DE10322117A1 - Cryo container especially for a motor vehicle fuel tank holding fluid gas such as liquid hydrogen has outer and insulated inner tanks and thermally conductive heat exchange system - Google Patents

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Abstract

A cryo-container with a heat exchange system, especially a fluid gas fuel tank for a motor vehicle, comprises an outer (2) and a supported (7) inner (3) tank with an insulated intermediate space (3). The heat exchanger comprises a heat conductive/transmissive means (11).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kryobehälter mit Wärmetauschersystem, insbesondere einen Flüssiggas-Kraftstofftank für Kraftfahrzeuge, nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The Invention relates to a cryogenic container with heat exchanger system, especially a liquid gas fuel tank for motor vehicles, according to the features of the preamble of claim 1.

Die bekannten Flüssiggas-Kryobehälter, wie beispielsweise Flüssiggas-Kraftsttanks für Kraftfahrzeuge, bestehen aus einem das tiefkalte Flüssiggas, wie z.B. Flüssigwasserstoff oder Erdgas, bevorratenden Innenbehälter und einen – durch einen Isolationsraum von dem Innenbehälter getrennt angeordneten – Außenbehälter.The known liquid gas cryogenic containers, such as LPG fuel tanks for motor vehicles, consist of a cryogenic liquid gas, e.g. Liquid hydrogen or natural gas, a storage inner container and a - through an isolation space arranged separately from the inner container - outer container.

Der Innenbehälter ist mit durch den Isolationsraum geführte Abstützungen an der Innenwand des Außenbehälters befestigt.The inner container is with supports on the inner wall of the insulation External container attached.

Die aus der Umgebung des Kryobehälters hauptsächlich über die Abstützungen, in die im Innenbehälter lagernde kryogene Flüssigkeit eingetragene Wärmeenergie wird durch die in die kryogene Flüssigkeit einmündenden Enden der Abstützungen in die kryogene Flüssigkeit verteilt, wodurch dann in der kryogenen Flüssigkeit und in der im oberen Behälterbereich befindlichen Gasphase eine Temperaturschichtung vorliegt.The from the vicinity of the cryocontainer mainly via the supports, in the in the inner container stored cryogenic liquid registered heat energy is by the flowing into the cryogenic liquid Ends of supports in the cryogenic liquid distributed, which then in the cryogenic liquid and in the upper container region temperature layer is present in the gas phase.

Unabhängig vom thermodynamischen Gesamtzustand des Tankinhaltes, ist der Siedezustand der Grenzfläche zwischen Gas- und Flüssigphase bestimmend für den Druckzustand des gesamten Inhaltes.Independent of overall thermodynamic state of the tank content, is the boiling state of the interface determining between gas and liquid phase for the Print status of the entire content.

Die durch diese Schichtbildung entstehende Druckaufbauzeit ist deutlich niedriger als unter idealen Verhältnissen (ohne Schichtung ) und entspricht nicht dem thermodynamischen Gesamtzustand. Das führt nach kurzer Zeit zum Ansprechen der Sicherheitsventile bzw. zu unnötigen Gasverlusten.The the pressure build-up time resulting from this layer formation is clear lower than under ideal conditions (without stratification) and does not correspond to the overall thermodynamic state. Leading after a short time for the safety valves to respond or for unnecessary gas losses.

Um diese unnötigen Gasverluste während der Druckaufbauphase durch Temperaturschichtung im Speichermedium zu verhindern, sind die bekannten Kryobehälter mit einem im Innenbehälter angeordneten, im Aufbau und in der Funktionsweise unterschiedlichen Wärmetauschersystemen ausgerüstet.Around these unnecessary Gas losses during the Pressure build-up phase due to temperature stratification in the storage medium prevent the known cryogenic containers with an arranged in the inner container, different heat exchanger systems in terms of structure and functionality equipped.

