DE10352568B4 - Pressure vessel with low heat input for condensed gases - Google Patents

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Abstract

Druckbehälter für kondensierte Gase, zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter (1) zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter (2) gehalten wird, wobei zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) ein entweder unter Wärmeabgabe oder unter Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführendes Wärmeträgermittel (6) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leitung zur Führung von Wärmeträgermittel (6) durch den Innenbehälter (1) verläuft.Condensed-gas pressure vessel for use as a storage for an equipment of a power plant of a motor vehicle, comprising at least one inner tank (1) for receiving a condensed gas, which is heat-insulated in an outer tank (2), wherein between inner tank (1) and outer tank (2) a heat transfer medium (6) carrying out a phase change either with heat release or heat absorption is introduced, characterized in that at least one line for guiding heat transfer medium (6) passes through the inner container (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter, insbesondere einen Kryotank, zur Speicherung von kondensierten Gasen nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs und Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter sowie ein Verfahren zum Erwärmen von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter.The invention relates to a pressure vessel, in particular a cryotank, for storing condensed gases according to the preamble of the first claim and method for keeping cold condensed gas in a pressure vessel and a method for heating condensed gas in a pressure vessel.

Aus der EP 1 179 702 A1 ist bereits bekannt, mehrwandige Druckbehälter zusammenzusetzen und diese fest ineinander, mittels Befestigungen zu fixieren.From the EP 1 179 702 A1 It is already known to assemble multi-walled pressure vessels and to firmly fix them in one another by means of fasteners.

Druckbehälter zur Speicherung von kondensierten Gasen benötigen aufgrund der tiefen Speichertemperaturen eine sehr gute Isolation. Zur Vermeidung von Wärmeeintrag aus der Umgebung ist bereits bekannt, dass die Befestigungen vorzugsweise aus schlecht wärmeleitenden Stoffen bestehen. Des Weiteren ist ebenfalls bekannt, zur Speicherung von kondensierten Gasen doppelwandige vakuumisolierte Behälter zu verwenden. Zur weiteren Verbesserung der Isolationseigenschaften sind in den evakuierten Zwischenraum zusätzlich Isolationsfolien oder Mikrohohlglaskugeln eingebracht.Pressure vessels for storing condensed gases require very good insulation due to the low storage temperatures. To avoid heat input from the environment is already known that the fasteners preferably consist of poor thermal conductivity materials. Furthermore, it is also known to use double-walled vacuum-insulated containers for storing condensed gases. To further improve the insulating properties insulation foils or hollow glass microspheres are additionally introduced into the evacuated space.

Vielschichtisolationen bedeuten einen höheren Fertigungsaufwand und höhere Kosten, wobei zusätzlich noch eine Aufhängung für den Innenbehälter benötigt wird, über die durch Festkörperwärmeleitung ein erheblicher Wärmeeintrag stattfindet. Da bei der Aufhängung für den Innenbehälter die Krafteinleitung nur lokal erfolgt, muss sowohl der Innen- als auch der Außenbehälter im Aufhängungsbereich verstärkt werden, was zu einem höheren Gewicht führt.Multi-layer insulation means a higher production cost and higher costs, in addition, a suspension for the inner container is required through which a substantial heat input takes place through solid-state heat conduction. Since the suspension for the inner container, the force application takes place only locally, both the inner and the outer container in the suspension area must be reinforced, resulting in a higher weight.

Eine Isolation durch Mikrohohlglaskugeln ist zwar preiswert, isoliert aber etwa zehnmal schlechter als die Vielschichtisolation und ist daher für kleinere Druckbehälter zur Speicherung von kondensierten Gasen ungenügend.Although an insulation by hollow glass microspheres is inexpensive, but isolated about ten times worse than the multilayer insulation and is therefore insufficient for smaller pressure vessels for the storage of condensed gases.

