DE4203519C2 - Vorrichtung zur Schaffung eines Druckausgleichs in der Tiefsee - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schaffung eines Druckausgleichs in der Tiefsee.

Wenn ein mit Gas gefülltes Gefäß in die Tiefsee abgesenkt werden soll, um das Gefäß am Meeresgrund zu installieren, so wird das Gefäß selbst druckfest gefertigt, damit es einem hohen Druck der Tiefsee widersteht.

Eine derartige Druckfestigkeit des Gefäßes wird herkömmlicherweise dadurch erreicht, daß die Wanddicke oder -stärke des Gefäßes erhöht wird. Die Erhöhung der Wanddicke des Gefäßes zur Steigerung dessen mechanischer Festigkeit kann abgewendet werden, indem Materialien, wie z. B. Titan, das sehr teuer ist, verwendet werden. Jedoch könnte ein relativ großes Druckgefäß nicht aus Titan konstruiert werden, da Titan eine schlechte maschinelle Bearbeitbarkeit hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Schaffung eines Druckausgleichs in der Tiefsee zu schaffen, die innere und äußere Drücke eines Gefäßes ausgleichen kann, so daß das Gefäß in der Tiefsee ohne eine Vergrößerung der Wanddicke zum Zweck der Steigerung der mechanischen Festigkeit des Gefäßes verwendet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen eine Vorrichtung zur Schaffung eines Druckausgleichs in der Tiefsee, mittels eines Gaserzeugungsbehälters und eines gegenüber dem Wasser geöffneten Gasspeicherbehälters, die an ihren Oberteilen über eine Verbindungs- und Rücklaufleitung gekoppelt sind, wobei beide Behälter an eine Gaszufuhrleitung angeschlossen sind, die in ein Gefäß mündet, dessen innerer Druck mit dem äußeren Wasserdruck ausgleichbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

In der US-PS 40 31 581 ist zwar bereits eine Boje beschrieben, die eine variable Verdrängung aufweist, um in verschiedenen Wassertiefen positioniert zu werden, und zwar mittels eines Druckgases, das aus einem oberen Gaserzeugungsbehälter in einen unteren Speicherbehälter gepreßt wird, wobei das Druckgas aus dem unteren Behälter entweichen kann, jedoch handelt es sich bei der Erfindung um eine Vorrichtung zum Druckausgleich für Gefäße in Tiefseeinsatz, bei dem der Gaserzeugungs- und der Gasspeicherbehälter gegenüber dem Umgebungsdruck ausgeglichen sind und mittels einer Gaszufuhrleitung an ein weiteres Gefäß angeschlossen sind. Die besagten Behälter sind dabei an den Oberteilen über eine Verbindung- und Rücklaufleitung miteinander verbunden, wobei diese solange als Verbindungsleitung arbeitet, wie der Gasspeicherbehälter noch mit Gas gefüllt ist, im anderen Falle hat sie die Funktion einer Rücklaufleitung für das Wasser in den Gaserzeugungsbehälter.

In der US-PS 42 66 500 wird eine Boje beschrieben, die prinzipiell genauso wie die Boje nach der US-PS 40 31 581 arbeitet.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verwendung in der Tiefsee;

Fig. 2(A)-Fig. 2(F) Änderungen in der Wechselbeziehung zwischen einem Gas und dem Meerwasser in der Vorrichtung, wobei die Fig. 2(A) den Zustand zeigt, in welchen die Vorrichtung auf den Meeresspiegel abgesenkt wird, die Fig. 2(B) die Vorrichtung bei ihrem Sinken, die Fig. 2(C) die Vorrichtung bei ihrem Aussetzen auf dem Meeresgrund, die Fig. 2(D) die Vorrichtung, wenn das Gas verwendet wird, und die Fig. 2(E) den Ersatz des Gases durch Meerwasser sowie die Fig. 2(F) den Zustand, wenn das Gas verbraucht ist;

