EP1571390B1 - Doppelwandiger Behälter mit magnetischer Aufhängung - Google Patents

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EP1571390B1
EP1571390B1 EP04290556A EP04290556A EP1571390B1 EP 1571390 B1 EP1571390 B1 EP 1571390B1 EP 04290556 A EP04290556 A EP 04290556A EP 04290556 A EP04290556 A EP 04290556A EP 1571390 B1 EP1571390 B1 EP 1571390B1
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EP
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container
inner container
casing
metal tube
container according
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Klaus Schippl
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Nexans SA
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    • F17C2260/031—Dealing with losses due to heat transfer
    • F17C2260/033—Dealing with losses due to heat transfer by enhancing insulation

Definitions

  • the invention relates to a double-walled container according to the preamble of claim 1.
  • Containers for low-boiling, liquefied gases are always provided with elaborate insulation in order to minimize the evaporation of the liquefied gas caused by the incidence of heat from the environment. They are therefore designed as a double-walled container, wherein the liquefied gas receiving inner container is mounted in an ambient temperature exposed outer container, wherein between the inner container and the outer container, an insulating layer is provided.
  • the insulation consists of poorly heat-conductive material such as superinsulation. After completion of the container, the gap is evacuated.
  • the cold inner container is connected by mechanical suspension or support elements with the outer container.
  • Such connections are unavoidable in order to absorb the forces acting on the inner container due to their own weight and operating stresses. For this they must have sufficient mechanical strength and rigidity and thus inevitably lead to heat through solid-state heat conduction.
  • the inner container is superconductor, which are located in the liquefied gas and stored on the outer container arranged on the permanent magnet non-contact to the outer container.
  • the superconductor is type II ceramic superconductors such as. YBCO 123 or BSCCU 2212, whose critical temperature Tc is above the temperature of the low-boiling liquefied gas.
  • a tubular conduit is provided, which penetrates through the walls of the outer container and the inner container. For smaller containers from which the liquefied gas can be removed by pouring, this solution is not useful.
  • the present invention has for its object to provide a double-walled container for liquefied gases, which is easy to handle and in which the heat losses are reduced in particular in the region of the spout and thus the storage time of the liquefied gas can be extended.
  • Figure 1 shows a section through a container according to the teachings of the invention.
  • Figure 2 shows an enlarged section through the spout of the container according to the invention.
  • the container consists of an inner container 1, which receives the medium and a surrounding the inner container 1 outer housing. 2
  • the container 1 and the housing 2 have the shape of a ball and are composed of two hemispherical shells. However, other embodiments are possible.
  • the hemispherical shells are expediently made of austenitic steel and are connected to each other by a weld.
  • a thin-walled corrugated metal tube 3 is welded, which serves as a filling and as a pouring device.
  • a pipe stub 4 is arranged on the outer housing 2, which is also welded to the outer housing 2.
  • the intermediate space 5 located between the inner container 1 and the outer housing 2 is filled with several layers 6 superinsulation and evacuated. Also, the annular space 7 between the metal tube 3 and the pipe socket 4 has a plurality of layers Super insulation on.
  • the vacuum space 5 is sealed to the outside by an annular disk 14.
  • the high-temperature superconductor 8 On the inner container 1, two high-temperature superconductor 8 are attached.
  • the high-temperature superconductors 8 opposite two permanent magnets 9 are provided which are fixed to the outer housing 2.
  • the high-temperature superconductor 8 and the permanent magnets 9 provide a non-contact storage of the inner container 1 in the outer housing. 2
  • the enthalpy of the cold gas is fully utilized and the heat inflow through the metal tube 3 into the interior of the container 1 is reduced.
  • the vacuum space is sealed by the annular disc 14, which is gas-tight welded to the pipe socket 4 and a screwed onto the end of the metal tube 3 bushing 12.
  • the end of the metal tube 3 is also welded to the bushing 12.
  • the exiting from the interior of the container 1 cold gas can escape through an outlet 13 into the atmosphere.
  • the wall thickness of the metal tube 3 is kept as low as possible.
  • the metal tube 3 is made of a stainless steel plate by longitudinal seam welding and subsequent shafts whose wall thickness is between 0.1 and 0.5 mm.
  • the length of the metal tube 3 is between 30 and 200 mm, its outer diameter is between
  • the metal tube 3 has a very low thermal conductivity due to its small wall thickness and due to the stainless steel material. From the corrugation of the metal tube 3 still results in the advantage that the metal tube 3 has a high degree of flexibility and a higher transverse stiffness than a smooth metal tube. In addition, that is Corrugated metal tube 3 "longer” than a smooth metal tube, as more metal band is required. Due to the larger "length", the thermal conductivity is even lower.
  • the container according to the teachings of the invention is particularly suitable for liquefied gases. Compared to commercially available containers results in an extension of the liquefied gas storage by several factors.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen doppelwandigen Behälter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Behälter für tiefsiedende, verflüssigte Gase sind stets mit einer aufwendigen Isolierung versehen, um die durch den Wärmeeinfall aus der Umgebung verursachte Verdampfung des verflüssigten Gases gering zu halten. Sie werden deshalb als doppelwandige Behälter ausgeführt, wobei ein das verflüssigte Gas aufnehmender Innenbehälter in einem der Umgebungstemperatur ausgesetzten Außenbehälter gelagert ist, wobei zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter eine Isolierschicht vorgesehen ist.
  • Die Isolierung besteht aus schlecht wärmeleitendem Material wie beispielsweise Superisolation. Nach Fertigstellung des Behälters wird der Zwischenraum evakuiert.
