DE102017211157A1 - Vorratstank für ein kryogenes Medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Vorratstank (1) für ein kyrogenes Medium (2), insbesondere für flüssiges Erdgas, umfassend eine einen Tankinnenraum (3) begrenzende Tankwandung (4), durch die mindestens eine erste Leitung (5) und eine zweite Leitung (6) in den Tankinnenraum (3) geführt sind, wobei die erste Leitung (5) der Entnahme des Mediums (2) in flüssiger Form dient und eine Entnahmestelle (7) definiert, die in einem Bodenbereich (8) des Tankinnenraums (3) angeordnet ist. Erfindungsgemäß dient die zweite Leitung (6) der Rückführung einer gasförmigen Leckagemenge des Mediums (2) und definiert mindestens eine Einblasstelle (9), die in einem Abstand (a) zur Entnahmestelle (7) ebenfalls im Bodenbereich (8) angeordnet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Vorratstank für ein kryogenes Medium mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem kryogenen Medium kann es sich insbesondere um flüssiges Erdgas (LNG) handeln, das es als Brennstoff für eine Brennkraftmaschine an Bord eines Kraftfahrzeugs zu bevorraten gilt.
- Stand der Technik
- Kraftfahrzeuge, deren Brennkraftmaschinen mit gasförmigen Brennstoffen, wie beispielsweise Erdgas (NG, d. h. „Natural Gas“), betrieben werden, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Das Erdgas kann dabei flüssig (LNG, d. h. „Liquid Natural Gas“) oder gasförmig (CNG, d. h. „Compressed Natural Gas“) in mindestens einem an Bord des Kraftfahrzeugs mitgeführten Tank vorgehalten werden. Die Bevorratung in flüssiger Form besitzt den Vorteil, dass der Raumbedarf geringer ist. Allerdings muss das Erdgas erst auf Temperaturen unterhalb - 161°C abgekühlt werden, damit es verflüssigt wird.
- Aus der Offenlegungsschrift
DE 101 05 819 A1 ist eine Vorrichtung für die Kraftstoffversorgung eines mit kryogenem Kraftstoff betriebenen Fahrzeugs bekannt, die einen auf dem Fahrzeug montierten, vakuumisolierten Kryotank umfasst. Der Kryotank umschließt einen Innenraum zur Speicherung des kryogenen Kraftstoffs. Über eine Versorgungsleitung ist der Kryotank mit einem Antriebsaggregat des Fahrzeugs verbunden. Der kryogene Kraftstoff liegt im Kryotank als tiefkaltes verflüssigtes Gas vor. Da sich ein gewisser Wärmeeintrag in den Innenraum des Kryotanks nicht in Gänze ausschließen lässt, verdampft ein Teil des gespeicherten flüssigen Gases und steigt im Kryotank auf, so dass sich im Innenraum des Kryotanks ein oberhalb eines Flüssigkeitsraums liegender Gasraum ausbildet. Die Versorgungsleitung kann dabei im Flüssigkeitsraum oder im Gasraum beginnen. Die Befüllung des Kryotanks erfolgt über eine in den Gasraum mündende Füllleitung. - Bevor ein gasförmiger Brennstoff, wie beispielsweise flüssiges Erdgas (LNG), der Verbrennung zugeführt wird, wird er mit Hochdruck beaufschlagt. Dabei kann eine gasförmige Leckagemenge anfallen. Wird die gasförmige Leckagemenge in den Vorratstank zurückgeführt, kann es aufgrund der Druck- und Temperaturunterschiede zu einer Störung des im Vorratstank herrschenden Gleichgewichtszustands kommen. Ferner können sich bei der Rückführung einer gasförmigen Leckagemenge in den Vorratstank Blasen bilden, so dass die Gefahr besteht, dass dem Vorratstank ein Blasen-/Flüssiggasgemisch entnommen wird.
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vorratstank für ein kryogenes Medium, insbesondere für flüssiges Erdgas, anzugeben, der eine Rückführung einer gasförmigen Leckagemenge in den Vorratstank ermöglicht, und zwar ohne dass die vorstehend genannten Nachteile eintreten.