Beispielsweise sind Flüssiggas-Kryobehälter mit folgenden Wärmetauschersystemen bekannt:

  • – In den Innenbehälter angeordnete Wärmeleiter
  • – Im Innenbehälter angeordnete, wärmeisolierte Wärmeleiter mit endseitigen Wärmeaustauschflächen
  • – Im Innenbehälter auf der Grenzschicht zwischen der kryogenen Flüssigkeit und der Gasphase schwimmende Isolator/en, wie z.B. Schäume
  • – Im Innenbehälter angeordnete Rührwerke.
For example, liquid gas cryogenic containers with the following heat exchanger systems are known:
  • - Heat conductors arranged in the inner container
  • - Insulated heat conductors arranged in the inner container with heat exchange surfaces at the end
  • - Insulator (s) floating in the inner container on the boundary layer between the cryogenic liquid and the gas phase, such as foams
  • - Agitators arranged in the inner container.

Diese Kryobehälter mit Wärmetauschersystem sind aber für spezielle Einsatzzwecke, wie beispielsweise als Flüssiggas-Kraftstoffspeicher in Kraftfahrzeugen, auf Grund ihrer geringen Effektivität bzw. ihres zu hohen Kostenaufwands oder aus anderen Gründen ungeeignet.This cryocontainers with heat exchanger system are for special applications, such as LPG fuel storage in motor vehicles, due to their low effectiveness or their unsuitable for high costs or for other reasons.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabenstellung zugrunde, einen Kryobehälter mit einem Wärmetauschersystem zu schaffen, bei dem die aus der Behälterumgebung in das Speichermedium eingetragene Wärmeenergie in dem Speichermedium derart verteilt wird, dass eine intensive Durchmischung des Speichermediums und dadurch ein kontrollierter Druckaufbau erfolgt.The The invention is therefore based on the task of having a cryogenic container a heat exchanger system to create where the from the container environment in the storage medium registered heat energy is distributed in the storage medium in such a way that an intensive Mixing of the storage medium and thereby a controlled pressure build-up he follows.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kryobehälter mit Wärmetauschersystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.The The object is achieved by a cryogenic container with heat exchanger system solved with the features of claim 1.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Further Embodiments of the invention are described in the subclaims.

Der erfindungsgemäße, besonders vorteilhaft als Flüssiggas-Kraftstofftank in Kraftfahrzeugen einsetzbare Kryobehälter weist ein Wärmetauschersystem aus, das aus in dem zwischen Außen- und Innenbehälter ausgebildeten Isolationsraum geführten und durch Öffnungen der Innenbehälterwand in das in dem Innenbehälter lagernde Speichermedium einmündenden Wärmeleitern, von denen jeweils zwei entgegengesetzt angeordnete Enden mit jeweils einem im Innenbehälter angeordneten Wärmeübertragungsmittel verbunden sind, besteht.The inventive, especially advantageous as a liquid gas fuel tank Cryogenic containers that can be used in motor vehicles have a heat exchanger system out that out in the between outside and inner container trained isolation room led and through openings the inner container wall into that in the inner container flowing storage medium Heat conductors, each of which has two oppositely arranged ends, each with one in the inner container arranged heat transfer medium are connected.

Vorteilhaft wird das in der gasförmigen Phase des Kopfbereich im Kryobehälter angeordnete Wärmeübertragungsmittel als Wärmekollektor und das in der flüssigen Phase im Bodenbereich des Kryo-Behälters angeordnete Wärmeübertragungsmittel als üblicher Wärmeverteiler eingesetzt.Advantageous will that in the gaseous Phase of the head area in the cryocontainer arranged heat transfer means as a heat collector and that in the liquid Phase arranged in the bottom area of the cryogenic container Heat transfer medium than usual heat spreader used.

Das erfindungsgemäße Wärmetauschersystem ist so gewählt, dass die aus der Behälterumgebung – größtenteils durch die den Außen- und Innenbehälter miteinander verbindenden Abstützungen – aber auch durch die Außen- und Innenbehälterwand in das im Innenbehälter bevorratete Speichermedium eingetragene Wärmeenergie im Speichermedium gleichmäßig verteilt und somit das Speichermedium gleichmäßig erwärmt und intensiv durchmischt wird.The heat exchanger system according to the invention is chosen that from the container environment - for the most part through which the foreign and inner container interconnecting supports - but also through the foreign and inner container wall in that in the inner container stored storage medium evenly distributed heat energy in the storage medium and thus the storage medium is heated evenly and mixed thoroughly becomes.

