DE19816651C2 - Speicheranordnung für tiefkalte Fluide - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Speicheranordnung für tiefkalte Fluide, insbesondere für die Speicherung von Flüssiggas als Treibstoff in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Kryogene Tankanordnungen der genannten Art umfassen also - mindestens - einen befüll- und entleerbaren Behälter zur Aufnahme und Speicherung des jeweiligen tief­ kalten Fluids sowie eine "anspruchsvolle" Wärmeisolierung, wobei besonders niedri­ ge Wärme- bzw. Kälteverluste bei technisch und wirtschaftlich vertretbaren Isolati­ onsdicken meist nur mit Vakuumisolierungen erreichbar sind. Die äußere Hülle der Isolierung kann selbst als Behälter/Gefäß mit angepaßter Eigenstabilität ausgeführt sein. Es sind auch mechanisch belastbare Füllstoffe für den evakuierten Raum be­ kannt, welche es ermöglichen, die Isolierungshülle oder den - meist inneren - Behäl­ ter (es gibt auch Behälter mit Innenisolierung) sehr dünnwandig und somit für sich nicht druck- bzw. vakuumfest auszuführen, wobei der Füllstoff die atmosphärischen Druckkräfte aufnimmt. Solche Stoffe sind beispielsweise Kieselgur, SiO₂-Aerogel oder offenzellige Schaumstoffe, wobei diese einerseits die Strukturfestigkeit erhö­ hen, andererseits die Isolationswirkung durch erhöhte Wärmeleitung verschlechtern. Es sind auch hochreflektierende, "verspiegelte" Metall- und Kunststoffolien bekannt, welche mit und ohne Abstandshalter in mehrere Schichten im evakuierten Raum angeordnet werden, um Wärme-/Kälteverluste durch Strahlung zu reduzieren. Diese Isolierfolien sind auch mit druckfesten Füllstoffen - wie obenstehend genannt - kom­ binierbar.

Bei einem Behälter mit Vakuum-Außenisolierung wäre es möglich, einen so festen Füllstoff im evakuierten Zwischenraum vorzusehen, daß der Behälter praktisch aus­ schließlich vom Füllstoff getragen und zentriert wird. Somit wäre keine separate Auf­ hängung des Behälters in der äußeren Vakuumhülle erforderlich.

Abgesehen von der bereits genannten Isolationsverschlechterung durch höhere Wärmeleitung bestünde dabei die Gefahr, daß der Behälter von Anfang an nicht zen­ trisch in der Isolierung sitzt oder zumindest im Laufe der Zeit u. a. durch Schwer­ krafteinfluß in eine exzentrische Lage wandert mit dem Nachteil, daß die Isolierung einseitig dünner und somit schlechter wird. Außerdem können Zu- und Ableitungen zum/vom Behälter infolge seines Versatzes verengen, knicken, brechen usw.

Deshalb ist in der Regel eine definierte Behälteraufhängung innerhalb des Vakuum­ gefäßes/der Außenhülle mit wärmeisolierenden, für statische und ggf. dynamische Belastung ausgelegten Aufhängungselementen vorgesehen.

Die US-PS 3,979,005 beschreibt einen innenisolierten Tieftemperaturtank für Flug­ zeuge zur Aufnahme von flüssigem Methan, flüssigem Erdgas oder flüssigem Was­ serstoff. Da das Flugzeug hauptsächlich in großen Höhen, d. h. in relativ kalter Um­ gebung, fliegen soll, ist nur eine vergleichsweise dünne, nicht-evakuierte Schaum­ stoffisolierung auf der Tankinnenseite vorgesehen. Der Tankbehälter ist als Zylinder mit halbtorusförmigen Stirnwänden - erinnernd an die Kontur eines Apfels im Bereich seiner stielzugewandten Seite - ausgeführt, so daß die Stirnwandmitten trichterartig ein Stück in das Tankinnere ragen und dort mit ebenen Platten verschlossen sind. Die Tankaufhängung in der Flugzeugzelle umfaßt einen zentralen Lagerkonus, wel­ cher in einen der beiden Stirnwandtrichter führt sowie mehrere Lagerstellen am Au­ ßenumfang des anderen Tankendes mit einer ringförmigen Tankverstärkung in die­ sem Bereich, elastischen aber scherfesten Blechlaschen und in Richtung auf den Lagerkonus orientierten Streben. Es wird darauf hingewiesen, daß die Tankform in Kombination mit der speziellen Aufhängung zu minimalen Thermospannungen sowie einer exakten Tankzentrierung und -positionierung führen soll. Die erforderlichen Leitungen für den Treibstoff etc. sind durch den freien Stirnwandtrichter, d. h. zentral, in den Tank geführt.

