DE4104711C2 - Kupplung für vakuumisolierte Rohr- oder Schlauchleitungen und Verwendung einer derartigen Kupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung für vakuumisolierte Rohr- oder Schlauchleitungen, die zur Führung eines kryogenen Mediums vorgesehen sind, bestehend aus einem Kupplungsstecker und einer Kupplungsdose, wobei

• a) der Kupplungsstecker und die Kupplungsdose unmittelbar benachbart der Trennebene jeweils mit einem Absperrorgan, wobei es sich um einen mit einer Durchgangsbohrung versehenen Kugelhahn handelt, versehen sind,
• b) im zusammengekuppelten Zustand ein Leitungsendrohr des Kupplungssteckers sich über die Trennebene hinaus in die Kupplungsdose hinein erstreckt und
• c) das Leitungsendrohr in axialer Richtung beweglich zum Kupplungsstecker und bis hinter das steckerseitige Absperrorgan zurückziehbar ist,
• d) die Kupplungsdose und der Kupplungsstecker jeweils einen Verbindungsflansch aufweisen,
• e) in der Berührungsebene der Verbindungsflansche, der Trennebene, eine Dichtung angeordnet ist und
• f) das steckerseitige Absperrorgan mit mindestens einer Spülvorrichtung versehen ist, die bei geringfügig geöffnetem Absperrorgan den Raum, in dem die Trennebene liegt, mit der steckerseitigen Leitung und einer Ablaßöffnung verbindet.

Derartige Kupplungen, die auch als "Johnston-Kupplung" bezeichnet werden, sind allgemein in kryogenen Leitungssystemen einsetzbar, so zum Beispiel in Leitungssystemen, in denen Helium oder Wasserstoff kryogen geführt ist. Durch das Leitungsendrohr, das zwecks Vakuumisolierung doppelwandig ausgeführt ist, wird eine größere auch als "Wärmeleitlänge" bezeichnete räumliche Entfernung zwischen der Stelle, an der die mechanische Verbindung der beiden Kupplungsteile erfolgt, und der Stelle, an der der Übertritt des kryogenen Mediums von der einen in die andere Leitung erfolgt, geschaffen. Dadurch wird einer Vereisung entgegen gewirkt und es werden die Verdampfungsverluste des kryogenen Mediums in der Lei­ tung verringert. Ein derartig ausgebildeter Kupplungsstecker wird auch als "Male-Teil" bezeichnet. Die dazu korrespondierende Bezeichnung für die Kupplungsdose ist "Female-Teil". Bedingt durch den Aufbau einer solchen Kupplung ist es nach dem Zusammenkuppeln zweier Leitungen zunächst nötig, die in den Leitungen noch vorhandene Umgebungsluft zu entfernen, was durch Evakuieren der Leitung und anschließendes Spülen mit einem geeigneten Medium, beispielsweise mit Helium, geschieht, wobei dies mehrmals wiederholt wird. Daran anschließend werden die miteinander verbundenen Leitungen kaltgefahren, das heißt von dem Kryomedium, das transportiert werden soll, durchströmt, wobei dieses zum Kaltfahren der Leitungen und anderer Anlagenteile benutzte Kryomedium noch nicht für den eigentlichen Verwendungszweck vorgesehen ist, das heißt beispielsweise beim Umfüllen von einem großen in einen kleinen Tank, ist der kleine Tank zunächst noch geschlossen und das Kryomedium wird anderweitig weiterverwendet oder abgeblasen. Erst wenn die Leitungen eine bestimmte Temperatur erreicht haben, wird flüssiges Kryomedium in den kleinen Tank eingeleitet. Auf diese Weise ist die Gasbildung beim Transport weitgehend unterbunden. In umgekehrter Richtung müssen nach dem Ablassen des noch in den Leitungen befindlichen Kryomediums die Leitungen warmgefahren werden, um gefährliche Gemischbildungen und Betriebsstörungen durch ausfrierende Luft- und Feuchtigkeitsanteile zu vermeiden. Eine Kupplung der eingangs erwähnten Art ist zum Beispiel aus der US-PS 4 335 747 bekannt. Die darin beschriebene Kupplung ist insbesondere für die Heliumversorgung von Kryostaten gedacht. Die beschriebene Kupplung weist spaltfreie Flanschverbindungen zur Vermeidung von Lufteinschlüssen auf. In der Praxis sind absolut spaltfreie Flanschverbindungen jedoch nicht realisierbar. Dies führt dazu, daß beim Verbinden von Kupplungsstecker und Kupplungsdose eine gewisse Restluft­ menge zwischen den beiden Kugelhähnen verbleibt. Beim Öffnen der Kugelhähne und dem damit verbundenen Durchführen des männlichen Verbindungselements in die Kupplungsdose wird die eingeschlossene Restluftmenge in die Verbindungsleitung zwischen Kupplungsdose und Speichertank bzw. Kryostaten geführt. Das Verbleiben einer Restluftmenge und daraus resultierend das Einführen dieser Restluftmenge in einen Kryostaten ist im Gegensatz zum Einführen einer Restluftmenge in einen Speichertank tolerierbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die die erwähnten Nachteile bekannter Kupp­ lungen vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das steckerseitige Absperr­ organ mindestens eine Druckentlastungsvorrichtung aufweist, die bei geschlossenem und geringfügig über die Schließstellung hinaus betätigtem Absperrorgan den Raum, in dem die Trennebene liegt, mit einer Ablaßöffnung verbindet.

Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, die Kupplung so auszu­ bilden, daß sie unter Betriebsbedingungen (beispielsweise Wasserstofftransport unter einem Druck von 3 bar und einer Temperatur von 25 Kelvin) verbunden und getrennt werden kann (denn die beiden Leitungen können durch die Absperrorgane hermetisch zur Umgebung hin abgeschlossen werden) und das Evakuieren und Spülen, sowie das Kaltfahren bzw. Anwärmen der hinter den Absperrorganen befindliche Teile des Leitungssystems entfällt. Dadurch, daß sich das Leitungsendrohr des Kupplungs­ steckers im getrennten Zustand der Leitungen hinter dem steckerseitigen Absperrorgan befindet, wird der zur Umgebung beim Trennen zu öffnende und beim Verbinden zu entlüftende Raum, also der Raum zwischen den beiden Absperrorganen, wesentlich verkleinert.

Der Raum zwischen Kupplungsstecker und Kupplungsdose wird minimiert, wenn beide jeweils einen Verbindungsflansch aufweisen, so daß die Kupplung als Flanschverbin­ dung ausgeführt ist. Die Absperrorgane sind als Kugelhähne ausgebildet, deren Durch­ gangsbohrungen zur Aufnahme des Leitungsendrohres vorgesehen sind. Kugelhähne sind einfach herstellbar und gewährleisten eine gute Abdichtung. Darüber hinaus ist dann der zwischen den Verbindungsflanschen verbleibende Raum geometrisch einfach aufgebaut und daher leicht zu spülen.

Der Spülvorgang nach dem Verbinden von Kupplungsstecker und Kupplungsdose und der Druckentlastungsvorgang vor dem Trennen kann gemäß der Erfindung sehr leicht dadurch erreicht werden, daß das steckerseitige Absperrorgan mit mindestens einer Spülvorrichtung versehen ist, die bei geringfügig geöffnetem Absperrorgan den Raum, in dem die Trennebene liegt, mit der steckerseitigen Leitung und einer Ablaßöffnung verbindet, und mindestens eine Druckentlastungsvorrichtung aufweist, die bei geschlossenem und geringfügig über die Schließstellung hinaus betätigtem Absperrorgan, den Raum, in dem die Trennebene liegt, mit einer Ablaßöffnung verbindet. Der Raum zwischen Kupplungsstecker und Kupplungsdose wird daher beim Betätigen des steckerseitigen Kugelhahnes automatisch gespült bzw. druckentlastet. Es können daher spezielle Spül- und Druckentlastungsventile im Leitungssystem entfallen.

Besonders einfach und kostengünstig läßt sich dies erreichen, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Spülvorrichtung und die Druckentlastungsvorrichtung von Kanälen im Kugelküken und damit in Wirkverbindung bringbaren Kanälen in der Kugelküken-Aufnahme gebildet werden.

Die steckerseitige Leitung ist konzentrisch unter Bildung eines Ringraumes von einer zwischen dem Ausgangsort der Leitung, beispielsweise einem Tank, und dem Kupplungsstecker angeordneten Außenwandung umgeben, wobei zwischen Außenwandung und Leitung ein Standvakuum (Permanentvakuum) besteht. Um das Ein- und Ausfahren des Leitungsendrohres auf einfache Weise zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, die Außenwandung im steckernahen Bereich flexibel im Sinne eines Membranbalgs auszubilden.

Es ist günstig, wenn in der Kupplungsdose im trennebenenfernen Bereich ein weiteres dosenseitiges Absperrorgan angeordnet ist, das im zusammengekuppelten Zustand mit dem Leitungsendrohr in Wirkverbindung bringbar ist. Die Serienschaltung des weiteren dosenseitigen Absperrorgans zusammen mit dem dosenseitigen Kugelhahn erhöht infolge der doppelten Absperrung die Sicherheit gegen Austreten von kryogenem Medium in die Atmosphäre. Durch das Trennen der Kupplung wird zunächst dieses innere Absperrorgan durch Zurückziehen des Leitungsendrohres automatisch geschlossen und danach erfolgt erst die Schließung des dosenseitigen Kugelhahns. Der abgesperrte Raum zwischen dem inneren Absperrorgan und dem Kugelhahn wirkt darüber hinaus isolierend.

Es werden in der Praxis getrennte Leitungen für flüssiges kryogenes Medium und gasförmiges kryogenes Medium vorgesehen, wobei die Leitung für flüssiges Medium als Zufuhrleitung und die Leitung für gasförmiges Medium als Ableitung vorgesehen ist. Dadurch sind zwei Kupplungen für ein Leitungssystem nötig, was die Kosten verdop­ pelt und die Handhabung erschwert. Ein ganz erheblicher Vorteil ergibt sich daher gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes, wenn zumindest die stecker­ seitige Leitung und das daran angeschlossene Leitungsendrohr aus zwei konzentri­ schen Leitungen bzw. Rohren besteht, wobei die eine Leitung zur Führung von flüssi­ gem kryogenen Medium und die andere Leitung zur Führung von gasförmigem kryogenen Medium vorgesehen ist und die äußere Leitung und das äußere Leitungsendrohr vakuumisoliert ausgebildet sind. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn das weitere dosenseitige Absperrorgan aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten, federbelasteten Endverschlüssen besteht, die zu den Lei­ tungsendrohren korrespondieren und jeweils an der Mündung von an der Kupplungsdose angeschlossenen Leitungen ange­ ordnet sind.