Die DE 100 52 856 A1 zeigt einen kryogenen Speichertank für kondensierte Gase, bestehend aus einem Innenbehälter zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird, wobei zwischen Innenbehälter und Außenbehälter ein entweder unter Wärmeabgabe oder unter Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführendes Wärmeträgermittel eingebracht ist. Entsprechende Ausbildungen eines kryogenen Speichertanks sind auch in der DE 676 863 A und in der US 5 005 362 A beschrieben.The DE 100 52 856 A1 shows a cryogenic storage tank for condensed gases, consisting of an inner container for receiving a condensed gas, which is thermally insulated held in an outer container, wherein between inner container and outer container is introduced either a heat release or under heat absorption a phase change performing heat transfer medium. Corresponding embodiments of a cryogenic storage tank are also in the DE 676 863 A and in the US 5 005 362 A described.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckbehälter für kondensierte Gase zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, der bei möglichst einfachem Aufbau, einen möglichst geringen Wärmeeintrag zulässt. Außerdem sollen Verfahren zum effektiven Kalthalten und Erwärmen des kondensierten Gases in einem solchen Druckbehälter vorgestellt werden.The object of the invention is to provide a pressure vessel for condensed gases for use as storage for a resource of a drive unit of a motor vehicle, which allows the simplest possible heat input with the simplest possible structure. In addition, methods for effective cold holding and heating of the condensed gas in such a pressure vessel will be presented.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 sowie 3 bis 6 gelöst.The object is achieved with the features of claims 1 and 3 to 6.

Nach der Erfindung besteht ein Druckbehälter für kondensierte Gase, insbesondere ein Kryotank, zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird, wobei zwischen Innenbehälter und Außenbehälter ein entweder unter Wärmeabgabe oder unter Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführendes Wärmeträgermittel eingebracht ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Leitung zur Führung von Wärmeträgermittel durch den Innenbehälter verläuft. Dadurch kann für den Fahrbetrieb durch Erhöhung des Druckes einfacher kaltes Gas aus dem Innenbehälter entnommen werden.According to the invention a pressure vessel for condensed gases, in particular a cryotank, for use as a memory for a resource of a drive assembly of a motor vehicle, at least an inner container for receiving a condensed gas, which is thermally insulated in an outer container, wherein between inner container and outer container a is introduced either heat release or heat absorption phase change carrying heat transfer agent. The invention is characterized in that at least one line for guiding heat transfer medium passes through the inner container. As a result, it is easier to remove cold gas from the inner container for driving by increasing the pressure.

Durch eine solche zusätzliche Isolationsschicht aus Materialien, die bei einer bestimmten Temperatur ihren Aggregatszustand wechseln können, kann vorteilhafterweise zusätzlich Wärme aufgenommen werden. Bei möglichst einfachem Aufbau des Druckbehälters, lässt dieser so einen möglichst geringen Wärmeeintrag in den Innenbehälter zu.By such an additional insulating layer of materials that can change their state of aggregation at a certain temperature, advantageously additional heat can be absorbed. With the simplest possible construction of the pressure vessel, this allows as little as possible heat input into the inner container.

Diese Wärmeträgermittelschicht aus Phasenwechselmaterial (PCM) kann zwischen den Isolationsfolien, die in Druckbehältern nach dem Stand der Technik den Wärmeeintrag durch Strahlung reduzieren, eingebracht sein. Durch diese Anordnung kann vorteilhafterweise die Phasenübergangstemperatur über die Lage zwischen den einzelnen Isolationsfolien eingestellt werden.This heat transfer medium layer of phase change material (PCM) can be introduced between the insulating films, which reduce the heat input by radiation in pressure vessels according to the prior art. By means of this arrangement, the phase transition temperature can advantageously be adjusted via the position between the individual insulation films.