Betrachtet man die Flugzeugzelle als Vakuumgefäß, so ließe sich die beschriebene Anordnung auch auf Behälter mit außenliegender Vakuumisolierung übertragen. Al­ lerdings dürfte die aufwendige Art der Aufhängung nur bei relativ großen, dünnwan­ digen und somit empfindlichen Leichtbaubehältern sinnvoll sein. Gewisse Teilmerk­ male dieser Konstruktion, wie die zentrale, in das Behälterinnere reichende Lagerung oder die zentrale Leitungsführung, können so oder in weiter verbesserter Form auch bei kleineren, einfacheren Konstruktionen vorteilhaft sein.

Aus der DE 37 41 625 A1 ist ein Speicher für tiefkalte Fluide mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 bekannt, welcher zusätzlich ein zentral im Behälter integriertes Rohr aufweist, das beide gegenüberliegende Behälterseiten verbindet. Dieses den Behälter zentral durchsetzende Rohr dient der Aufnahme von Druckkräften aus dem Druckunterschied zwischen Behälterinnenraum und Umgebung. Die Lagerung bzw. Aufhängung des Behälters wird durch dieses Rohr nicht erkennbar unterstützt.

Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Speicheranord­ nung für tiefkalte Fluide zu schaffen, welche besonders für kleinere Speichervolumi­ na und mobile Anwendungen, wie z. B. in Landkraftfahrzeugen, geeignet ist und wel­ che sich durch eine relativ einfache und preiswerte Konstruktion, eine ausgezeichne­ te Isolationswirkung sowie eine problemlose Aufnahme der zu erwartenden Bela­ stungen bei exakter Positionierung und Zentrierung des Speicherbehälters auszeich­ net.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführte Merkmalskombination gelöst.

Die Behälteraufhängung besteht somit nur aus einem Tragrohr in Faserverbundtech­ nik, auf dem ein zentral durch den Behälter führendes und in letzteren integriertes Rohr sitzt. Das Tragrohr reicht bis zur äußeren Hülle der Vakuumisolierung und ist dort gelagert. Der mindestens eine, durch Abkühlung aktivierte Schrumpfsitz zwi­ schen Rohr und Tragrohr überträgt radiale, axiale und kombinierte Lasten durch Kraftschluß, d. h. ohne Relativbewegung im Sitzbereich. Die zentrale Lage des min­ destens einen Schrumpfsitzes, d. h. der wärmeleitenden Kontaktstelle zwischen Tragrohr und Behälter, im Behälterinneren, die langen Wärmeleitwege zu den Tragrohrenden sowie die wärmeisolierenden Eigenschaften des Tragrohres (Material, kleine Wandquerschnittsfläche) ermöglichen ein ausgezeichnetes Isolationsverhalten der Anordnung. Die Faserverbundbauweise des Tragrohres macht dieses leicht, formstabil und mechanisch hoch belastbar, wobei der gewählte Kraftfluß Behäl­ ter/Rohr/Tragrohr - und umgekehrt - zu einer günstigen Spannungsverteilung in den Behälterwänden führt.

Die Unteransprüche kennzeichnen bevorzugte Ausgestaltungen der Speichenanord­ nung nach dem Hauptanspruch.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Diese zeigt in stark vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Speicheranordnung.

