A1 [0002]

Claims

Fahrzeug-Tanksystem zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand, bestehend aus einem den Betriebsstoff aufnehmenden Innentank und einer diesen unter Bildung einer annähernd ein Vakuum darstellenden Isolationsschicht umhüllenden Außenhaut, wobei das Tanksystem eine mit zeitlichem Versatz zur Erstinbetriebnahme des Systems im Bedarfsfall aktivierbare Vorrichtung zur Steigerung der Vakuum-Güte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Vorrichtung zur Steigerung der Vakuum-Güte eine Sorptionspumpe und/oder zumindest ein zunächst noch nicht aktiver und bedarfsweise aktivierbarer Getter ist.
Fahrzeug-Tanksystem nach Anspruch 1, wobei das Tanksystem eine Sorptionspumpe und zumindest einen zunächst noch nicht aktiven und bedarfsweise aktivierbaren Getter aufweist.
Fahrzeug-Tanksystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sorptionspumpe eine Titansublimationspumpe ist.
Fahrzeug-Tanksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Bestandteil der Sorptionspumpe oder des Getters, an welchem Bestandteil sich bei deren/dessen Betrieb Partikel aus der Vakuum-Isolationsschicht anlagern, mit der Wand des Innentanks in wärmeleitender Verbindung steht.
Fahrzeug-Tanksystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Einheit zur Überprüfung der Güte des Vakuums in der Isolationsschicht sowie einer elektronischen Steuereinheit, welche unter Berücksichtigung des Überprüfungsergebnisses dieser besagten Einheit zur Überprüfung der Vakuum-Güte die Vorrichtung zur Steigerung derselben ergebnisabhängig aktiviert.
Betriebsverfahren für ein Fahrzeug-Tanksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mehreren individuell aktivierbaren Gettern, von denen einer oder mehrere, jedoch nie sämtliche jeweils nach Verstreichen eines vorgegebenen Zeitintervalls zeitlich nacheinander aktiviert werden.
Betriebsverfahren für ein Fahrzeug-Tanksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sorptionspumpe nach Verstreichen festgelegter Zeitintervalle jeweils für eine vorgegebene Mindestzeitdauer in Betrieb genommen wird.
Betriebsverfahren für ein Fahrzeug-Tanksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder nach Verfahrensanspruch 6 oder 7, wobei mit Erkennen einer verbesserungswürdigen Vakuum-Güte zunächst ein Getter aktiviert wird, während über einem längeren Zeitraum betrachtet und/oder in Abhängigkeit von der Größe oder vom Umfang des Verbesserungsbedarfs der Vakuum-Güte zu deren Steigerung die Sorptionspumpe in Betrieb genommen wird.
Betriebsverfahren für ein Fahrzeug-Tanksystem nach Anspruch 5 oder nach einem der vorangegangenen Verfahrensansprüche 6 bis 8, wobei die Einheit zur Überprüfung der Vakuum-Güte letztere indirekt bestimmt, indem die Sorptionspumpe in gewissen Zeitabständen zumindest kurzzeitig in Betrieb genommen wird und aus deren Betriebsdaten auf die Vakuum-Güte geschlossen wird.
Betriebsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 6 bis 9, wobei die Sorptionspumpe betrieben wird, wenn die Sorptionspumpe an einen bezüglich des Fahrzeugs externen Energieversorger angeschlossen ist und/oder wenn eine Degradation der Vakuum-Güte vorliegt, die oberhalb eines Grenzwertes liegt.