Da das Wärmeträgermittel nach der Phasenumwandlung in flüssiger Form vorliegt, kann es alternativ auch in einem zusätzlichen Tank, oder aber in mikroverkapselter Form direkt in der Isolationsschicht gelagert werden. Die Einlagerung in die Isolationsschicht bietet neben der Vereinfachung der benötigten Bauteile auch eine leichtere Handhabung.Since the heat transfer medium is in liquid form after the phase transformation, it can alternatively be stored directly in the insulation layer in an additional tank or else in microencapsulated form. The inclusion in the insulation layer offers in addition to the simplification of the required components and easier handling.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist mindestens eine Leitung zur Entnahme von Betriebsmittel so aus dem Innenbehälter zum Antriebsaggregat geführt, dass das Wärmeträgermittel im Zwischenraum zwischen Innen- und Außenbehälter durch das Betriebsmittel bei dessen Entnahme gekühlt wird.In a preferred embodiment of the invention, at least one line for the removal of equipment is guided from the inner container to the drive unit, that the heat transfer medium is cooled in the space between the inner and outer container by the resource when it is removed.

Vorteilhafterweise kann so der Phasenwechsel des Wärmeträgermittels von flüssig auf fest durch Wärmeentzug mittels des kalten, im Betrieb dem Innenbehälter entnommenen Gases erfolgen, das in einer Leitung durch die Isolationsschicht geleitet wird. Zur Erhöhung der Oberfläche kann eine Schicht aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Kupfer verwendet werden, an dem die Leitung und/oder die Wärmeträgermittelschicht anliegt. Advantageously, so can the phase change of the heat transfer medium from liquid to solid by heat removal by means of the cold, taken during operation of the inner container gas, which is passed in a line through the insulating layer. To increase the surface, a layer of good heat-conducting material, for. B. copper can be used, on which the line and / or the heat transfer medium layer is applied.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem erfindungsgemäßen Druckbehälter sieht vor, dass der Phasenwechsel vom festen zum flüssigen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels durch Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter bewirkt wird.The inventive method for keeping cold condensed gas in a pressure vessel according to the invention provides that the phase change from solid to liquid state of the heat transfer medium by heat input from the environment is effected in the space between the inner container and outer container.

Vorteilhafterweise wird so bei abgestelltem Fahrzeug durch das Wärmeträgermaterial ein Wärmeeintrag in den Druckbehälter relativ lange verzögert, da durch den Phasenübergang die eingebrachte Wärme teilweise aufgenommen wird. Es verdampft weniger verflüssigtes Gas, was die Standzeit erhöht.Advantageously, when the vehicle is turned off, a heat input into the pressure vessel is delayed by the heat carrier material for a relatively long time, since the introduced heat is partially absorbed by the phase transition. It evaporates less liquefied gas, which increases the service life.

Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels durch Wärmeabgabe aus dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter an das durch den Zwischenraum vom Innenbehälter zum Antriebsaggregat geführte Betriebsmittel bewirkt wird.Another advantageous method for keeping cold condensed gas in a pressure vessel is characterized in that the phase change from liquid to solid state of the heat transfer medium by heat transfer from the space between the inner container and outer container to the guided through the gap from the inner container to the drive unit resources is effected.

Auf diese Weise lässt sich das Wärmeträgermittel im Fahrbetrieb auf einfache Weise wieder regenerieren. Während des Fahrbetriebs wird kaltes Gas aus dem Innenbehälter entnommen. Mit diesem Gas kann die Wärmeträgermittelschicht gekühlt werden, die so ihren Aggregatzustand von flüssig auf fest wechselt.In this way, the heat transfer medium can easily regenerate while driving again. During driving cold gas is removed from the inner container. With this gas, the heat transfer medium layer can be cooled, which changes their state of matter from liquid to solid.

Alternativ kann auch das kondensierte Gas im Druckbehälter erwärmt werden, indem der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels durch Wärmeabgabe des durch den Innenbehälter geführten Wärmeträgermittels an das im Innenbehälter befindliche Betriebsmittel bewirkt wird.Alternatively, the condensed gas can be heated in the pressure vessel by the phase change from the liquid to the solid state of the heat transfer medium by heat dissipation of the guided through the inner container heat transfer medium to the in-inner container resources is effected.