  • Der kalte Innenbehälter ist durch mechanische Aufhängung oder Stützelemente mit dem Außenbehälter verbunden. Solche Verbindungen sind unvermeidlich, um die durch Eigengewicht und Betriebsbeanspruchungen auf den Innenbehälter wirkenden Kräfte aufnehmen zu können. Dazu müssen sie eine ausreichende mechanische Festigkeit und Steifigkeit aufweisen und führen so zwangsläufig zu Wärmeeinfall durch Festkörper-Wärmeleitung.
  • Besondere Auswirkungen hat dies bei Fahrzeugtanks für neue Kryokraftstoffe. Bei diesen Tanks muß wegen optimaler Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Tankraums der Isolationsabstand zwischen Innen- und Außenbehälter so gering wie möglich gehalten werden. Bei konventioneller Behälteraufhängung führt dies zu kurzen Stützelementen mit vergleichsweise hohen Wärmeeinfall und dadurch eingeschränkten Standzeiten.
  • Aus der DE 44 18 745 C2 ist ein doppelwandiger Behälter für die Speicherung tiefsiedender verflüssigter Gase mit einem Außenbehälter und einem im Außenbehälter gelagerten, das verflüssigte Gas aufnehmenden Innenbehälter, bekannt. Der Innenbehälter ist über Supraleiter, die sich in dem verflüssigten Gas befinden und über am Außenbehälter angeordnete Permanentmagneten berührungsfrei zum Außenbehälter gelagert. Bei dem Supraleiter handelt es sich um keramische Supraleiter vom Typ II wie z. B. YBCO 123 oder BSCCU 2212, deren kritische Temperatur Tc über der Temperatur des tiefsiedenden verflüssigten Gases liegt.
  • Zur Befüllung des Innenbehälters mit verflüssigtem Gas bzw. zur Entnahme ist eine rohrförmige Leitung vorgesehen, die durch die Wandungen des Außenbehälters und des Innenbehälters dringt. Für kleinere Behälter aus denen das verflüssigte Gas durch Gießen entnommen werden kann, ist diese Lösung nicht brauchbar.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen doppelwandigen Behälter für verflüssigte Gase bereitzustellen, der gut handhabbar ist und bei dem die Wärmeverluste insbesondere im Bereich der Ausgußöffnung verringert werden und somit die Lagerzeit des Flüssiggases verlängert werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 erfaßten Merkmale gelöst.
  • Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind:
    • die automatische Aktivierung des Schwebezustands wird durch die flexible Halterung im Bereich der Ausgußöffnung erreicht,
    • die Wärmeverluste im Bereich der Ausgußöffnung werden durch die Verwendung des schraubenlinienförmig gewellten Metallrohres reduziert. Durch den nichtmetallischen Stopfen wird das kalte verdampfte Gas in dem schraubenlinienförmig um die Ausgußöffnung herumlaufenden Strömungskanal entlanggeführt und erwärmt sich dort bis zum Austritt aus dem Ausguß. Dadurch wird die Enthalpie des Kaltgases voll ausgenutzt und die Wärmeeinströmung durch den Ausguß ins Innere des Behälters reduziert.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen erfaßt.
  • Die Erfindung ist anhand des in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen Behälter nach der Lehre der Erfindung.
  • Figur 2 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch den Ausguß des erfindungsgemäßen Behälters.
  • Der Behälter besteht aus einem inneren Behälter 1, der das Medium aufnimmt und einem den inneren Behälter 1 umgebenden äußeren Gehäuse 2.
  • Der Behälter 1 und das Gehäuse 2 haben die Form einer Kugel und sind aus zwei halbkugelförmigen Schalen zusammengesetzt. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich.
  • Die halbkugelförmigen Schalen bestehen zweckmäßigerweise aus austenitischem Stahl und sind durch eine Schweißnaht miteinander verbunden.
  • An dem inneren Behälter 1 ist ein dünnwandiges gewelltes Metallrohr 3 angeschweißt, welches als Füll- sowie als Ausgußvorrichtung dient.
  • Konzentrisch zum Metallrohr 3 ist an dem äußeren Gehäuse 2 ein Rohrstutzen 4 angeordnet, der ebenfalls mit dem äußeren Gehäuse 2 verschweißt ist.
  • Der zwischen dem inneren Behälter 1 und dem äußeren Gehäuse 2 befindliche Zwischenraum 5 ist mit mehreren Lagen 6 Superisolierung ausgefüllt und evakuiert. Auch der Ringraum 7 zwischen dem Metallrohr 3 und dem Rohrstutzen 4 weist mehrere Lagen Superisolierung auf. Der Vakuumraum 5 ist nach außen durch eine Ringscheibe 14 abgedichtet.
  • An dem inneren Behälter 1 sind zwei Hochtemperatursupraleiter 8 angebracht. Den Hochtemperatursupraleitern 8 gegenüber sind zwei Permanentmagnete 9 vorgesehen, die an den äußeren Gehäuse 2 befestigt sind. Die Hochtemperatursupraleiter 8 und die Permanentmagnete 9 sorgen für eine berührungsfreie Lagerung des inneren Behälters 1 in dem äußeren Gehäuse 2.
  • In dem Metallrohr 3 ist noch ein Stopfen 10 aus Isoliermaterial, z. B. Kunststoff vorgesehen, dessen Durchmesser nahezu gleich der lichten Weite des Metallrohres 3 ist, so daß der Innenraum des inneren Behälters 1 mit der äußeren Umgebung durch einen schraubenlinienförmigen Kanal 11 (s. Figur 2) verbunden ist, durch den verdampftes Kaltgas austreten kann. Dabei wird die Enthalpie des Kaltgases voll ausgenutzt und die Wärmeeinströmung durch das Metallrohr 3 ins Innere des Behälters 1 reduziert.
  • Wie in der Figur 2 vergrößert dargestellt ist der Vakuumraum durch die Ringscheibe 14 abgedichtet, die mit dem Rohrstutzen 4 sowie einer auf das Ende des Metallrohres 3 aufgeschraubte Buchse 12 gasdicht verschweißt ist. Das Ende des Metallrohres 3 ist ebenfalls mit der Buchse 12 verschweißt. Das aus dem Innern des Behälters 1 austretende Kaltgas kann durch eine Auslaßöffnung 13 in die Atmosphäre entweichen. Um den Wärmeeinfall von außen in den Behälter 1 weitestgehend zu reduzieren, wird die Wanddicke des Metallrohres 3 so weit wie möglich gering gehalten. So wird das Metallrohr 3 aus einem Blech aus rostfreiem Stahl durch Längsnahtschweißen und anschließendes Wellen hergestellt, dessen Wanddicke zwischen 0,1 und 0,5 mm liegt. Die Länge des Metallrohres 3 beträgt zwischen 30 und 200 mm, sein Außendurchmesser liegt zwischen
  • Das Metallrohr 3 hat aufgrund seiner geringen Wanddicke und aufgrund des Werkstoffes rostfreier Stahl eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit. Aus der Wellung des Metallrohres 3 resultiert noch der Vorteil, daß das Metallrohr 3 eine große Flexibilität und eine höhere Quersteifigkeit als ein glattes Metallrohr aufweist. Darüberhinaus ist das gewellte Metallrohr 3 "länger" als ein glattes Metallrohr, da mehr Metallband erforderlich ist. Durch die größere "Länge" wird die Wärmeleitfähigkeit nochmals geringer. Der Behälter nach der Lehre der Erfindung ist besonders für verflüssigte Gase geeignet. Gegenüber handelsüblichen Behältern ergibt sich eine Verlängerung der Flüssiggaslagerung um mehrere Faktoren.