Dazu ist das Wärmetauschersystem des Kryobehälters so ausgebildet, dass bereits bei einem im Innenbehälter gelagerten flüssigen und gasförmigen Speichermedium auftretenden Temperaturunterschied von etwa 1 Grad Kelvin eine der aus der Behälterumgebung in das Speichermedium eingetragenen Wärmeenergie entsprechende Menge an Wärmeenergie aus der oberhalb des flüssigen Speichermediums vorhandenen, die höchste Temperatur aufweisende Gasphase in das im unteren Behälterbereich lagernde, die niedrigste Temperatur aufweisende, flüssige Speichermedium eingetragen wird.For this purpose, the heat exchanger system of the cryocontainer is designed in such a way that even with a liquid and gaseous substance stored in the inner container temperature difference of approx. 1 degree Kelvin occurring in the storage medium is a quantity of heat energy corresponding to the heat energy entered into the storage medium from the container environment from the gas phase above the liquid storage medium, which has the highest temperature, into the liquid storage medium which is stored in the lower container area and has the lowest temperature is entered.

Die durch den Wärmeeintrag in das unterhalb der Abstützungen lagernde Flüssiggas in diesem erzeugte vertikal strömende Wärmeenergie führt zu einer intensiven Durchmischung des Flüssiggases bis zum Temperaturausgleich innerhalb des flüssigen und gasförmigen, sowie zwischen dem flüssigen und gasförmigen Speichermedium.The through the heat input in the below the supports stored LPG generated in this vertically flowing Thermal energy leads to one intensive mixing of the liquid gas up to temperature compensation within the liquid and gaseous, as well as between the liquid and gaseous Storage medium.

Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Kryobehälters mit Wärmetauschersystem kommen besonders vorteilhaft bei einem Behälterdurchmesser von größer als 500 mm, wie beispielsweise bei einem aus der DE 100 40 679 A1 (MG2368) bekannten, zur druckgeregelten Versorgung eingesetzten Füssiggastank, zum Tragen.The advantageous properties of the cryocontainer according to the invention with a heat exchanger system are particularly advantageous in the case of a container diameter of greater than 500 mm, such as, for example, one from DE 100 40 679 A1 (MG2368) known liquid gas tank used for pressure-controlled supply, for carrying.

Die als Wärmetauschersystem im erfindungsgemäßen Kryobehälter eingesetzten Wärmeleiter und Wärmeübertragungsmittel bestehen vorteilhaft aus kostengünstigem wärmeleitfähigem Material wie Metall, das Wärmeleitmittel besonders vorteilhaft aus großflächig ausgebildetem Blech.The as a heat exchanger system used in the cryocontainer according to the invention heat conductor and heat transfer medium consist advantageously of inexpensive thermally conductive material like metal, the thermal conductor particularly advantageous from large-area Sheet.

Beim erfindungsgemäßen Kryobehälter ist nicht mehr die aus der Behälterumgebung in das im Innenbehälter bevorrateten Speichermedium eingetragenen Wärmeenergie für den Druckaufbau im Innenbehälter ausschlaggebend, sondern ausschließlich der jeweilige Siedezustand des Flüssiggases an der Grenzschicht zur Gasphase.At the cryogenic container according to the invention is not more those from the container environment into that in the inner container stored storage medium registered heat energy for pressure build-up in the inner container decisive, but only the respective boiling state of the liquid gas at the interface with the gas phase.