Es wird weiter vorgeschlagen, daß der äußere Endverschluß eine in einer Ringnut eines Längskanales der Kupplungsdose angeordnete Kugel aufweist, wobei an die Ringnut die eine der beiden Leitungen angeschlossen ist und wobei die Kugel in Richtung zur Trennebene federkraftbelastet gegen eine Verengung im Längskanal angestellt und durch das äußere Leitungsendrohr beaufschlagbar ist, und daß der innere Endverschluß von einem auf der trennebenenfernen Seite der Kugel angeordneten Ventilteller gebildet ist, der in Richtung zur Trennebene federkraftbelastet gegen eine in Längsrichtung der Kupplungsdose angeordnete Durchgangs­ bohrung der Kugel angestellt ist, wobei der Ventilteller mit einem in der Durchgangsbohrung geführten Axialfortsatz versehen ist, der durch das innere Leitungsendrohr beauf­ schlagbar und mit Axialdurchlässen versehen ist, und wobei an dem der trennebenenfernen Seite des Ventiltellers zuge­ ordneten Raum die andere der beiden Leitungen angeschlossen ist. Derart ausgebildete Endverschlüsse, die konstruktiv auch anders aussehen können (Kugelventil, Kegelventil usw.), sind einfach herstellbar.

Wenn bei in Schließstellung befindlichen Endverschlüssen die beiden an die Kupplungsdose angeschlossenen Leitungen miteinander verbunden sind, wird gewährleistet, daß dieses Ende der Kupplungsdose kalt bleibt, sofern in den Leitungen kryogenes Medium zirkuliert.

In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kupplung wird vorgeschlagen, daß die innere Leitung und das innere Leitungsendrohr zur Führung von flüssigem kryogenen Medium vorgesehen sind und die äußere Leitung und das äußere Leitungsendrohr zur Führung von gasförmigem kryogenen Medium, wodurch die Verdampfungsverluste weiter gesenkt werden.

Es ist günstig, wenn ähnlich dem oben beschriebenen inneren Absperrorgan der Kupplungsdose auch der Kupplungsstecker oder die damit verbundene Leitung mit einem weiteren Absperrorgan versehen ist, wobei dann das Leitungsendrohr gegenüber der steckerseitigen Leitung längsbeweglich in Wirkverbindung mit dem weiteren steckerseitigen Absperrorgan steht. Damit wird erreicht, daß sowohl der Kupplungsstecker als auch die Kupplungsdose nach dem Entkuppeln automatisch abgedichtet werden. Zwischen den inneren Absperrorganen und den äußeren Absperrorganen (Kugelhähne) ist dann jeweils ein isolierender Raum.

Um eine Querschnittserweiterung der Kupplung im Bereich der Kugelhähne zu vermeiden, wird vorgeschlagen, daß das weitere steckerseitige Absperrorgan im Leitungsabschnitt vor dem Membranbalg angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist das weitere steckerseitige Absperrorgan als federbelasteter Endverschluß ausgebildet, der zwischen die innere Leitung und das innere Leitungsendrohr geschaltet ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, einen steckerseitigen Endverschluß vorzusehen, der genauso aufgebaut ist, wie der dosenseitige Endverschluß. Auf diese Weise werden sowohl die innere als auch die äußere Leitung des Kupplungssteckers und die beiden Leitungen der Kupplungsdose beim Trennen der Kupplung automatisch abgedichtet.

Als besonders vorteilhaft erweist sich, die erfindungsgemäß ausgestaltete Kupplung als Betankungskupplung für Kraftfahr­ zeuge zu verwenden, die mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden. Bei solchen Fahrzeugen gestaltet sich das Wieder­ auffüllen des Fahrzeugtanks mit flüssigem Wasserstoff mit Hilfe einer üblichen Johnston-Kupplung als schwierig und zeitaufwendig und ist somit ein ernstes Hindernis bei der Einführung und Verbreitung der Flüssigwasserstoff-Technolo­ gie in Kraftfahrzeugen. Mit der erfindungsgemäßen Kupplung als Verbindungsstück zwischen Vorratstank und Fahrzeugtank kann die Betankungszeit, beispielsweise bei einem 125 Liter- Fahrzeugtank, von ca. 60 Minuten auf ca. 10 Minuten gesenkt werden. Darüber hinaus vereinfacht sich der Verfahrens­ ablauf bei gleichzeitig erhöhter Sicherheit. Die starke Vereinfachung des Verfahrensablaufs ermöglicht es, das Betanken zu automatisieren, beispielsweise unter Verwendung eines Roboters.

Bisher ist es üblich, außerhalb des Fahrzeugtanks eine Ventilbox vorzusehen, in der in der Regel vier elektromagnetisch betätigbare Absperrventile und drei Rückschlagventile enthalten sind, mit denen die einzelnen Betriebszustände: Fahren mit flüssigem Wasserstoff, Fahren mit gasförmigem Wasserstoff, Betanken, Spülen, Anwärmen; geschaltet werden. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß durch die erfindungsgemäße Kupplung die Zahl der Absperrventile auf zwei Stück reduziert wird und die Rückschlagventile überflüssig werden. Die verbleibenden zwei Absperrventile können im Isolationsvakuumraum des Fahrzeugtanks untergebracht werden, so daß die Ventilbox entfallen kann. Dies verringert den Platzbedarf der Wasserstoffanlage im Kraftfahrzeug und senkt darüber hinaus die Kosten. Wenn nun gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens die Leitung für gasförmigen Wasserstoff über die Kupplungsdose geführt ist und in die Leitung mündet, die zum Auffüllen des Wasserstofftanks vorgesehen ist, kann dadurch dieser Teil der Kupplungsdose noch im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, dessen Kraftstoffversorgungsleitung wahlweise an eine flüssigen Wasserstoff führende Leitung oder eine gasförmigen Wasserstoff führende Leitung des Wasserstofftanks anschließbar ist, also vor dem Anlaufen der Tankstelle, mit gasförmigem Wasserstoff kaltgefahren werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Prinzipaufbau der erfindungsgemäßen Kupplung, wobei diese in einem Betankungssystem eines mit Flüssigwasserstoff betriebenen Kraftfahrzeuges Verwendung findet;

Fig. 2 den Rohrleitungsplan zu einem Flüssigwasserstoff-Fahrzeugtank, an den eine erfindungsgemäße Kupplung nach Fig. 1 angeschlossen ist;