Vorteilhafterweise wird das vom Antriebsaggregat benötigte Betriebsmittel dann zur Kühlung des Zwischenraums zwischen Innenbehälter und Außenbehälter, insbesondere zur Kühlung des dort befindlichen Wärmeträgermittels verwendet, wenn das Antriebsaggregat in Betrieb ist.Advantageously, the operating equipment required by the drive unit is then used to cool the gap between the inner container and the outer container, in particular for cooling the heat transfer medium located there, when the drive unit is in operation.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem Teillängsschnitt ein Beispiel für einen Wandaufbau eines Druckbehälters gemäss der Erfindung.In the following the invention will be further explained with reference to a preferred embodiment. The single figure shows in a partial longitudinal section an example of a wall structure of a pressure vessel according to the invention.

Ein nur ausschnittsweise durch einen Teil seiner Wand dargestellter Innenbehälter 1 ist über nicht dargestellte Mittel in einem ebenfalls nur ausschnittsweise dargestellten Aussenbehälter 2 gehalten.An inner container only partially represented by a part of its wall 1 is not shown means in a likewise only partially illustrated outer container 2 held.

Eine Entnahmeleitung 3 für ein Betriebsmittel des nicht gezeichneten Antriebsaggregats ist vom Innenbehälter 1 her kommend, zum Antriebsaggregat hin verlaufend, zwischen dem Innenbehälter 1 und dem Aussenbehälter 2 geführt.A sampling line 3 for a resource of not shown drive unit is from the inner container 1 Coming, running towards the drive unit, between the inner container 1 and the outer container 2 guided.

Der evakuierte Zwischenraum zwischen Innenbehälter 1 und Aussenbehälter 2 ist, ausgehend von den Behälterwänden, mit einer Vielschichtisolation 5 versehen. In diese ist eine Schicht eines unter Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführenden Wärmeträgermittels 6 eingebracht. Dabei ist die Entnahmeleitung 3 für das kondensierte Gas aus dem Innenbehälter 1 in der Schicht des Wärmeträgermittels 6 geführt.The evacuated space between inner container 1 and outer container 2 is, starting from the container walls, with a multilayer insulation 5 Mistake. In this is a layer of heat transfer or heat absorption phase change carrying heat transfer agent 6 brought in. Here is the sampling line 3 for the condensed gas from the inner container 1 in the layer of the heat transfer medium 6 guided.

Bei nicht in Betrieb befindlichem Antriebsaggregat erfolgt ein Wärmeeintrag über die Wand des Aussenbehälters 2. Durch den Phasenwechsel von fest auf flüssig kann das Wärmeträgermittel 6 eine erhebliche Wärmemenge bei einer bestimmten Temperatur aufnehmen. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Phasenwechsel des Wärmeträgermittels 6 bei möglichst tiefer Temperatur, insbesondere bei 30 bis 80 Kelvin, stattfindet. Bei genügend Wärmeeintrag aus der Umgebung wird das Wärmeträgermittel 6 flüssig und verhindert bis dahin, dass das im Innenbehälter 1 gespeicherte verflüssigte Gas verdampft. Durch die Schicht des Wärmeträgermittels 6 erhöht sich die Standzeit wesentlich.When the drive unit is not in operation, heat is introduced via the wall of the outer container 2 , Due to the phase change from solid to liquid, the heat transfer medium 6 absorb a significant amount of heat at a certain temperature. It is advantageous if the phase change of the heat transfer medium 6 at the lowest possible temperature, especially at 30 to 80 Kelvin takes place. With sufficient heat input from the environment becomes the heat transfer medium 6 liquid and prevented until then, that in the inner container 1 stored liquefied gas evaporates. Through the layer of the heat transfer medium 6 the service life increases significantly.

Wird dann das Antriebsaggregat in Betrieb genommen, wird kaltes Gas aus dem Innenbehälter 1 entnommen und durch die Entnahmeleitung 3 geführt. Mit diesem Gas wird das Wärmeträgermittel 6 wieder abgekühlt und führt dann einen Phasenwechsel vom flüssigen auf einen festen Aggregatzustand aus. Damit ist der Wärmezwischenspeicher wieder regeneriert.If then the drive unit is put into operation, cold gas from the inner container 1 taken and by the sampling line 3 guided. With this gas is the heat transfer medium 6 cooled again and then performs a phase change from the liquid to a solid state of matter. Thus, the heat buffer is regenerated again.