Der erfindungsgemäße Kryobehälter mit Wärmetauschersystem zeichnet sich durch einen kontrollierten Druckaufbau, ein intensives Durchmischen des Speichermediums und eine höhere Speicherkapazität auf.The Cryogenic container according to the invention with a heat exchanger system is characterized by a controlled pressure build-up, an intense one Mixing of the storage medium and a higher storage capacity.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.following the invention is based on an embodiment shown in the drawing explained in more detail.

In der einzigen 1 der Zeichnung ist ein Kryobehälter 1 mit Wärmetauschersystem, in Form eines Flüssigwasserstoff-Kraftstofftanks für Kraftfahrzeuge, schematisch dargestellt.In the only one 1 the drawing is a cryocontainer 1 with heat exchanger system, in the form of a liquid hydrogen fuel tank for motor vehicles, shown schematically.

Der aus Übersichtsgründen ohne Kraftstoffversorgung dargestellte Kryobehälter 1 besteht aus einem Außenbehälter 2 und einem durch einen Isolationsraum 3 von dem Außenbehälter 2 getrennt angeordneten, mit Flüssigwasserstoff LH2 gefüllten Innenbehälter 4.The cryogenic container shown for reasons of clarity without fuel supply 1 consists of an outer container 2 and one through an isolation room 3 from the outer container 2 Separately arranged inner container filled with liquid hydrogen LH2 4 ,

Der Innenbehälter 4 ist mittels zwei an der Innenwand des Außenbehälters 2 befestigte, durch den Isolationsraum 3 geführte und durch in der Wand des Innenbehälters 4 ausgebildete Öffnungen 5, 6 in den Innenraum des Innenbehälters 4 einmündende Abstützungen 7 in seiner Lage stabilisiert.The inner container 4 is by means of two on the inner wall of the outer container 2 fortified, through the isolation room 3 guided and through in the wall of the inner container 4 trained openings 5 . 6 in the interior of the inner container 4 confluent supports 7 stabilized in its position.

Weiterhin sind im Isolationsraum 3 des Kryobehälters 1 zwei Wärmeleiter 8 angeordnet, die durch jeweils eine im oberen und unteren Wandbereich des Innenbehälters 4 ausgebildete Öffnung 9, 10 in den Innenbehälter 4 einmünden. Die beiden Wärmeleiter 8 sind endseitig mit einem Wärmeübertragungsmittel 11 zu einem im Innenbehälter 4 angeordneten Wärmetauschersystem verbunden.Furthermore are in the isolation room 3 of the cryocontainer 1 two heat conductors 8th arranged, each by one in the upper and lower wall area of the inner container 4 trained opening 9 . 10 in the inner container 4 open out. The two heat conductors 8th are at the end with a heat transfer medium 11 to one in the inner container 4 arranged heat exchanger system connected.

Das vorteilhaft als Wärmekollektor eingesetzte Wärmeübertragungsmittel 11 ist in der – oberhalb des Flüssigwasserstoffs ausgebildeten – gasförmigen Phase im Kopfbereich im Innenbehälter 4 des Kryobehälters 1 angeordnet. Die von diesem aufgenommene Wärme wird über jeden Wärmeleiter 8 an das, vorteilhaft als Wärmeverteiler im Flüssigwasserstoff im Bodenbereich im Innenbehälter 4 des Kryobehälters 1 eingesetzte Wärmeübertragungsmittel 11 geleitet und in dem unteren Behälterbereich verteilt.The heat transfer medium advantageously used as a heat collector 11 is in the gaseous phase - formed above the liquid hydrogen - in the head area in the inner container 4 of the cryocontainer 1 arranged. The heat absorbed by this is over each heat conductor 8th to that, advantageously as a heat distributor in the liquid hydrogen in the bottom area in the inner container 4 of the cryocontainer 1 heat transfer medium used 11 passed and distributed in the lower container area.

Die Wärmeleiter 8 und die Wärmeübertragungsmittel 11 bestehen vorteilhaft aus kostengünstigem Metall, die Wärmeübertragungsmittel 11 besonders vorteilhaft aus großflächig ausgebildetem Blech.The heat conductor 8th and the heat transfer medium 11 advantageously consist of inexpensive metal, the heat transfer medium 11 particularly advantageous from large-area sheet metal.