Fig. 3 gemäß der Erfindung zur Lieferung eines Gases in tiefer See und

Fig. 4 eine weitere Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Nach den Fig. 1 und 2(A), 2(F) wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung dazu verwendet, ein Gas einer Brennstoffzelle zuzuführen, die ihrerseits elektrische Energie in ein Beobachtungsgerät oder dgl. in der Tiefsee liefert. Die Fig. 1 erläutert das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip, wonach die Vorrichtung gemäß der Erfindung einen Gaserzeugungsbehälter 4 hat, in welchem flüssiger Wasserstoff 3a aufgenommen ist, und einen Gasspeicherbehälter 6, in welchem und aus welchem das Meerwasser 5 frei durch den Boden des Behälters 6 fließt, wobei dieser Behälter das im Gaserzeugungsbehälter 4 erzeugte Wasserstoffgas H₂ speichern kann. An den Oberseiten der Behälter 4 und 6 sind jeweils Druckausgleichsventile 7 sowie 8 angeordnet. Die Oberseiten der Behälter 4 und 6 sind durch eine Gaszufuhrleitung 1 verbunden, so daß Gas der Brennstoffzelle zugeführt werden kann. Darüber hinaus werden die Oberteile der Behälter 4 und 6 für eine Verbindung untereinander durch eine Leitung 2 verbunden. Auf diese Weise wird eine Druckausgleichsvorrichtung I geschaffen. Der Gaserzeugungsbehälter 4 hat dabei eine in geeigneter Weise wärmeisolierte Außenoberfläche. In der Gaszufuhrleitung 1 liegt ein Durchsatz-Regelventil 9.

Obwohl der Gaserzeugungsbehälter 4, wie gesagt wurde, einen wärmeisolierten Aufbau hat, wird noch immer Wärme durch die Wärmeisolierung in den Gaserzeugungsbehälter 4 eindringen, in welchem dadurch der flüssige Wasserstoff 3a zu Wasser­ stoffgas H₂ verdampft. Dieses erzeugte Wasserstoffgas H₂ fließt durch die Gaszufuhrleitung zur Brennstoffzelle od. dgl., während ein Überschuß an Gas durch die Verbindungslei­ tung 2 in den Gasspeicherbehälter 6 fließt, in welchem es gespeichert wird. In diesem Zusammenhang ist festzuhalten, daß das im Behälter 4 erzeugte Wasserstoffgas H₂ eine Tempera­ tur von -252°C hat und in seiner Temperatur ohne weiteres während des Strömens durch die Leitung 1 oder 2 angehoben wird, so daß es im wesentlichen dieselbe Temperatur wie das Meerwasser 5 annimmt. Unter der oben beschriebenen Bedingung ist das Wasserstoffgas H₂ innerhalb des Speicherbehälters 6 ständig mit dem Meerwasser 5 in Kontakt und hat einen mit dem Wasserdruck ausgeglichenen Druck. Deshalb ist ein Innen­ druck in dem die Behälter 4 und 6, die Leitungen 1 und 2 sowie die mit der Leitung 1 verbundene Brennstoffzelle ent­ haltenden System mit dem Wasser- oder Außendruck ausgegli­ chen. Als Ergebnis dessen können die Behälter 4 und 6 als Druckausgleichgefäße mit dünnen Wänden gefertigt werden, so daß sie eine kompakte Größe und ein leichtes Gewicht erhalten können sowie billig herzustellen sind.

Die Fig. 2 zeigt schematisch Änderungen in der Wechselbezie­ hung zwischen dem Wasserstoffgas H₂ und dem Meerwasser, wäh­ rend der Druckausgleicher auf den Meeresspiegel abgesenkt und weiter zum tiefliegenden Meeresboden für eine Verwen­ dung auf diesem abgelassen wird. Auf einem Schiff wird das aus dem flüssigen Wasserstoff 3a im Gaserzeugungsbehälter 4 verdampfte Wasserstoffgas H₂ durch Öffnen des Entlastungs­ ventils 7 abgeführt, um dadurch den Behälter 4 von Wasser­ stoffgas H₂ freizumachen, während der Gasspeicherbehälter 6 mit Luft gefüllt wird. Anschließend werden die Behälter 4 und 6 auf den Meeresspiegel abgesenkt, wobei die Ventile 7 und 8 der Behälter 4 und 6 geschlossen bzw. geöffnet sind.