Fig. 5 eine zusammengekuppelte Kupplung nach Fig. 1 vor dem Ausfahren des Leitungsendrohres;

Fig. 6 eine Kupplung nach Fig. 1 beim Spülen der Flanschung vor dem Betanken;

Fig. 7a bis 7d ein Prinzipschema zum Absperrorgan des Kupplungssteckers;

Fig. 8 eine Kupplung nach Fig. 1 beim Betanken;

Fig. 9 eine Kupplung nach Fig. 1 beim Entleeren des Leitungsendrohres;

Fig. 10 das Prinzipschema eines steckerseitigen Endverschlusses;

Fig. 11a und 11b eine erfindungsgemäße Kupplung in einer ausgeführten Form;

Fig. 12a bis 12d den dosenseitigen Endverschluß in ausgeführter Form;

Fig. 13a bis 13c den Endverschluß nach Fig. 12 im Eingriff mit dem Leitungsendrohr.

Die erfindungsgemäße Kupplung wird anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, das ein Betankungssystem eines mit Flüssigwasserstoff betriebenen Kraftfahrzeuges darstellt. Dabei zeigen die Fig. 1 und 2 den Prinzip­ aufbau eines solchen Betankungssystems. Tankstellenseitig ist ein Vorratstank 1 mit flüssigem Wasserstoff LH₂ vorgesehen, an den eine Leitung 2 angeschlossen ist, in die eine Pumpe 3 und ein elektromagnetisch betätigtes Absperr­ ventil 4 geschaltet sind. An die Leitung 2 ist eine Leitung 5 angeschlossen, die mit dem oberen Ende des Vorratstanks 1 in Verbindung steht und in der ein elektromagnetisch betätigbares Absperrventil 6 angeordnet ist. Die Leitung 2 ist im Anschluß an die Abzweigung zur Leitung 5 unter Bildung eines Zwischenraumes konzentrisch von einer Leitung 7 umgeben, von der eine Leitung 8 abzweigt, in der sich ein Druckbegrenzungsventil 9 befindet. Die Leitungen 2 und 7 sind bevorzugt elastisch ausgebildet und führen zu einem Kupplungsstecker 10. Auf eine Darstellung der Vakuumiso­ lierung der Leitungen 2 und 7 ist in Fig. 1 verzichtet. Die Leitungen 2 und 7 münden in einem aus einem äußeren Rohr 7a und einem inneren Rohr 2a bestehenden Leitungsend­ rohr. Das Leitungsendrohr ist in bezug auf den Kupplungs­ stecker 10 längsbeweglich, was durch einen Membranbalg 11 erreicht wird. Der Kupplungsstecker 10 ist mit einem als Kugelhahn 12 ausgebildeten Absperrorgan versehen, wobei die Durchgangsbohrung 12a des Kugelhahns in geöffnetem Zustand ein Ausfahren des Leitungsendrohres aus dem Kupplungsstecker ermöglicht, was in Fig. 1 dargestellt ist.

Der Kupplungsstecker 10 ist über einen Verbindungsflansch 13 mit dem Verbindungsflansch 14 einer Kupplungsdose 15 lösbar verbunden. Auch die Kupplungsdose 15 ist mit einem Kugelhahn 16 versehen, dessen Durchgangsbohrung 16a zur Aufnahme des Leitungsendrohres vorgesehen ist. In der Berührungsebene der Verbindungsflansche 13 und 14, der sogenannten Trennebene T, ist eine Dichtung 17 angeordnet.

Im trennebenenfernen Bereich der Kupplungsdose 15 ist ein weiteres Absperrorgan 18 angeordnet, wobei zwischen dem Absperrorgan 18 und dem Kugelhahn 16 ein isolierender Zwischenraum 19 vorgesehen ist. Das Absperrorgan 18 ist in Richtung zur Schließstellung federbelastet und verbindet in Schließstellung zwei an die Kupplungsdose 15 angeschlossene Leitungen 20 und 21. Das Absperrorgan 18 wird durch das in die Kupplungsdose 15 eingefahrene Leitungsendrohr geöffnet, wobei im geöffneten Zustand das innere Leitungsendrohr 2a mit der Leitung 20 verbunden ist und das äußere Leitungsend­ rohr 7a mit der Leitung 21. Somit stellt die Leitung 20 die Zuleitung dar, in der flüssiger Wasserstoff LH₂ einem in Fig. 2 dargestellten Fahrzeugtank 22 zugeführt wird, und stellt die Leitung 21 die Ableitung dar, durch die beim Betanken aus dem Fahrzeugtank 22 verdrängter gasförmiger Wasserstoff GH₂ zur Tankstellenseite hin rückgeführt und über die Leitung 8 und das Druckbegrenzungsventil 9 (das niedriger eingestellt sein muß als ein fahrzeugtankseitiges Druckbegrenzungsventil), beispielsweise in einen Kamin abgeblasen wird.

Der in Fig. 2 dargestellte Fahrzeugtank 22 ist vakuum­ isoliert und enthält flüssigen und gasförmigen Wasserstoff. Die Leitung 20 führt in den bodennahen Bereich des Fahrzeug­ tanks 22. Die Leitung 21 führt in den oberen Bereich des Fahrzeugtanks 22. In dem Isolationsvakuumraum 23, der den Fahrzeugtank 22 umgibt, ist in der Leitung 20 ein elektro­ magnetisch betätigtes Absperrventil 24 angeordnet und in der Leitung 21 ein elektromagnetisch betätigtes Absperr­ ventil 25. Stromauf des Absperrventiles 25 zweigt eine Leitung 26 mit diversen Armaturen und Ventilen ab. Von der Leitung 20 zweigt stromauf des Absperrventiles 24 eine Kraftstoffversorgungsleitung 27 ab, die zu einem symbolisch dargestellten Heizgerät 28 mit nachgeschaltetem elektromag­ netisch betätigten Absperrventil 29 führt und weiter zu einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.

