DE102015204618A1 - Kryogener Druckbehälter - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen kryogenen Druckbehälter 400, umfassend: – einen Innenbehälter 100 zur Speicherung eines Mediums; – einen Außenbehälter 300, der den Innenbehälter 100 umgibt; sowie – eine Wärmeisolation V, die zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter 100 und dem Außenbehälter 300 angeordnet ist, wobei am Außenbehälter 300 mindestens ein Berstelement 310 vorgesehen ist, und wobei das Berstelement 310 ausgebildet ist, bei einem Differenzdruck Δp zwischen dem Außenbereich U des Außenbehälters 300 und der Wärmeisolation V zu bersten, der geringer als 2 bar ist.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft einen kryogenen Druckbehälter
  • Kryogene Druckbehälter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines evakuierten Zwischenraumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff tiefkalt und somit im Wesentlichen im flüssigen Aggregatszustand oder im überkritischen Zustand gespeichert wird. Solche Kraftstoffe werden bspw. bei Temperaturen von ca. 30 K bis ca. 360 K in den kryogenen Druckbehältern gespeichert. Die Druckbehälter bedürfen einer extrem guten Isolation, um einen unerwünschten Wärmeeintrag in das kryogen gespeicherte Medium so weit wie möglich zu verhindern. Um den Wärmeeintrag zu verhindern sind daher hochwirksame Isolationshüllen vorgesehen, u. a. bspw. eine Vakuumhülle. Beispielsweise offenbart die DE 102 49 250 A1 einen solchen Druckbehälter.
  • Es ist für die Außenbehälterauslegung vorteilhaft, wenn diese lediglich auf die im Normalbetrieb herrschenden Druckverhältnisse ausgelegt werden müssen. Im Normalbetrieb ist der Außenbehälter max. einem Differenzdruck Δp zwischen dem Außenbereich U des Außenbehälters und der Wärmeisolation V von ca. minus 1,15 bar ausgesetzt. Dies errechnet sich aus dem höchsten historisch gemessenen Luftdruck auf „Normalnull” (1086 hPa), umgerechnet auf den geografisch ungünstigsten Ort (Totes Meer). Dies ergibt einen maximalen Druck im Außenbereich U von 1,15 bar. Da im Vakuumraum V der Druck als Null genähert werden kann, ergibt sich der Differenzdruck zwischen U und V zu –1,15 bar., Das Vorzeichen signalisiert dabei, dass die Umgebungsluft den Außenbehälter in Richtung Vakuum drückt. Die Außenbehälter sind jedoch in der Praxis für viel höhere Drücke ausgelegt. Dies ist u. a. deshalb der Fall, da im Falle eines Vakuumbruchs vom Innenbehälter der Druck im Vakuumraum V sehr stark ansteigen kann. Die zusätzlichen Maßnahmen am Außenbehälter, um diesen Druckaufbau im Vakuumraum V Herr zu werden, führen zu einem signifikanten Anstieg des Gewichtes. Es besteht daher ein Bestreben, den Außenbehälter lediglich für den Normalbetrieb auslegen zu müssen, ohne dass gleichzeitig schwere oder anderweitig nachteilige Zusatzvorkehrungen getroffen werden müssen. Druckbehälter für Kraftfahrzeuge müssen ferner weltweiten Normen genügen, damit die Kraftfahrzeuge global absetzbar sind. Eine dieser Normen ist die Richtlinie 97/23/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 29. Mai 1997 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Druckgeräte (im Deutschen als „Druckgeräterichtlinie” (DGRL), im Englischen als „Pressure Equipment Directive” (PED) bezeichnet). Diese Druckgeräterichtlinie ist anwendbar „für Druckgeräte mit einem maximal zulässigen Druck (PS) von mehr als 0,5 bar”. Mit der Druckgeräterichtlinie gehen viele konstruktive Vorgaben einher. Es existiert daher ein Bestreben, dass der Außenbehälter selbst aufgrund von geeigneten Vorkehrungen nicht als ein Druckbehälter eingestuft wird, auf den die Druckgeräterichtlinie Anwendung findet.
  • Vakuumisolierte kryogene Druckbehälter verfügen zur Druckentlastung des Außenbehälters über elastomergedichtete Vakuumstopfen. Diese verhindern im Fall eines innenbehälterseitigen (im Gegensatz zum luftseitigen) Vakuumbruchs, bei dem es zu einem Einströmen des Innenbehälterinhalts in den (ursprünglichen) Vakuumraum kommt, ein Bersten des Außenbehälters. Das Vakuum des kryogenen Druckbehälters soll über lange Zeit (z. B. ca. 1 Jahr) stabil bleiben, um die thermischen Isolationseigenschaften zu gewährleisten. In der Praxis kommt es aber durch diese elastomeren Druckentlastungen zu einer Degradation der Vakuumisolierung.