Das aus miteinander verbundenen Wärmeleiter 8 und den Wärmeübertragungsmitteln 11 bestehende Wärmetauschersystem ist so gewählt, dass die aus der Umgebung des Kryobehälters 1 – größtenteils durch die Abstützungen 7 – aber auch durch die gesamte Wandfläche des Außen- und Innenbehälters 2, 4 in den Flüssigwasserstoff eingetragene Wärmeenergie im Speichermedium gleichmäßig verteilt wird, sodass das Flüssiggas und die – durch teilweises Verdampfen von Flüssiggas oberhalb des Flüssiggases ausgebildete – Gasphase annähernd gleiche Temperaturen aufweisen.The interconnected heat conductor 8th and the heat transfer means 11 Existing heat exchanger system is selected so that it comes from the environment of the cryogenic container 1 - mostly through the supports 7 - but also through the entire wall surface of the outer and inner container 2 . 4 heat energy introduced into the liquid hydrogen is distributed uniformly in the storage medium, so that the liquid gas and the gas phase formed by partial vaporization of liquid gas above the liquid gas have approximately the same temperatures.

Mittels des erfindungsgemäßen Wärmetauschersystems wird – bereits bei einem zwischen dem Flüssigwasserstoff und der Gasphase vorhandenen Temperaturunterschied von etwa 1 Grad Kelvin – eine der aus der Umgebung des Kryobehälters 1 in den Innenbehälter 4 eingetragenen Wärmeenergiemenge äquivalente Wärmeenergiemenge aus der Gasphase in das Flüssiggas eingebracht.By means of the heat exchanger system according to the invention, one of those from the environment of the cryocontainer is used - already at a temperature difference of approximately 1 degree Kelvin between the liquid hydrogen and the gas phase 1 in the inner container 4 the equivalent amount of heat energy introduced from the gas phase into the liquid gas.

Dazu wird die aus der Umgebung des Kryobehälters 1 über die Abstützungen 7 in den Flüssigwasserstoff eingetragene Wärmeenergie der oberhalb des Flüssiggases im oberen Bereich des Innenbehälters 4 ausgebildeten Gasphase zugeführt und von den in diesem Bereich angeordneten Wärmeübertragungsmitteln 11 aufgenommen.This is done from the environment of the cryocontainer 1 about the supports 7 thermal energy entered in the liquid hydrogen above the liquid gas in the upper region of the inner container 4 trained gas phase and supplied by the heat transfer means arranged in this area 11 added.

Die von dem im Gasphasenbereich des Innenbehälters 4 als Wärmekollektor angeordneten Wärmeübertragungsmittel 11 aufgenommene Wärmenergie wird über die Wärmeleiter 8 mittels des im Niedrigtemperaturbereich des Flüssigwasserstoffs im Bodenbereich des Innenbehälters 4 als Wärmeverteiler angeordneten Wärmeübertragungsmittel 11 in den Flüssigwasserstoff eingetragen.The one in the gas phase area of the inner container 4 arranged as a heat collector 11 absorbed thermal energy is via the heat conductor 8th by means of in the low temperature area of the liquid hydrogen in the bottom area of the inner container 4 arranged as a heat spreader 11 entered in the liquid hydrogen.

Durch den im Bereich unterhalb der im Innenbehälter 4 einmündenden Abstützungen 7 im Flüssigwasserstoff erfolgenden Temperaturaustausch wird im Flüssigwasserstoff eine vertikale Wärmeströmung erzeugt, mittels der der Flüssigwasserstoff intensiv gemischt wird bis zum vollständigen Temperaturausgleich zwischen der Gasphase und dem Flüssigwasserstoff.By in the area below that in the inner container 4 confluent supports 7 A vertical heat flow is generated in the liquid hydrogen in the liquid exchange, by means of which the liquid hydrogen is mixed intensively until the temperature is completely equalized between the gas phase and the liquid hydrogen.