Es sind drei Betriebsarten möglich: Betrieb mit gasförmigem Wasserstoff; Betrieb mit flüssigem Wasserstoff; Betanken.

Beim Betrieb mit gasförmigem Wasserstoff sind die Absperrventile 25 und 29 geöffnet und ist das Absperrventil 24 geschlossen. Gasförmiger Wasserstoff aus dem oberen Teil des Fahrzeugtanks 22 strömt daher durch die Leitung 21 über die Kupplungsdose 15 (genauer gesagt, über den das Absperrorgan 18 enthaltenden "kalten Teil" der Kupplungsdose 15) und die Leitung 20 in die Kraftstoffversorgungsleitung 27. Bei Betrieb mit flüssigem Wasserstoff ist das Absperrventil 25 geschlossen und sind die Absperrventile 24 und 29 geöffnet. Infolge des im Fahrzeugtank 22 vorhandenen Drucks, zum Beispiel von 3 bar, wird flüssiger Wasserstoff in die Leitung 20 gedrückt und von dort in die Leitung 27 und weiter in das Heizgerät 28, wo eine Verdampfung erfolgt. Reicht der Druck im Fahrzeugtank 22 nicht mehr aus, so wird der Fahrzeugtank beheizt, um eine Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs zu erreichen und damit den Tankdruck wieder anzuheben. Vor dem Betanken wird das Kraftfahrzeug zweckmäßigerweise zunächst einige Zeit mit gasförmigem Wasserstoff betrieben, um die Kupplungsdose 15 kaltzufahren. Nachdem der Kupplungsstecker 10 und die Kupplungsdose 15 miteinander verbunden und die Absperrorgane geöffnet sind und das Leitungsendrohr in die Kupplungsdose eingefahren ist, strömt bei geschlossenem Absperrventil 29 und geöffnetem Absperrventil 24 flüssiger Wasserstoff über die Leitung 20 in den Fahrzeugtank 22 und strömt verdrängter gasförmiger Wasserstoff bei geöffnetem Absperrventil 25 über die Leitung 21 ab.

Im nachfolgenden sei nun im Detail auf den Verfahrensablauf beim Betanken unter Verwendung der erfindungsgemäßen Kupplung eingegangen. Hierzu wird auf die Fig. 5 und 9 verwiesen, wobei die Darstellung der Kupplung in den Fig. 5, 6, 8 und 9 der Darstellung nach Fig. 1 entspricht. Fig. 5 stellt den Beginn des Betankungsvorgangs dar. Hierbei sind der Kupplungsstecker 10 und die Kupplungs­ dose 15 bereits miteinander verflanscht, jedoch sind die Kugelhähne 12 und 16 noch geschlossen und ist daher das Leitungsendrohr mit innerem Rohr 2a und äußerem Rohr 7a in den Kupplungsstecker 10 eingefahren und das Absperrorgan 18 geschlos­ sen. Das "kalte Ende" der Kupplungsdose 15 ist zweckmäßigerweise unmittelbar vor dem Abstellen des Kraftfahrzeugs durch Gasbetrieb kaltgefahren worden, was gestrichelt symbolisiert ist.

Der Kupplungsstecker 10 sei darüber hinaus mit einer Entlüftungsleitung 50 verbunden, in der ein Rückschlagventil 51 angeordnet ist und die zur Leitung 8 führt. Zum Zwecke des Entlüftens wird, wie in Fig. 6 dargestellt ist, der Kugelhahn 12 etwas geöffnet. Bei offenem Absperrventil 6 kann nun gasförmiger Wasserstoff die in dem Raum zwischen dem Kupplungsstecker 10 und der Kupplungsdose 15 vorhandene Luft in die Leitungen 50 und 8 verdrängen, was durch Pfeile und eine gestrichelte Linie parallel zur Leitung symbolisiert wird.

Wie dies geschieht, ist in den Fig. 7a bis 7d stark vereinfacht dargestellt. Fig. 7a zeigt den Kugelhahn 12 des Kupplungssteckers 10 in Verschlußstellung in Drauf­ sicht, das heißt die Durchgangsbohrung 12a des Kugelkükens 70 ist senkrecht zum entsprechenden Kanal 71 des Kugelhahns 12 angeordnet. In der hohlkugeligen Kugelküken-Aufnahme sind zwei Bohrungen 72 und 73 (verdeckt dargestellt) eingebracht, die mit der Leitung 50 in Verbindung stehen. Das Kugelküken 70 ist im Bereich zwischen den aufnahmeseitigen Bohrungen 72 und 73 mit einem Schlitz 74 versehen. Darüber hinaus sind zwei Abschrägungen 75 und 76 an diagonal gegenüber­ liegenden Seiten der Durchgangsbohrung 12a vorgesehen. Auf der in der Fig. 7a linken Seite des Kugelkükens 70 steht Wasserstoff an. Auf der rechten Seite liegt die Trennebene. Wird nun das Kugelküken 70 geringfügig in Öffnungsrichtung, in diesem Beispiel entgegen dem Uhrzeigersinn, gedreht, was in Fig. 7b dargestellt ist, so kommt der Schlitz 74 zur Deckung mit der Bohrung 72, während gleichzeitig die Abschrägung 75 eine Verbindung zwischen dem Kanal 71 und der Durchgangsbohrung 12a herstellt und die Abschrägung 76 eine Verbindung zwischen der Durchgangsbohrung 12a und dem Raum 77, in dem die Trennebene T liegt.