  • In der auf die Anmelderin zurück gehende DE 10 2007 021 875 A1 ist ein Vakuumstopfen 3 gezeigt, der einen Zugang zum Vakuuminnenraum 2 verschließt. Nachgelagert zum Vakuumstopfen ist eine Berstscheibe 8 angeordnet, die eine Überströmungsöffnung 7 verschließt (vgl. 1). Die Berstscheibe 8 löst jedoch erst bei relativ hohem Überdruck aus. Berstscheiben an kryogenen Behältern sind ferner offenbart in den Schriften DE10238856 A1 und US2014026597A , die ebenfalls erst bei hohen Drücken auslösen.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe, eine sichere Druckentlastung für den Außenbehälter bereitzustellen, die unterhalb von 0,5 barü sicher auslöst. Ferner besteht eine bevorzugte Aufgabe darin, Maßnahmen vorzuschlagen, die die Degradation des Vakuums zumindest verringert. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug umfasst einen oder mehrere kryogene Druckbehälter. Der kryogene Druckbehälter ist beispielsweise ein kryogener Druckbehälter wie er im einleitenden Teil beschrieben worden ist. Insbesondere ist er geeignet Kraftstoff, bevorzugt Wasserstoff, im kryogenen Bereich, also bevorzugt im Auslegungs- bzw. Betriebstemperaturfenster von ca. 30 K bis ca. 360 K, besonders bevorzugt im Temperaturfenster von ca. 40 K bis ca. 330 K zu speichern. Bevorzugt speichert der kryogene Druckbehälter den Kraftstoff gleichzeitig in einem Druckbereich von ca. 5 bar bis ca. 1000 bar, bevorzugt in einem Druckbereich von ca. 5 bar bis ca. 700 bar, und besonders bevorzugt von ca. 20 bar bis ca. 350 bar.
  • Der kryogene Druckbehälter umfasst u. a. einen ein Fluid speichernden Innenbehälter sowie einen Außenbehälter, der den Innenbehälter umgibt. Der Innenbehälter ist möglichst wärmeisoliert im Außenbehälter gehaltert. Eine Wärmeisolation V ist zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter angeordnet. Die Wärmeisolation V kann beispielsweise als ein zumindest teilweise evakuierter Raum V ausgebildet sein.
  • Es wurde festgestellt, dass die bisher verwendeten Dichtungsringe des Vakuumstopfens eine relativ große Permeationsrate aufweisen, da diese in der Regel aus einem Elastomermaterial gefertigt sind. Mit anderen Worten können Gaspartikel durch diese Dichtungen in das Vakuum gelangen. Auch das elastomere Dichtungsmaterial selbst kann durch eine zu hohe Ausgasrate das Vakuum degradieren. Die Übergänge in das Vakuum verringern die Isolationsgüte beträchtlich. Die Verwendung von Metalldichtungen (mit niedriger Permeationsrate) anstatt der elastomeren Dichtungsringe verbietet sich aber ebenfalls, da die mechanische Öffnung bei niedrigem Differenzdruck dann aufgrund der größeren Reibung (Metall auf Metall) nicht mehr gewährleistet werden kann. Daher wird hier die Verwendung von Berstscheiben vorgeschlagen, die insbesondere für einen ganz speziellen Druckbereich ausgelegt sind.
  • Insbesondere betrifft die hier offenbarte Technologie einen kryogenen Druckbehälter, umfassend:
    • – einen Innenbehälter zur Speicherung eines Mediums;
    • – einen Außenbehälter, der den Innenbehälter umgibt; sowie
    • – eine Wärmeisolation V, die zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter angeordnet ist, wobei am Außenbehälter mindestens ein Berstelement vorgesehen ist, und wobei das Berstelement ausgebildet ist, bei einem Differenzdruck Δp zwischen dem Außenbereich U des Außenbehälters und der Wärmeisolation V zu bersten, der geringer als 2 bar, bevorzugt geringer als 1,0 bar und besonders bevorzugt geringer als 0,5 bar ist.
  • Beträgt der Differenzdruck Δp weniger als 2 bar, so öffnet das Berstelement. Die Außenbehälter sind in der Regel aus Materialien mit isotropen oder quasiisotropen Eigenschaften hergestellt. Da der Außenbehälter aufgrund der auftretenden Druckdifferenz beim Normbetrieb von ca. minus 1,15 bar (s. o.) ausgelegt sein muss, und dieser Wert noch mit einer gewissen Betriebssicherheit belegt ist, wird der Außenbehälter dank dieser (quasi)isotropen Eigenschaften auch eine Druckdifferenz von ca. plus 2 bar sicher aushalten können, ohne dass der Außenbehälter selbst stabiler ausgelegt werden muss. Vorbekannte Berstscheiben waren für diese Funktion nicht geeignet und nicht ausgelegt.
  • Bevorzugt ist das Berstelement ausgebildet, bei einem Differenzdruck Δp zwischen dem Außenbereich U des Außenbehälters und der Wärmeisolation V zu bersten, der weniger als 0,5 bar beträgt. Ein solcher Behälter ist aufgrund des Wegfalls von gesetzlichen Auflagen besonders einfach und kostengünstig zu fertigen, ohne dass die Sicherheit darunter leidet.