- Zur Lösung der Aufgabe wird der Vorratstank mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Offenbarung der Erfindung
- Der vorgeschlagene Vorratstank umfasst eine einen Tankinnenraum begrenzende Tankwandung, durch die mindestens eine erste Leitung und eine zweite Leitung in den Tankinnenraum geführt sind. Die erste Leitung dient der Entnahme des Mediums in flüssiger Form. Sie definiert eine Entnahmestelle, die in einem Bodenbereich des Tankinnenraums angeordnet ist. Erfindungsgemäß definiert die zweite Leitung, die der Rückführung einer gasförmigen Leckagemenge des Mediums dient, mindestens eine Einblasstelle, die in einem Abstand a zur Entnahmestelle ebenfalls im Bodenbereich angeordnet ist.
- Der Begriff „Bodenbereich“ bezeichnet vorliegend einen bei bestimmungsgemäßem Einbau und Gebrauch des Vorratstanks geodätisch tief liegenden Bereich des Tankinnenraums. Das heißt, dass die Rückführung der gasförmigen Leckagemenge in einen Bereich erfolgt, der tiefkaltes flüssiges Medium enthält. Die rückgeführte Gasmenge vermischt sich auf diese Weise mit dem tiefkalten flüssigen Medium, so dass sie schnell und effizient auf Tanktemperatur abkühlt. Das im Vorratstank vorherrschende Gleichgewicht zwischen dem Medium in flüssiger Phase und dem Medium in gasförmiger Phase wird demnach nicht oder nur unwesentlich gestört.
- Dadurch, dass bei dem vorgeschlagenen Vorratstank die Einblasstelle in einem gewissen Abstand zur Entnahmestelle angeordnet ist, wird zugleich die Gefahr gemindert, dass mit der Entnahme des flüssigen Mediums Blasen angesaugt werden.
- Bevorzugt besitzt der Vorratstank bzw. der Tankinnenraum eine längliche Form. Beispielsweise kann er eine Zylinderform aufweisen. In dieser Ausgestaltung vermag der Vorratstank hohe Drücke aufzunehmen. Die Entnahmestelle und die Einblasstelle sind dabei derart angeordnet, dass sich der Abstand a in Längsrichtung des Tankinnenraums erstreckt. Auf diese Weise kann zwischen der Entnahmestelle und der Einblasstelle ein großer Abstand eingehalten werden, der die Gefahr, dass Blasen angesaugt werden, weiter minimiert. Vorzugsweise ist der Abstand a größer als ein Durchmesser D des Tankinnenraums gewählt. Das heißt, dass die Längserstreckung des Vorratstanks bzw. des Tankinnenraums optimal genutzt wird.
- Des Weiteren bevorzugt sind die erste Leitung und die zweite Leitung an sich gegenüberliegenden Enden des Vorratstanks durch die Tankwandung in den Tankinnenraum geführt. Bei einer länglichen Form des Vorratstanks bzw. des Tankinnenraums handelt es sich bei den beiden sich gegenüberliegenden Enden jeweils um die Stirnseiten des Vorratstanks. Das heißt, dass die beiden Leitungen bevorzugt jeweils an den Stirnseiten des Vorratstanks in den Tankinnenraum geführt werden. Dadurch kann der Abstand zwischen der Entnahmestelle und der Einblasstelle maximal gewählt werden.
- In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zwischen der Entnahmestelle und der Einblasstelle ein Trennelement angeordnet ist, das im Wesentlichen quer zur Längserstreckung des Tankinnenraums verläuft und zumindest abschnittsweise an der Tankwandung anliegt. Das Trennelement unterteilt den Tankinnenraum in einen ersten Bereich, in dem die Entnahmestelle angeordnet ist und in einen zweiten Bereich, in dem die Einblasstelle angeordnet ist. Sollte es aufgrund der Rückführung einer gasförmigen Leckagemenge in den Vorratstank um die Einblasstelle herum zu einer Blasenbildung im flüssigen Medium kommen, verhindert das Trennelement, dass die Blasen in den Bereich der Entnahmestelle gelangen.