Infolgedessen strömt Wasserstoff vom Kanal 71 über die Abschrägung 75, die Durchgangsbohrung 12a und die Abschrägung 76 in den Raum 77, wo die dort vorhandene Luft verdrängt und über den Schlitz 74 und die als Spülbohrung fungierende Bohrung 72 in die Leitung 50 gedrückt wird. Dies geschieht solange, bis nur noch Wasserstoff in dem Raum 77 vorhanden ist. Dann wird das Kugelküken 70 weiter­ gedreht, so daß die Durchgangsbohrung 12a vollständig an den Kanal 71 anschließt, was in Fig. 7c dargestellt ist. In umgekehrter Richtung, das heißt zur Druckentlastung wird nach dem Verdrehen des Kugelkükens im Uhrzeigersinn in Schließ­ richtung und Erreichen der Schließrichtung ein kurzes Überdrehen vorgenommen, so daß der Schlitz 74 zur Deckung kommt mit der Bohrung 73, die damit als Druckentlastungs­ bohrung wirkt (Fig. 7d).

Der eigentliche Betankungsvorgang ist aus den Fig. 2 und 8 ersichtlich. Hierbei ist nun auch der Kugelhahn 16 der Kupplungsdose 15 vollständig geöffnet und das Leitungsend­ rohr bei zusammengedrücktem Membranbalg 11 voll ausgefah­ ren, wodurch das Absperrorgan 18 geöffnet und somit das Rohr 2a an die Leitung 20 und das Rohr 7a an die Leitung 21 angeschlossen ist. Bei geöffnetem Absperrventil 4 und laufender Pumpe 3 strömt flüssiger Wasserstoff aus dem Vorratstank 1 in die Leitung 20 und verdrängtes Gas aus dem Fahrzeugtank 22 über die Leitung 21 in die zum Kamin führende Leitung 8. Unter Umständen kann auf den Einsatz der Pumpe 3 verzichtet werden, sofern der Gasdruck im Vorratstank 1 groß genug ist, um eine Wasserstofför­ derung in angemessener Zeit zu ermöglichen.

Nachdem der Fahrzeugtank 22 ausreichend gefüllt ist, wird die Pumpe 3 abgestellt, das Absperrventil 4 geschlossen, das Absperrventil 6 geöffnet und das Rohr 2a vom Wasserstoff LH₂ entleert, was in Fig. 9 dargestellt ist. Dazu wird das Leitungsendrohr soweit eingefahren, daß das Absperrorgan 18 schließt, so daß der noch in dem Rohr 2a vorhandene Wasserstoff über das Rohr 7a in die Leitung 5 und damit in den Vorratstank 1 zurückströmt. Es ist jedoch auch möglich, den in dem Rohr 2a noch vorhandenen Wasserstoff bei geschlossenem Absperrventil 4, geöffnetem Absperrventil 6 und voll ausgefahrenem Leitungsendrohr, das heißt wenn die Verbindung zum Fahrzeugtank 22 noch steht, bei ausreichend hohem Druck im Vorratstank 1 in den Fahrzeugtank 22 zu entleeren.

Analog zu dem Absperrorgan 18 in der Kupplungsdose 15 ist es auch möglich, auf der Seite des Kupplungssteckers 12 ein weiteres Absperrorgan A vorzusehen, wenn dies aus sicherheitstechnischen Gründen erforderlich scheint. Ein solches Absperrorgan A ist in Fig. 10 dargestellt und würde gemäß der Kupplungs-Darstellung nach Fig. 1 in den Bereich unmittelbar links vor dem Membranbalg eingebaut werden, um eine Querschnittserweiterung der Kupplung im Bereich der Kugelhähne und des Kraftfahrzeugs zu vermeiden. Das innere Rohr 2a des Leitungsendrohres ist hierbei mit einem über eine Feder 100 beaufschlagten Kugelventil 101 versehen, das axial zwischen der Leitung 2 und dem inneren Rohr 2a angeordnet ist. Die Abdichtung zum äußeren Rohr 7a erfolgt über einen Balg 102. Damit wird erreicht, daß auch der Kupplungsstecker 10, genauer gesagt die Leitung 2, automatisch abgedichtet wird, sobald der Kupplungsstecker von der Kupplungsdose getrennt wird. Das Absperrorgan A wird gleichzeitig mit dem Absperrorgan 18 geöffnet und geschlossen, da sich das innere Rohr 2a an den Absperr­ organen abstützt.

Fig. 11a zeigt eine Schnittdarstellung der erfindungsge­ mäßen Kupplung in gekuppeltem Zustand. Hierbei ist die Kupplung oberhalb der Mittellinie mit geöffneten Kugel­ hähnen und vollständig ausgefahrenem Leitungsendrohr dargestellt und unterhalb der Mittellinie mit vollständig eingefahrenem Leitungsendrohr und geschlossenen Kugelhähnen. Es finden die gleichen Bezugszeichen Verwendung wie in Fig. 1. Die Kupplungsdose 15 ist mittels eines Flansches 111 an der Karosserie 112 des Kraftfahrzeuges befestigt. Die Betätigung der Kugelhähne 12 und 16 erfolgt bevorzugt automatisch mit Hilfe eines geeigneten Gestänges. Hierbei ist vorgesehen, daß nach dem Kuppeln zunächst der Kugelhahn 12 zwecks Entlüftung und Spülung des Raumes zwischen Kupplungsdose 15 und Kupplungsstecker 10 betätigt wird. Der Kugelhahn 12 ist in diesem Beispiel mit einer elektrischen Heizung 113 versehen, die eine Vereisung sicher verhindert. Der beispielsweise aus Edelstahl bestehende Membranbalg 11 ist in einer Metallhülse 114 geführt. Das äußere Rohr 7a des Leitungsendrohres ist doppelwandig ausgeführt und vakuumisoliert. An seinem Ende ist ein Mundstück mit Dichtung 115 über einen Balg 116 axial federnd befestigt.