Ein solcher Druckbehälter benötigt nicht so viel Bauraum, da keine zusätzlichen Nebenaggregate nötig sind. Er besitzt eine verlängerte Standzeit durch geringeren Wärmeeintrag, beziehungsweise eine längere Druckaufbauzeit bis zum Abblasen. Die Wärmeträgermittelschicht 6 kann als tragende Zwischenschicht aufgebaut sein, was eine Sandwichbauweise ermöglicht. Alle diese Vorteile bringen zusätzlich noch Gewichtseinsparung und geringere Kosten mit sich.Such a pressure vessel does not require so much space, since no additional ancillaries are needed. It has a longer service life due to lower heat input, or a longer pressure build-up time until blow-off. The heat transfer medium layer 6 can be constructed as a supporting intermediate layer, which allows a sandwich construction. All these advantages also bring weight savings and lower costs.

Claims (6)

Druckbehälter für kondensierte Gase, zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter (1) zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter (2) gehalten wird, wobei zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) ein entweder unter Wärmeabgabe oder unter Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführendes Wärmeträgermittel (6) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leitung zur Führung von Wärmeträgermittel (6) durch den Innenbehälter (1) verläuft.Condensate pressure vessel for use as storage for a resource of a power plant of a motor vehicle, comprising at least one inner vessel ( 1 ) for receiving a condensed gas, the heat-insulated in an outer container ( 2 ), wherein between inner container ( 1 ) and outer container ( 2 ) a heat transfer medium carrying out a phase change either with heat release or with heat absorption ( 6 ), characterized in that at least one line for guiding heat transfer medium ( 6 ) through the inner container ( 1 ) runs. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leitung (3) zur Entnahme von Betriebsmittel so aus dem Innenbehälter (1) zum Antriebsaggregat geführt ist, dass das Wärmeträgermittel (6) im Zwischenraum zwischen Innen- (1) und Außenbehälter (2) durch das Betriebsmittel bei dessen Entnahme gekühlt wird.Pressure vessel according to claim 1, characterized in that at least one line ( 3 ) for removal of resources so from the inner container ( 1 ) is guided to the drive unit, that the heat transfer medium ( 6 ) in the space between inner ( 1 ) and outer container ( 2 ) is cooled by the resource when it is removed. Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel vom festen zum flüssigen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels (6) durch Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Zwischenraum zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) bewirkt wird.Method for keeping cold condensed gas in a pressure vessel according to one of claims 1 or 2, characterized in that the phase change from solid to liquid state of the heat transfer medium ( 6 ) by heat input from the environment into the space between the inner container ( 1 ) and outer container ( 2 ) is effected. Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels (6) durch Wärmeabgabe aus dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) an das durch den Zwischenraum vom Innenbehälter (1) zum Antriebsaggregat geführte Betriebsmittel bewirkt wird.Method for keeping cold condensed gas in a pressure vessel according to one of claims 1 or 2, characterized in that the phase change from the liquid to the solid state of the heat transfer medium ( 6 ) by heat release from the space between inner container ( 1 ) and outer container ( 2 ) to the through the space from the inner container ( 1 ) to the drive unit guided resources is effected. Verfahren zum Erwärmen von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels (6) durch Wärmeabgabe des durch den Innenbehälter (1) geführten Wärmeträgermittels (6) an das im Innenbehälter (1) befindliche Betriebsmittel bewirkt wird.Process for heating condensed gas in a pressure vessel according to one of claims 1 or 2, characterized in that the phase change from the liquid to the solid state of the heat transfer medium ( 6 ) by heat release of the through the inner container ( 1 ) guided heat transfer medium ( 6 ) to that in the inner container ( 1 ) is effected. Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Antriebsaggregat benötigte Betriebsmittel dann zur Kühlung des Zwischenraums zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) verwendet wird, wenn das Antriebsaggregat in Betrieb ist.Method for keeping condensed gas cold in a pressure vessel according to one of claims 1 or 2, characterized in that the equipment required by the drive unit is then used to cool the space between inner containers ( 1 ) and outer container ( 2 ) is used when the drive unit is in operation.
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