Durch den Boden des Behälters 6 fließt das Meerwasser 5 in diesen, wobei die Luft aus dem Behälter 6 über das Druckausgleichsventil 8 (Fig. 2(A)) abgeleitet wird. Nach der Ablei­ tung der Luft wird das Entlastungsventil 8 geschlossen. Wenn die Behälter 4 und 6 absinken, so ändert sich der Was­ serspiegel im Gasspeicherbehälter 6 in Abhängigkeit einer Änderung des Wasserdrucks und der Menge des erzeugten Was­ serstoffgases H₂, und der Gas- sowie der Wasserdruck werden ständig im Gleichgewicht gehalten (Fig. 2(B)). Unmittelbar nach dem Aufsetzen auf dem Meeresboden wird derselbe Zustand aufrechterhalten (Fig. 2(C)). Jedoch verdampft der flüssi­ ge Wasserstoff 3a weiterhin, und schließlich ist der gesam­ te flüssige Wasserstoff 3a, der als Wasserstoffgas H₂ dem Gasspeicherbehälter 6 zugeführt werden soll, verdampft, so daß das Volumen des Wasserstoffgases H₂ im Gasspeicherbehäl­ ter 6 vergrößert wird und schließlich nahezu der gesamte Innenraum des Behälters 6 mit dem Wasserstoffgas H₂ angefüllt ist.

Wenn hierauf das Wasserstoffgas H₂ allmählich durch die Brennstoffzelle verbraucht wird, steigt der Wasserspiegel im Gasspeicherbehälter 6 an (Fig. 2(D)). Wenn das ganze Was­ serstoffgas H₂ im Behälter 6 verbraucht worden ist, dann ist dieser Behälter gänzlich mit dem Meerwasser 5 angefüllt, das durch die Rücklaufleitung 2 in den Behälter 4 fließt (Fig. 2(E)), so daß das Wasserstoffgas H₂ im Behälter 4 völlig durch das Meerwasser 5 ersetzt wird (Fig. 2(F)). Auf die beschriebene Weise ist das Wasserstoffgas H₂ im Gaserzeugungsbehälter 4 gänzlich verbraucht worden, ist der Behälter 4 völlig mit dem Meerwasser 5 angefüllt und ist die Brennstoffzelle abgeschaltet. In einem Fall, da das Was­ serstoffgas H₂ nicht für die Energieversorgung einer Brenn­ stoffzelle od. dgl. benötigt wird, kann flüssiger Stickstoff od. dgl. anstelle des flüssigen Wasserstoffs 3a verwendet und der Druckausgleich aufrechterhalten werden, wie in Fig. 2(D) gezeigt ist.

Die Fig. 3 gibt ein System zur Erzeugung und Zufuhr von Sauerstoff und eines Brenngases zu einer Brennstoffzelle 10 in einem Gefäß 11, wobei zwei Druckausgleichvorrichtungen I der oben beschriebenen Bauart verwendet werden, wieder. Bei der einen Ausgleichvorrichtung I auf der linken Seite in Fig. 3 ist der Gaserzeugungsbehälter 4 mit dem flüssigen Wasserstoff 3a gefüllt, wie oben mit Bezug auf Fig. 2 be­ schrieben wurde, und die Gaszufuhrleitung 1 ist mit einer Anode der Brennstoffzelle 10 verbunden, so daß das im Be­ hälter 4 erzeugte Wasserstoffgas der Anode zugeführt wird. In der anderen Ausgleichvorrichtung I auf der rechten Seite in Fig. 3 ist der Gaserzeugungsbehälter 4 mit flüssigem Sau­ erstoff 3b gefüllt, wobei die Gaszufuhrleitung 1 an eine Kathode der Brennstoffzelle 10 angeschlossen ist, so daß das im Behälter 4 erzeugte Sauerstoffgas O₂ der Kathode zu­ geführt wird. In den Gaszufuhrleitungen 1 ist jeweils ein Durchsatz-Regelventil 12 angeordnet; eine Pumpe 13 dient dazu, das in der Brennstoffzelle 10 erzeugte Wasser ab­ zuführen.