In Fig. 11b ist das hintere Ende des Kupplungssteckers 10 und der Betätigungsmechanismus zum Ausfahren des Leitungs­ endrohres gezeigt. Der Membranbalg 11 ist an seinem trenn­ ebenennahen Ende mit einem Flansch 117 des Kupplungssteckers 10 verbunden, der als Widerlager für Befestigungs­ schrauben dient (Fig. 11a). Am trennebenenfernen Ende des Membranbalgs 11 ist dieser an einem Deckel 118 befestigt. Am Deckel 118 ist ein seitlicher Fortsatz 118a befestigt, der mit einer Gewindebohrung versehen ist und in einer Längsnut 114a der Metallhülse 114 verdrehsicher geführt ist, die sich über die ganze Länge des Metallbalgs 11 erstreckt. In der Gewindebohrung des seitlichen Fortsatzes 118a ist ein Gewindestift 119 drehbar, der in einem Widerlager 114b am in der Figur rechten Ende der Metallhülse 114 und in einer am in der Figur linken Ende der Metallhülse 114 angeordneten Führung 114c abgestützt ist. Durch Drehen des Gewindestiftes 119 läßt sich der Deckel 118 in Richtung zur Trennebene hin oder in entgegengesetzter Richtung von der Trennebene weg bewegen und damit der Metallbalg 11 zusammendrücken oder auseinanderziehen. Da an dem Deckel 118 eine die beiden Leitungen 2 und 7 unter Bildung eines zur Vakuumisolierung vorgesehenen Zwischenraumes konzentrisch umgebende Außenwandung 270 befestigt ist, die wiederum auf in den Figuren nicht gezeigte Weise mit den Leitungen 2 und 7 verbunden ist, kann das aus dem inneren Rohr 2a und dem äußeren Rohr 7a gebildete Leitungsendrohr relativ zum Kupplungsstecker 10 in axialer Richtung bewegt und somit ein- und ausgefahren werden. Im Bereich der Längsnut 114a ist die Metallhülse 114 nur halbzylindrisch ausgebildet, um ein Ein- und Ausfahren der mit einem rechtwinkligen Knie (in der Figur links) versehenen Leitung 2, 7 zu ermöglichen.

In den Fig. 12a bis 12d ist das Absperrorgan 18 der Kupplungsdose 15 im eingebauten Zustand und in Einzelteilen dargestellt. Das Absperrorgan 18 besteht aus zwei von einer gemeinsamen Druckfeder 120 in Richtung zur Trennebene beaufschlagten Endverschlüssen. Dabei wird ein zur Leitung 21 korrespondierender äußerer Endverschluß von einer eine Durchgangsbohrung 121a aufweisenden Kugel 121 gebildet, die in einer Ringnut 122 eines Längskanales 123 angeordnet ist und gegen eine Verengung 124 dieses Längskanales 123 anliegt. Der zur Leitung 20 korrespondierende innere Endverschluß wird von einem Ventilteller 125 gebildet, der mit einem in der mit Kunststoff ausgekleideten Durchgangs­ bohrung 121a geführten Axialfortsatz 125a versehen ist. In den Fig. 12b bis 12d sind die beiden Endverschlüsse als Einzelteile dargestellt. Der Axialfortsatz 125a des Ventiltellers 125 besteht aus zwei kreuzförmig zueinander angeordneten Blechstreifen.

Die Funktionsweise des Absperrorganes A, das heißt der beiden Endverschlüsse ist aus den Fig. 13a bis 13c ersichtlich. Bei ausgefahrenem Leitungsendrohr liegt das am Balg 116 des äußeren Rohres 7a befestigte Mundstück dichtend gegen die in der Fig. 13a linke Seite der Verengung 124 des Kanales 123 an. Das innere Rohr 2a, dessen Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Innendurchmesser der Durchgangsbohrung 121a, liegt an der Kunststoffauskleidung der Durchgangsbohrung 121a der Kugel 121 an und drückt diese nach in der Figur rechts, so daß eine Verbindung zwischen der Leitung 21 und dem Ringraum zwischen den Rohren 2a und 7a hergestellt wird. Die Kugel 121 wird dabei soweit nach in der Figur rechts gedrückt, bis sie gegen eine Verengung 126 anliegt und somit die Verbindung zwischen den Leitungen 21 und 20 unterbrochen ist. Durch ein Querblech 127 im Inneren des Rohres 2a (Fig. 13b und 13c) wird der Axialfortsatz 125a und damit der Ventilteller 125 ebenfalls nach in der Figur rechts bewegt, so daß flüssiger Wasserstoff aus dem Rohr 2a durch die zwischen der Durchgangsbohrung 121a und dem Axialfortsatz 125a gebildeten Kanäle zur Leitung 20 fließen kann. Der Balg 116 hat in dieser Konstruktion die Aufgabe, Toleranzen auszugleichen.