  • Bevorzugt ist das Berstelement aus einem Metallmaterial hergestellt. So lässt sich effizient die Degradation des Vakuums zumindest reduzieren.
  • Ferner bevorzugt ist das Berstelement als Umkehrberstscheibe (reverse buckling rupture disk) ausgebildet. Bevorzugt ist die konvexe Oberfläche der Umkehrberstscheibe dem Vakuumraum bzw. evakuierten Raum V zugeordnet. Durch diese Ausführung wird erreicht, dass der Auslösedruck in die eine Richtung beispielsweise unterhalb von 0,5 bar sein kann, während in die andere Richtung eine Belastung mit 1,15 bar sicher ertragen wird. Die Umkehrbestscheibe 310 kann also ausgebildet sein, im montierten Zustand bei einem Differenzdruck Δp zwischen dem Außenbereich U des Außenbehälters 300 und der Wärmeisolation V zu bersten, der geringer als 2,0 bar, bevorzugt geringer als 1,0 bar und besonders bevorzugt geringer als 0,5 bar, und wobei die Umkehrbestscheibe 310 gleichzeitig in der Lage ist, bei einem Differenzdruck Δp von kleiner minus 1,15 bar nicht zu bersten.
  • 2 zeigt die hier offenbarte Technologie. An dem hier teilweise gezeigten Außenbehälter 300 ist ein Anschlussstutzen bzw. Flansch vorgesehen, der hier durch einen Befestigungsring 320 teilweise abgedeckt ist. Der Befestigungsring 320 befestigt das Berstelement 310, hier eine Umkehrberstscheibe 310, an den Flansch des Außenbehälters 300. Die konvexe Oberfläche der Umkehrberstscheibe 310 ist dem Vakuumraum bzw. evakuierten Raum V zugeordnet. Steigt nun der Innendruck bzw. Vakuumraumdruck pi auf beispielsweise 3 bara an, und beträgt der Umgebungsdruck bzw. Außendruck pa 1 bara, so löst die Umkehrberstscheibe aus, sofern sie für einen Differenzdruck Δp von 2 bar ausgelegt ist. Das Gas kann dann sicher entweichen, ohne dass der Außenbehälter selbst beschädigt wird.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • 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
    • DE 10249250 A1 [0002]
    • DE 102007021875 A1 [0005]
    • DE 10238856 A1 [0005]
    • US 2014026597 A [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Richtlinie 97/23/EG [0003]

Claims (8)

  1. Kryogener Druckbehälter (400), umfassend: – einen Innenbehälter (100) zur Speicherung eines Mediums; – einen Außenbehälter (300), der den Innenbehälter (100) umgibt; sowie – eine Wärmeisolation (V), die zumindest bereichsweise zwischen dem Innenbehälter (100) und dem Außenbehälter (300) angeordnet ist, wobei am Außenbehälter (300) mindestens ein Berstelement (310) vorgesehen ist, und wobei das Berstelement (310) ausgebildet ist, bei einem Differenzdruck (Δp) zwischen dem Außenbereich (U) des Außenbehälters (300) und der Wärmeisolation (V) zu bersten, der geringer als 2 bar ist.
  2. Kryogener Druckbehälter (400) nach Anspruch 1, wobei das Berstelement (310) aus einem Metallmaterial hergestellt ist.
  3. Kryogener Druckbehälter (400) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeisolation (V) einen evakuierten Raum (V) umfasst.
  4. Kryogener Druckbehälter (400), wobei das Berstelement (310) eine Umkehrberstscheibe ist.
  5. Kryogener Druckbehälter (400) nach Anspruch 4, wobei die konvexe Oberfläche der Umkehrberstscheibe (310) der Wärmeisolation (V) zugewandt ist.
  6. Kryogener Druckbehälter (400) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Berstelement (310) ausgebildet ist, bei einem Differenzdruck (Δp) zwischen dem Außenbereich (U) des Außenbehälters (300) und der Wärmeisolation (V) zu bersten, der geringer als 1,0 bar ist.
  7. Kryogener Druckbehälter (400) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Berstelement (310) ausgebildet ist, bei einem Differenzdruck (Δp) zwischen dem Außenbereich (U) des Außenbehälters (300) und der Wärmeisolation (V) zu bersten, der geringer als 0,5 bar ist.
  8. Kryogener Druckbehälter (400) nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 7, wobei die Umkehrbestscheibe (310) ausgebildet ist, im montierten Zustand bei einem Differenzdruck (Δp) zwischen dem Außenbereich (U) des Außenbehälters (300) und der Wärmeisolation (V) zu bersten, der geringer als 2,0 bar, bevorzugt geringer als 1,0 bar und besonders bevorzugt geringer als 0,5 bar, und wobei die Umkehrbestscheibe (310) gleichzeitig in der Lage ist, bei einem Differenzdruck (Δp) von kleiner minus 1,15 bar nicht zu bersten.
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