- Bevorzugt weist das Trennelement mindestens eine für das Medium durchlässige Öffnung auf, die gegenüber der Einblasstelle geodätisch tiefer liegend angeordnet ist. Die mindestens eine Öffnung erlaubt einen Medienaustausch, wobei durch die Anordnung der Öffnung sichergestellt ist, dass nur flüssiges Medium auf die andere Seite des Trennelements gelangt. Denn dadurch, dass die Öffnung geodätisch tiefer als die Einblasstelle liegt und Gasblasen im flüssigen Medium aufsteigen, bildet das Trennelement eine wirksame Barriere für die Gasblasen aus.
- Zur Ausbildung der mindestens einen Öffnung kann das im Übrigen an der Tankwandung anliegende Trennelement eine randseitige Aussparung aufweisen, so dass sich zwischen dem Trennelement und der Tankwandung eine Durchströmöffnung ergibt.
- Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Trennelement mindestens eine für das Medium durchlässige Öffnung aufweist, die oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels im Tankinnenraum angeordnet ist. Die mindestens eine weitere Öffnung des Trennelements erlaubt einen Medienaustausch im Bereich einer Gaszone des Tankinnenraums, so dass das im Vorratstank vorherrschende Gleichgewicht durch das Trennelement nicht beeinträchtigt wird. Die mindestens eine weitere Öffnung oberhalb des Flüssigkeitsspiegels kann ebenfalls durch eine randseitige Aussparung des Trennelements gebildet sein, so dass gasförmiges Medium zwischen dem Trennelement und der Tankwandung hindurch zu strömen vermag.
- Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Trennelement zumindest abschnittsweise aus einer Gitterstruktur gebildet ist. Die Gitterstruktur besitzt den Vorteil, dass sie einen Medienaustausch ermöglicht, da flüssiges Medium durch die Gitterstruktur hindurch strömen kann. Zugleich werden etwaige im flüssigen Medium enthaltene Gasblasen zerstört, da die Gasblasen an der Gitterstruktur kondensieren.
- Die Ausbildung des Trennelements als Gitterstruktur kann auf den Bereich beschränkt werden, der das flüssige Medium enthält. Oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, das heißt im Bereich der Gaszone, bedarf es weder einer Gitterstruktur, noch eines Trennelements. Das Trennelement muss demnach nicht bis ganz nach oben an die Tankwandung geführt werden.
- Darüber hinaus wird alternativ oder ergänzend vorgeschlagen, dass die zweite Leitung zumindest abschnittsweise als Rohr ausgeführt ist, das mehrere umfangseitig angeordnete Öffnungen aufweist, von denen jede eine Einblasstelle definiert. Über die mehreren Einblasstellen werden viele kleine Blasen erzeugt, was zu einer für den Wärmeaustausch vorteilhaften Oberflächenvergrößerung führt. Auf diese Weise wird die rückgeführte Gasmenge noch schneller bzw. noch effizienter abgekühlt.
- Die im Rohr vorgesehenen Öffnungen können beliebig geformt sein. Beispielsweise können sie kreisförmig oder länglich, insbesondere schlitzförmig ausgeführt sein.
- Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Einblasstelle tankinnenraumseitig von einer für das Medium durchlässigen Struktur, insbesondere von einer Metallfaserstruktur, überdeckt wird. Die Struktur bzw. die Metallfasern bewirken, dass über die Einblasstelle eingetragene Gasblasen an der Struktur bzw. an den Metallfasern kondensieren. Da die Gasblasen bereits an der mindestens einen Einblasstelle zerstört werden, kann es nicht zu einem Ansaugen von Gasblasen kommen.
- Vorteilhafterweise ist die erste Leitung mit einer Pumpe verbunden. Mittels der Pumpe kann das Medium aus dem Vorratstank angesaugt und einer Hochdruckpumpe zugeführt werden. Die Pumpe ist dabei bevorzugt außen am Vorratstank angeordnet, um ein maximales Tankvolumen beizubehalten.
- Ferner wird vorgeschlagen, dass in der zweiten Leitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, das in Richtung des Tankinnenraums öffnet. Das Rückschlagventil ermöglicht somit einerseits das Rückführen einer gasförmigen Leckagemenge in den Vorratstank. Andererseits verhindert es, dass ein Teil des Mediums über die zweite Leitung aus dem Vorratstank abströmt. Alternativ oder ergänzend kann auch über ein geeignetes Druckniveau im Vorratstank einem Abströmen des Mediums aus dem Vorratstank entgegengewirkt werden.
- Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
-
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vorratstank gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, -
2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vorratstank gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, -
3 einen schematischen Querschnitt durch den Vorratstank der2 , -
4 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vorratstank gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform, -
5 eine perspektivische Darstellung des Trennelements des Vorratstanks der4 , -
6 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Vorratstank gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform und -
7 einen vergrößerten Ausschnitt der6 . - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- Der in der
1 dargestellte Vorratstank1 dient der Bevorratung eines kryogenen Mediums2 . Hierbei kann es sich insbesondere um flüssiges Erdgas (LNG) handeln. Das Medium2 ist in einem Tankinnenraum3 aufgenommen, der von einer Tankwandung4 begrenzt wird. Der Tankinnenraum3 bzw. der Vorratstank1 besitzt eine langestreckte, zylindrische Form, die durch eine LängeL und einen DurchmesserD definiert ist. An den sich gegenüberliegenden Stirnseiten ist der Vorratstank1 abgerundet. An jeder Stirnseite ist zudem eine Leitung5 ,6 durch die Tankwandung4 in den Tankinnenraum3 geführt. - Die erste Leitung
5 bildet im Bodenbereich8 des Tankinnenraums3 eine Entnahmestelle7 aus. Mittels einer mit der Leitung5 verbundenen Pumpe18 , die außen am Vorratstank1 angeordnet ist, wird das im Vorratstank1 bevorratete flüssige Medium2 angesaugt. Die zweite Leitung6 dient der Rückführung einer gasförmigen Leckagemenge in den Vorratstank1 , wobei die zweite Leitung6 eine Einblasstelle9 definiert. Da die Einblasstelle9 ebenfalls im Bodenbereich8 angeordnet ist, das heißt die gasförmige Leckagemenge in das flüssige Medium2 eingebracht wird, kann es im Bereich der Einblasstelle9 zur Bildung von Gasblasen kommen. Um zu verhindern, dass die Gasblasen über die erste Leitung5 angesaugt werden, sind die Entnahmestelle7 und die Einblasstelle9 in einem Abstand a zueinander angeordnet, wobei der Abstand a größer als der DurchmesserD ist. Das heißt, dass die Länge des Vorratstanks1 genutzt wird. - Eine Weiterbildung des Vorratstanks
1 der1 ist in der2 dargestellt. Hier ist im Tankinnenraum3 , und zwar zwischen der Entnahmestelle7 und der Einblasstelle9 , ein Trennelement10 angeordnet, das quer zur Längsrichtung des Vorratstanks1 verläuft. Das Trennelement10 weist zwei Öffnungen11 ,12 auf, im Übrigen liegt es an der Tankwandung4 an (siehe3 ), so dass der Tankinnenraum3 in zwei Bereiche unterteilt wird. Die Öffnung11 ist im Bodenbereich8 zwischen dem Trennelement10 und der Tankwandung4 ausgebildet, so dass hierüber flüssiges Medium2 von dem einen Bereich in den anderen Bereich gelangt. Dies gilt nicht für die Gasblasen, da die Einblasstelle9 oberhalb der Öffnung11 angeordnet ist und die Gasblasen aufgrund des Auftriebs aufsteigen. Die Öffnung12 ist demgegenüber in einem Deckenbereich20 des Tankinnenraums3 angeordnet, und zwar dort, wo sich verdampftes Medium2 sammelt. Somit gibt es eine oben liegende Gaszone im Tankinnenraum3 , die sich oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels13 befindet. Die Öffnung12 gewährleistet den Medienaustausch im Bereich der Gaszone. - Bei der in der
4 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Vorratstanks1 besteht das Trennelement10 aus einer Gitterstruktur14 , die mehrere Öffnungen11 für den Medienaustausch ausbildet (siehe5 ). Die Gitterstruktur14 hat den Effekt, dass im flüssigen Medium2 enthaltene Gasblasen an der Gitterstruktur14 kondensieren, so dass sie nicht in den Bereich der Entnahmestelle7 eingetragen werden. - Der
6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zu entnehmen. Hier wird die Leitung6 durch ein Rohr15 gebildet, das mantelseitige Öffnungen16 besitzt. Jede Öffnung16 bildet eine Einblasstelle9 aus. Die rückgeführte Gasmenge wird somit auf mehrere Einblasstellen9 verteilt, wodurch viele kleine Gasblasen in das flüssige Medium2 eingetragen werden. Dadurch vergrößert sich die Oberfläche des Gasvolumens, was zur Folge hat, dass sich dieses schneller abkühlt. - In Weiterbildung des Vorratstanks