Claims (7)

  1. Doppelwandiger Behälter zur Lagerung und zum Transport kryogener Medien, bestehend aus einem inneren, das Medium aufnehmenden Behälter sowie einem im Abstand zum inneren Behälter angeordneten Gehäuse und einem zwischen dem inneren Behälter und dem äußeren Gehäuse befindlichen Vakuumraum, wobei in dem Vakuumraum zumindest ein Permanentmagnet angeordnet ist und der Permanentmagnet und ein Hochtempertursupraleiter einander gegenüberliegen, so daß sich eine berührungslose Lagerung des inneren Behälters im Gehäuse ergibt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    - der Hochtemperatursupraleiter (8) befindet sich im Vakuumraum (5),
    - der innere Behälter (1) sowie das Gehäuse (2) weisen jeweils eine Aushalsung
    - (3,4) auf, wobei die Aushalsungen (3,4) konzentrisch zueinander angeordnet sind,
    - die Aushalsung (3) des inneren Behälters (1) ist ein schraubenlinienförmig gewelltes Metallrohr (3), dessen nach außen weisendes Ende an der Aushalsung (4) des Gehäuses (2) befestigt ist.
  2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (9) am Gehäuse (2) und der Hochtemperatursupraleiter (8) am inneren Behälter (1) befestigt ist.
  3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Vakuumraum (5) mehrere Lagen (6) eines Superisolierwerkstoffs befinden.
  4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Innern des gewellten Metallrohres (3) ein Stopfen (10) aus nicht metallischem Material befindet.
  5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (10) den lichten Querschnitt des gewellten Metallrohres (3) ausfüllt, so daß ein schraubenlinienförmig verlaufender Kanal (11) zwischen Wellrohr (3) und Stopfen (10) gebildet wird.
  6. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellrohr (3) eine Wanddicke von 0,1 bis 0,5 mm aufweist.
  7. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Permanentmagneten (9) und Hochtemperatursupraleiter (8) im Winkel von 0 - 90° zur Senkrechten im Vakuumraum (5) gleichmäßig verteilt im unteren Behälterbereich angeordnet sind.
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