Mit dem in Fig. 3 dargestellten System können das Wasser­ stoffgas H₂ und das Sauerstoffgas O₂, die jeweils in den Behältern 4 erzeugt werden, unmittelbar der Brennstoffzelle zugeführt werden.

In einem Fall, wobei die Brennstoffzelle 10 in einem Gefäß 14 untergebracht ist, das im Gegensatz zu dem System von Fig. 3 nicht druckfest ist, muß der Druckausgleich auch in dem Gefäß 14 aufrechterhalten werden. Zu diesem Zweck wird eine Druckausgleichvorrichtung II, wie in Fig. 4 gezeigt ist, die einen mit flüssigem Stickstoff 3c gefüllten Gaser­ zeugungsbehälter 4 enthält, zugefügt, wobei deren Gaszufuhr­ leitung 1 mit dem Gefäß 14 verbunden wird, so daß das im Be­ hälter 4 der Druckausgleichvorrichtung 2 erzeugte Stickstoff­ gas N₂ dem Gefäß 14 zugeführt wird. Dadurch wird der Innen­ druck im Gefäß 14 im Gleichgewicht mit dem Außendruck aus dem in Fig. 2(A) gezeigten Zustand gehalten. Am Gefäß 14 ist ein Druckregelventil 15 angebracht, und in den Gaszufuhr­ leitungen 1 innerhalb des Gefäßes 14 sind jeweils Gebläse 16 angeordnet.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten System können die Innen- und Außendrücke des Gefäßes 14 ausgeglichen werden, so daß die­ ses Gefäß 14 in einen Druckausgleicher umgewandelt werden kann und infolgedessen die Wanddicke des Gefäßes 14 gering gemacht werden kann.

Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend be­ schriebenen Ausführungsformen begrenzt ist, sondern inner­ halb des Rahmens des Erfindungsgedankens Abwandlungen vor­ genommen werden können. Beispielsweise wurde bisher davon gesprochen, daß jeder Gaserzeugungsbehälter 4 ein Niedertem­ peratur-Flüssiggas, wie flüssigen Wasserstoff 3a, flüssigen Sauerstoff 3b oder flüssigen Stickstoff 3c, enthält, welcher unter Vergrößerung seines Volumens zu einem Gas verdampft. Anstelle eines Flüssiggases kann eine Zusammensetzung, wie eine Wasserstoffabsorptionslegierung, verwendet werden, die in Abhängigkeit von irgendeiner Änderung in der Temperatur und/oder dem Druck ein Gas erzeugen wird. Statt des das Flüssiggas enthaltenden Gaserzeugungsbehälters kann ein Gas­ behälter, der selbst ein Druckgas enthält und welcher aufgrund des aufgenommenen Druckgases ein Druckgefäß ist, verwendet werden. Wenn im letztgenannten Fall der Druck des den Behälter umschließenden Wassers im wesentlichen gleich einem Innendruck des Behälters wird, werden Aus­ gleichventile für den Gasbehälter geöffnet, um das Gas dem Gasspeicherbehälter zuzuführen, wodurch der Druckausgleich erlangt wird.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Schaffung eines Druckausgleichs in der Tiefsee, mittels eines Gaserzeugungsbehälters (4) und eines gegenüber dem Wasser (5) geöffneten Gasspeicherbehälters (6), die an ihren Oberteilen über eine Verbindungs- und Rücklaufleitung (2) gekoppelt sind, wobei beide Behälter (4, 6) an eine Gaszufuhrleitung (1) angeschlossen sind, die in ein Gefäß (11, 14) mündet, dessen innerer Druck mit dem äußeren Wasserdruck ausgleichbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Gaserzeugungsbehälter (4) ein Niedertemperatur-Flüssiggas enthält.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gaserzeugungsbehälter (4) eine Wasserstoffabsorptionslegierung enthält.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Gaserzeugungsbehälter (4) ein Druckgas und Druckausgleichventile (7, 8) aufweist.