Die Speicheranordnung 1 umfaßt zunächst zwei Hauptelemente, nämlich einen das zu speichernde Medium aufnehmenden Behälter 2 und eine diesen umschließende Vakuumisolierung 5, hier mit einem eigenstabilen, äußeren Vakuumgefäß 21. Der Behälter 2 ist hier der Einfachheit halber als rotationssymmetrisches, großteils zylin­ drisches Gebilde dargestellt. In der Praxis kommen jedoch weitgehend beliebige, kompakte Formen in Frage, z. B. mit ovalen, elliptischen, mehreckigen, stellenweise abgeflachten sowie eingezogenen bzw. ausgebauchten Querschnitten sowie mit sich über die Behälterlänge ändernder Querschnittsform. Das Verhältnis Behälterlän­ ge/Behälterquerschnitt bzw. /-durchmesser ist auch in weiten Grenzen beliebig. Im Hinblick auf optimale Isolation sollte man jedoch bestrebt sein, die Behälteroberflä­ che in Relation zum -volumen zu minimieren, d. h. seine Form der Kugelform anzunä­ hern, zumindest jedoch ausreichend kompakte Formen zu wählen. Die Gestalt des Vakuumgefäßes 21 wird derjenigen des Behälters 2 möglichst angepaßt, wobei all­ seitig gleiche Abstände (Isolierungsdicke) günstig sind.

Das Isoliermaterial 22 symbolisiert wärmeisolierende Feststoffe und Festkörper ver­ schiedenster Art mit der Bedingung, daß diese ausreichend evakuierbar sind. So kommen beispielsweise offenporige Kunststoffschäume, schüttfähige Füllungen aus Kieselgur oder SiO₂-Aerogel, eine strahlungshemmende Folienschichtung (MLI = Multi Layer Insulation), schüttfähige Folienstücke und Kombinationen der genannten Möglichkeiten in Betracht. Es sei auch noch die Möglichkeit erwähnt, ein "reines" Vakuum ohne Zwischen-/Füllmaterial vorzusehen.

Der Behälter 2 weist ein integriertes, seine beiden Stirnflächen verbindendes Rohr 3 auf, welches koaxial zur - gedachten - Behälterlängsachse angeordnet ist und somit einen zentralen, durchgehend offenen Kanal durch den Behälter 2 bildet. Das Rohr 3 dient primär der Aufhängung des Behälters 2 im Vakuumgefäß 21 unter Zwischen­ schaltung eines speziellen Tragrohres 4 aus wärmeisolierendem Faserverbundwerk­ stoff. Als lastübertragende Kontaktstellen zwischen Rohr 3 und Tragrohr 4 sind zwei in der Nähe der Behälterlängsmitte positionierte Schrumpfsitze 6, 7 vorgesehen, wel­ che beim Befüllen des Behälters durch Abkühlen aktiviert werden und im tiefkalten Zustand Axial- und Radiallasten kraftschlüssig ohne Relativbewegungen übertragen. Das Tragrohr 4 ist an seinen Enden im Vakuumgefäß 21 radial und axial möglichst spielfrei abgestützt, wofür ringförmige Lager 23, 24 und vakuumdichte Deckel 25, 26 vorgesehen sind. Das Vakuumgefäß 21 selbst ist vorzugsweise ebenfalls über die Lager bzw. Deckel 23 bis 26 mit angrenzenden - hier nicht dargestellten - Bauteilen mechanisch verbunden.

Da das Rohr 3 sowie das Tragrohr 4 aus gewichts- und isolationstechnischen Grün­ den dünnwandig ausgeführt sind, weisen diese im Bereich der Schrumpfsitze 6, 7 ringförmige Aufdickungen 10, 11 auf zur Erzielung einer ausreichenden Steifigkeit für eine kraftschlüssige Verbindung.