Claims (15)

1. Kupplung für vakuumisolierte Rohr- oder Schlauchleitungen, die zur Führung eines kryogenen Mediums vorgesehen sind, bestehend aus einem Kupplungsstecker und einer Kupplungsdose, wobei

• a) der Kupplungsstecker und die Kupplungsdose unmittelbar benachbart der Trennebene jeweils mit einem Absperrorgan, wobei es sich um einen mit einer Durchgangsbohrung versehenen Kugelhahn handelt, versehen sind,
• b) im zusammengekuppelten Zustand ein Leitungsendrohr des Kupplungssteckers sich über die Trennebene hinaus in die Kupplungsdose hinein erstreckt und
• c) das Leitungsendrohr in axialer Richtung beweglich zum Kupplungsstecker und bis hinter das steckerseitige Absperrorgan zurückziehbar ist,
• d) die Kupplungsdose und der Kupplungsstecker jeweils einen Verbindungsflansch aufweisen,
• e) in der Berührungsebene der Verbindungsflansche, der Trennebene, eine Dichtung angeordnet ist und
• f) das steckerseitige Absperrorgan mit mindestens einer Spülvorrichtung versehen ist, die bei geringfügig geöffnetem Absperrorgan den Raum, in dem die Trennebene (T) liegt, mit der steckerseitigen Leitung und einer Ablaßöffnung verbindet,

dadurch gekennzeichnet, daß das steckerseitige Absperrorgan mindestens eine Druckentlastungsvorrichtung aufweist, die bei geschlossenem und geringfügig über die Schließstellung hinaus betätigtem Absperrorgan den Raum, in dem die Trennebene (T) liegt, mit einer Ablaßöffnung verbindet.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spülvorrichtung und die Druckent­ lastungsvorrichtung von Kanälen im Kugelküken (70) und damit in Wirkverbindung bringbaren Kanälen in der Kugelküken-Aufnahme gebildet werden.

3. Kupplung nach Anspruch 2, wobei die steckerseitige Leitung konzentrisch unter Bildung eines Ringraumes von einer zwischen dem Ausgangsort der Leitung und dem Kupplungsstecker angeordneten Außenwandung (270) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwan­ dung (270) im steckernahen Bereich flexibel im Sinne eines Membranbalgs (11) ausgebildet ist.

4. Kupplung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kupplungsdose (15) im trennebenenfernen Bereich ein weiteres dosenseiti­ ges Absperrorgan (18) angeordnet ist, das im zusammen­ gekuppelten Zustand mit dem Leitungsendrohr in Wirkver­ bindung bringbar ist.

5. Kupplung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die stecker­ seitige Leitung und das daran angeschlossene Leitungs­ endrohr aus zwei konzentrischen Leitungen (2, 7) oder Rohren (2a, 7a) besteht, wobei die eine Leitung zur Führung von flüssigem kryogenen Medium und die andere Leitung zur Führung von gasförmigem kryogenen Medium vorgesehen ist und die äußere Leitung (7) und das äußere Leitungsendrohr (7a) vakuumisoliert ausgebildet sind.

6. Kupplung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das weitere dosenseitige Absperrorgan (18) aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten, federbelasteten Endverschlüssen besteht, die zu den Leitungsendrohren (2a, 7a) korrespondieren und jeweils an der Mündung von an der Kupplungsdose angeschlos­ senen Leitungen (20, 21) angeordnet sind.

7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Endverschluß eine in einer Ringnut (122) eines Längskanales (123) der Kupplungsdose (15) angeordnete Kugel (121) aufweist, wobei an die Ringnut (122) die eine der beiden Leitungen (21) angeschlossen ist und wobei die Kugel (121) in Richtung zur Trenn­ ebene (T) federkraftbelastet gegen eine Verengung (124) im Längskanal (123) angestellt und durch das äußere Leitungsendrohr (7a) beaufschlagbar ist, und daß der innere Endverschluß von einem auf der trenn­ ebenenfernen Seite der Kugel (121) angeordneten Ventil­ teller (125) gebildet ist, die in Richtung zur Trenn­ ebene (T) federkraftbelastet gegen eine in Längsrich­ tung der Kupplungsdose (15) angeordnete Durchgangsboh­ rung (121a) der Kugel (121) angestellt ist, wobei der Ventilteller (125) mit einem in der Durchgangsbohrung (121a) geführten Axialfortsatz (125a) versehen ist, der durch das innere Leitungsendrohr (2a) beaufschlag­ bar und mit Axialdurchlässen versehen ist, und wobei an dem der trennebenenfernen Seite des Ventiltellers (125) zugeordneten Raum die andere der beiden Leitun­ gen (20) angeschlossen ist.

8. Kupplung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß bei in Schließstellung befindlichen Endver­ schlüssen die beiden an die Kupplungsdose (15) ange­ schlossenen Leitungen (20, 21) miteinander verbunden sind.

9. Kupplung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Leitung (2) und das innere Leitungsendrohr (2a) zur Führung von flüssigem kryogenen Medium vorgesehen sind und die äußere Leitung (7) und das äußere Leitungsendrohr (7a) zur Führung von gasförmigem kryogenen Medium.

10. Kupplung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Leitungsendrohr vorgeschaltetes weiteres steckerseitiges Absperrorgan (A) vorgesehen ist, wobei das Leitungsendrohr gegen­ über der steckerseitigen Leitung längsbeweglich ist und in Wirkverbindung mit dem weiteren steckerseitigen Absperrorgan (A) steht.

11. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das weitere steckerseitige Absperrorgan (A) im Leitungsabschnitt vor dem Membranbalg (11) angeordnet ist.

12. Kupplung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das weitere steckerseitige Absperrorgan (A) als federbelasteter Endverschluß ausgebildet ist, der zwischen die innere Leitung (2) und das innere Leitungsendrohr (2a) geschaltet ist.

13. Verwendung einer Kupplung nach einem der vorgenannten Ansprüche als Betankungskupplung für Kraftfahrzeuge, die mit flüssigem Wasserstoff betrieben werden.

14. Verwendung einer Kupplung nach Anspruch 13, wobei eine Kraftstoffversorgungsleitung eines Verbrennungsmotors wahlweise an eine flüssigen Wasserstoff führende Leitung oder an eine gasförmigen Wasserstoff führende Leitung eines vakuumisolierten Wasserstofftanks anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (21) für gasförmigen Wasserstoff über die Kupplungsdose (15) geführt ist und in die Leitung (20) mündet, die zum Auffüllen des Wasserstofftanks (22) vorgesehen ist.