1 der6 kann - wie in der7 dargestellt - das Rohr15 im Bereich der Öffnungen16 von einer Struktur17 umgeben sein, die vorliegend durch eine Metallfaserstruktur ausgebildet wird. Diese hat den Effekt, dass Gasblasen an den Metallfäden kondensieren. - Um zu verhindern, dass flüssiges Medium
2 über die Einblasstelle9 und die Leitung6 aus dem Vorratstank1 abströmt, ist in der Leitung6 ein Rückschlagventil19 angeordnet (siehe1 ,2 ,4 und6 ). Ein Rückschlagventil19 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da über die jeweiligen Druckverhältnisse ebenfalls ein Abströmen des flüssigen Mediums2 aus dem Vorratstank1 verhindert werden kann. - Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern erstreckt sich im Umfang der Ansprüche auch auf Abwandlungen, insbesondere auf Unterkombinationen von Merkmalen der dargestellten Ausführungsformen.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 10105819 A1 [0003]
Claims (11)
- Vorratstank (1) für ein kyrogenes Medium (2), insbesondere für flüssiges Erdgas, umfassend eine einen Tankinnenraum (3) begrenzende Tankwandung (4), durch die mindestens eine erste Leitung (5) und eine zweite Leitung (6) in den Tankinnenraum (3) geführt sind, wobei die erste Leitung (5) der Entnahme des Mediums (2) in flüssiger Form dient und eine Entnahmestelle (7) definiert, die in einem Bodenbereich (8) des Tankinnenraums (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (6) der Rückführung einer gasförmigen Leckagemenge des Mediums (2) dient und mindestens eine Einblasstelle (9) definiert, die in einem Abstand (a) zur Entnahmestelle (7) ebenfalls im Bodenbereich (8) angeordnet ist.
- Vorratstank (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Tankinnenraum (3) eine längliche, vorzugsweise zylindrische Form besitzt und der Abstand (a) sich in Längsrichtung des Tankinnenraums (3) erstreckt, wobei vorzugsweise der Abstand (a) größer als ein Durchmesser (D) des Tankinnenraums (3) ist. - Vorratstank (1) nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (5) und die zweite Leitung (6) an sich gegenüberliegenden Enden des Vorratstanks (1) durch die Tankwandung (4) in den Tankinnenraum (3) geführt sind. - Vorratstank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Entnahmestelle (7) und der Einblasstelle (9) ein Trennelement (10) angeordnet ist, das im Wesentlichen quer zur Längserstreckung des Tankinnenraums (3) verläuft und zumindest abschnittsweise an der Tankwandung (4) anliegt.
- Vorratstank (1) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (10) mindestens eine für das Medium (2) durchlässige Öffnung (11) aufweist, die gegenüber der Einblasstelle (9) geodätisch tiefer liegend angeordnet ist. - Vorratstank (1) nach
Anspruch 4 oder5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (10) mindestens eine für das Medium (2) durchlässige Öffnung (12) aufweist, die oberhalb eines Flüssigkeitsspiegels (13) im Tankinnenraum (3) angeordnet ist. - Vorratstank (1) nach einem der
Ansprüche 4 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (10) zumindest abschnittsweise aus einer Gitterstruktur (14) gebildet ist. - Vorratstank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitung (6) zumindest abschnittsweise als Rohr (15) ausgeführt ist, das mehrere umfangseitig angeordnete Öffnungen (16) aufweist, von denen jede eine Einblasstelle (9) definiert.
- Vorratstank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einblasstelle (9) tankinnenraumseitig von einer für das Medium (2) durchlässigen Struktur (17), insbesondere von einer Metallfaserstruktur, überdeckt wird.
- Vorratstank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (5) mit einer Pumpe (18) verbunden ist, die vorzugsweise außen am Vorratstank (1) angeordnet ist.
- Vorratstank (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Leitung (6) ein Rückschlagventil (19) angeordnet ist, das in Richtung des Tankinnenraums (3) öffnet.
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