Die relativ große Isolationslänge a, d. h. der axiale Abstand der Schrumpfsitze 6, 7 vom Vakuumgefäß 21, ist isolationstechnisch günstig, sie hat aber eine eher "weiche" Behälteraufhängung zur Folge. Die Krafteinleitung nahe der axialen Tragrohrmitte führt zu beachtlichen Durchbiegungen des Tragrohres 4 unter stärke­ ren dynamischen Querlasten. Da der axiale Abstand zwischen den Schrumpfsitzen 6, 7 deutlich kleiner als die Behälterlänge ist, sind auch Kippbewegungen des Behäl­ ters 2 um gedachte Achsen quer zu seiner Längsachse zu erwarten unter elastischer Verformung der Aufhängungselemente (u. a. "S-Schlag" des Tragrohres 4). Dieser "weichen" Aufhängungscharakteristik wird in Form zweier dynamischer Stützlager 8, 9 entgegengewirkt, welche in geringem axialem Abstand b vom Vaku­ umgefäß 21 zwischen dem Rohr 3 und dem Tragrohr 4 angeordnet sind. Im statisch belasteten oder dynamisch gering belasteten Zustand sind die Stützlager 8, 9 infolge des allseitig offenen Radialspalts s zwischen den Aufdickungen 12, 13 unwirksam. Mangels Festkörperkontakt haben die Stützlager 8, 9 dabei keinerlei nachteiligen Einfluß auf die Isolationswirkung der Aufhängung. Nur bei stärkeren dynamischen Quer- bzw. Kipplasten schließen sich die Radialspalte s lokal und kurzfristig, d. h. die Stützwirkung kommt zum Tragen. Hierdurch ergibt sich ein zusätzlicher Kraftfluß durch die Tragrohrenden (Länge b), wodurch der mittlere Rohr- und Tragrohrbereich de facto entlastet wird. Somit wird eine temporäre, Sprung- bzw. stufenartige Stei­ figkeitserhöhung der Aufhängung erzielt. Die kurzen Kontaktphasen der Stützlager 8, 9 haben jedoch keine relevante Erhöhung der Wärmeleitung, d. h. keine spürbare Verschlechterung der Isolationswirkung, zur Folge.

Die dargestellte Tragrohrbauweise mit werkstoffmäßig unterschiedlichen Bereichen 14 bis 16 und zwei Übergangszonen 17, 18 ist speziell für die Speicherung von kryo­ genem Wasserstoff vorgesehen. Bei den extrem tiefen Temperaturen von flüssigem Wasserstoff zeigen kohlefaserverstärkte Kunststoffe eine bessere Isolationswirkung als glas- oder keramikfaserverstärkte Kunststoffe. Bei weniger extremen, kryogenen Temperaturen sind die Verhältnisse umgekehrt. Deshalb soll beim Tragrohr 4 der kälteste, mittlere Bereich 14 als Kohlefaserverbund, die weniger kalten, äußeren Bereiche 15, 16 als Glas- bzw. Keramikfaserverbunde ausgeführt sein. Die Über­ gangszonen 17, 18 liegen zwischen den Schrumpfsitzen 6, 7 und den Stützlagern 8, 9. Für die Speicherung weniger kalter Flüssiggase und Flüssiggasgemische, wie CH₄ oder LNG, wird man das Tragrohr als über die Länge einheitlichen Faserverbund fer­ tigen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Leitungsführung durch das Innere des Tragrohres 4 zentral in den Behälter 2. Dabei weisen das Rohr 3 und das Tragrohr 4 korrespondierende Durchführungen 19, 20 auf, wobei die behälterseitige Durchfüh­ rung 19 natürlich abgedichtet sein muß. Die Figur zeigt beispielhaft eine Leitung 27 für die Zufuhr und Entnahme des Speicherfluids sowie eine Entlüftungsleitung 28, welche beide vakuumdicht durch den Deckel 25 in das bzw. aus dem Vakuumgefäß 21 geführt sind, eine vergleichbare Führung wäre für Strom- und andere Leitungen vorzusehen, wobei die Vorteile primär isolationstechnischer Art sind (lange Wärme­ leitwege, nur ein zentraler Durchstoßbereich der Isolierung). Bei Vorhandensein wenigstens einer mechanisch stabilen Leitung kann diese für die Fixierung des Behälters 2 in Axial- und Umfangsrichtung bei nicht wirksamen Schrumpfsitzen, d. h. im warmen Zustand der Speicheranordnung 1, mitbenutzt wer­ den.