Dazu ist das im Innenbehälter 4 des Kryobehälters 1 angeordnete Wärmetauschersystem so ausgelegt, dass der Wärmeaustausch zwischen der Gasphase und dem Flüssiggas bereits bei einem zwischen der Gasphase und dem Flüssiggas bestehenden Temperaturunterschied von etwa 1 Grad Kelvin erfolgt.This is in the inner container 4 of the cryocontainer 1 arranged heat exchanger system designed so that the heat exchange between the gas phase and the liquid gas already takes place at a temperature difference between the gas phase and the liquid gas of about 1 degree Kelvin.

11
Kryobehältercryocontainers
22
Außenbehälterouter container
33
Isolationsrauminsulation space
44
Innenbehälterinner container
55
Öffnungopening
66
Öffnungopening
77
Abstützungsupport
88th
Wärmeleiterheat conductor
99
Öffnungopening
1010
Öffnungopening
1111
Wärmeübertragungsmittel (Wärmekollektor, WärmeleiteHeat transfer medium (Heat collector, heat conduction

Claims (7)

Kryobehälter mit Wärmetauschersystem, insbesondere Flüssiggas-Kraftstofftank für Kraftfahrzeuge, mit einem Außen- und Innenbehälter, wobei der durch einen Isolationsraum getrennt von dem Außenbehälter angeordnete, das Flüssiggas aufnehmende Innenbehälter mit mindestens einer Abstützung an der Innenwand des Außenbehälters befestigt und mit einem Wärmetauschersystem ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauschersystem aus einer Wärmeleiter-/-übertragungsmittel -Anordnung (8, 11) besteht.Cryogenic container with heat exchanger system, in particular liquid gas fuel tank for motor vehicles, with an outer and inner container, the inner container, which is separated from the outer container by an insulation space and which holds the liquid gas and is equipped with at least one support on the inner wall of the outer container and is equipped with a heat exchanger system, characterized in that the heat exchanger system consists of a heat conductor / transfer means arrangement ( 8th . 11 ) consists. Kryobehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Isolationsraum (3) angeordneten Wärmeleiter (8) endseitig durch in der Wand des Innenbehälters (4) ausgebildete Öffnungen (5, 6) in den Innenbehälter (4) einmünden.Cryogenic container according to claim 1, characterized in that the in the isolation space ( 3 ) arranged heat conductor ( 8th ) at the end through in the wall of the inner container ( 4 ) trained openings ( 5 . 6 ) in the inner container ( 4 ) flow into. Kryobehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei in den Innenbehälter (4) einmündende Enden jedes Wärmeleiters (8) mit einem Wärmeübertragungsmittel (11) verbunden sind.Cryogenic container according to claim 1 or 2, characterized in that two in each case in the inner container ( 4 ) ends of each heat conductor ( 8th ) with a heat transfer medium ( 11 ) are connected. Kryobehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder, vorzugsweise im oberen und unteren Bereich der Stirnwand des Innenbehälters (4) einmündende Wärmeleiter (8) aus einem wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise aus Metall, besteht.Cryogenic container according to one of claims 1 to 3, characterized in that each, preferably in the upper and lower region of the end wall of the inner container ( 4 ) outflowing heat conductor ( 8th ) consists of a thermally conductive material, preferably metal. Kryobehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmeübertragungsmittel (11) aus einem wärmeleitfähigen Material, vorzugsweise aus Metall, besteht.Cryogenic container according to one of Claims 1 to 3, characterized in that each heat transfer medium ( 11 ) consists of a thermally conductive material, preferably metal. Kryobehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmeübertragungsmittel (11) vorzugsweise aus großflächig ausgebildetem Blech besteht.Cryogenic container according to claim 5, characterized in that each heat transfer means ( 11 ) preferably consists of sheet metal formed over a large area. Kryobehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung als Speichertank in einer druckgeregelten Flüssiggas-Versorgung.cryocontainers according to one of the claims 1 to 6, characterized by the use as a storage tank in a pressure-controlled liquid gas supply.
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