Claims (6)

1. Speicheranordnung für tiefkalte Fluide, insbesondere für die Speicherung von Flüssiggas als Treibstoff in Kraftfahrzeugen, mit einem das tiefkalte Fluid aufnehmenden, befüll- und entleerbaren Behälter, mit einer wärmeisolierenden, für statische und dynamische Belastung ausgefegten Behälteraufhängung und mit einer den Behälter umhüllenden Vakuumisolierung, mit einem zentral in den Behälter (2) integrierten, gegenüberliegende Behälterseiten verbindenden, durchgehenden offenen Rohr (3), dadurch gekennzeichnet, daß als Behälteraufhängung

• - ein durch das Rohr (3) sowie beiderseits des Behälters (2) bis zur äußeren Hülle (21) der Vakuumisolierung (5) führendes und dort gelagertes Tragrohr (4) dient, welches aus wärmeisolierendem Faserverbundwerkstoff besteht und zumindest über den Großteil seiner Länge dünnwandig ausgeführt ist, und
• - mindestens ein, das Rohr (3) und das Tragrohr (4) im Bereich der Rohrmitte kraftschlüssig verbindender Schrumpfsitz (6, 7) vorgesehen ist.

2. Speicheranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Schrumpfsitz oder zwei mit Abstand - axial hintereinander - im mittleren Rohr- und Behälterbe­ reich angeordnete Schrumpfsitze (6, 7) sowie zwei als Radiallager ausgeführte, zwischen dem Rohr (3) und dem Tragrohr (4) angeordnete, dynamische Stützlager (8, 9) mit einem sich unter definierten dynamischen Lasten quer zum Rohr (3)/­ Tragrohr (4) örtlich schließenden Radialspalt (s), wobei die Stützlager (8, 9) - axial - beiderseits des Schrumpfsitzes/der Schrumpfsitze (6, 7) im Bereich der Übergän­ ge Rohr (3)/Behälter (2), d. h. der Rohrenden, angeordnet sind.

3. Speicheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ringförmige Aufdickungen (10, 11) des Rohres (3) und des Tragrohres (4) im Bereich des min­ destens einen Schrumpfsitzes (6, 7) und, bei Vorhandensein dynamischer Stützla­ ger (8, 9), auch in deren Bereich (12, 13).

4. Speicheranordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zumindest bereichsweise Ausführung des Tragrohres (4) als Glasfaserverbund und/oder Ke­ ramikfaserverbund.

5. Speicheranordnung nach Anspruch 4, insbesondere für flüssigen Wasserstoff, gekennzeichnet durch eine Ausführung des Schrumpfsitzbereiches, d. h. des - axial - mittleren Bereiches (14), des Tragrohres (4) als Kohlefaserverbund, wobei im Falle des Vorhandenseins dynamischer Stützlager (8, 9) die Übergangszonen (17/18) Kohlefaserverbund/Glasfaserverbund bzw. Kohlefaserver­ bund/Keramikfaserverbund - axial - zwischen dem Schrumpfsitz/den Schrumpf­ sitzen (6, 7) und den dynamischen Stützlagern (8, 9) angeordnet sind.

6. Speicheranordnung nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Führung aller erforderlichen Leitungen (27, 28) in den bzw. aus dem Behälter (2), z. B. für Flüssigkeit, Dampf, elektrischen Strom etc., durch das Innere des Tragrohres (4) sowie - axial - im Bereich der Behältermitte durch die Wände (19, 20) des Tragroh­ res (4) und des Rohres (3).