EP2805098A1 - Speicherbehälter von kryogenem druckgas mit einem einlass - Google Patents
Speicherbehälter von kryogenem druckgas mit einem einlassInfo
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/32—Hydrogen storage
Definitions
- the invention relates to a storage container of cryogenic compressed gas, in particular a Kryoyaktank for a motor vehicle, with a storage volume for receiving the stored gas and an inlet for introducing the gas to be stored in the storage volume.
- cryogenic gas is stored under high pressure (13 bar to 350 bar) in gaseous form.
- the storage tank requires a very good, usually double walled super insulation with a high vacuum.
- a cryogenic pressurized gas storage tank in particular a cryopump for a motor vehicle, having a storage volume for receiving the stored gas and an inlet for introducing the gas to be stored into the storage volume, the inlet having a protruding into the storage volume tubular Inlet conduit is designed, are provided at the plurality of spaced from each other inlet openings.
- the solution according to the invention is based on the finding that the gas introduced into the storage container has an at least slightly lower temperature than at least parts of the gas in the storage volume.
- the stored gas is first cooled locally and only after refueling does a temperature equalization take place towards the remaining storage volume and its storage wall. This effect occurs especially in partially or completely emptied storage container.
- the consequent subsequent heat input into the stored gas causes a further pressure build-up in the storage tank. This leads after complete refueling to a downstream overshoot of the tank pressure. This results in an overfilling of the storage container, which could possibly shorten the loss-free life of the storage container.
- the deep-cryogenic cryoprotective gas to be stored is introduced into the storage volume along the inlet line, both axially and radially, in a particularly even distribution into the storage volume.
- a purely local cooling, in particular the storage wall of the storage container is avoided.
- the solution according to the invention avoids thus even with complete refueling a subsequent overshoot of the tank pressure.
- the inlet pipe is designed as a pipe and the inlet openings are arranged in six, circumferentially spaced at an angular distance of 60 0 (degrees) rows on the pipe.
- Such a design of the inlet duct as a pipe which projects into the storage volume contributes to an additional temperature equalization of the introduced gas as it flows through the inlet duct.
- the sequence of inlet openings can be manufactured reliably and inexpensively getting produced.
- the inlet openings are preferably arranged close to each other in the middle of the storage volume. Closely side by side here means that the inlet openings are positioned comparatively close to each other at a maximum distance of ten times their own diameter.
- the selected arrangement in the center or the center of the storage volume helps that the gas introduced evenly distributed in the storage volume. Distances with this arrangement of the inlet openings a largely uniformly wide distance between the introduction region and the storage wall.
- the inlet openings are arranged close to each other on one side of the storage volume.
- the arrangement of this kind can be advantageous in that the introduced gas can be introduced into the storage volume in a targeted manner through the inlet openings in such a way that it distributes itself in the storage volume without coming close to the storage wall.
- a particularly uniform distribution of the introduced gas into the storage container can be achieved by the inlet conduit designed as a tube and the inlet openings in three, spaced circumferentially at an angular distance of 120 0 rows arranged on the tube.
- the inlet duct may advantageously be designed as a tube, on which the inlet openings are arranged in a row.
- the solution of this type can be produced more cheaply.
- the tube In order to obtain a uniform distribution, in particular in a cylindrical storage volume, it is preferred according to the invention for the tube to extend transversely through the storage volume and for the inlet openings to be arranged at a distance from one another over the longitudinal extent of the tube.
- Particularly preferred 36 circular inlet openings, each with a diameter of 1 mm (millimeters) are provided.
- the inlet openings are preferably aligned at the tube obliquely to its longitudinal extent, in particular at an angle of less than 45 °.
- Fig. 1 is a longitudinal section of a first embodiment of a
- Fig. 2 is a longitudinal section of a second embodiment of a
- Fig. 3 is a side view of a portion of the inlet pipes of
- FIG. 4 shows a cross section of the inlet lines according to FIG. 3, FIG.
- Fig. 5 is a longitudinal section of a third embodiment of a
- Fig. 6 is a longitudinal section of a fourth embodiment of a
- Fig. 7 is a side view of a portion of the inlet pipes of
- FIG. 8 shows a cross section of the inlet lines according to FIG. 7, FIG.
- FIGS. 10 and 11 shows a cross section of the inlet line according to FIGS. 10 and
- cryogenic gas is suitable for any type of H 2 -Energiewandlant and is preferably used to drive an internal combustion engine of a further not illustrated vehicle. For this purpose, the gas is removed from the storage container 10 and fed to the internal combustion engine.
- the CcH 2 is stored at very low temperature at supercritical pressure.
- the storage container 10 has an outer tank or a storage housing 12, which encloses a storage volume 14 for receiving the gas in a fluid-tight manner.
- the storage housing 12 is formed with an outer shell 16, an insulation disposed therein 18 and an inner tank or an inner storage wall 20.
- a heat exchanger 22 is guided, by means of which the stored gas can be heated.
- an inlet 24 is provided, by means of which CcH 2 gas can be introduced into the storage volume 14.
- the gas introduced in this way has an at least slightly lower temperature than the gas already in the storage volume 14.
- the inlet 24 is designed in accordance with all embodiments with an inlet conduit designed as a tube 26, which projects into the storage volume 14 and serves both as a filling and as a discharge line.
- the inlet conduit 26 extends transversely through the entire storage volume 14 and has at its end region a plurality of inlet openings 28 arranged at a distance from each other.
- FIG. 2 shows an exemplary embodiment in which the inlet line 26 is guided in a tubular manner to the middle of the storage volume 14. Again, there are a plurality of inlet openings 28 at the end region of the inlet line 28.
- the inlet openings 28 in six, circumferentially spaced at an angular distance a (alpha) of 60 0 (degrees) rows 30 are arranged on the inlet conduit 26 in the embodiments according to FIGS..
- the inlet openings 26 are arranged close to each other over a length of 40 mm (millimeters) to 60 mm, preferably 50 mm, with respective distances a of 4 mm to 13 mm, preferably 9 mm, and each have a diameter of 0.8 mm to 1, 2 mm, preferably 1 mm, on.
- FIGS. 5-8 illustrate two embodiments in which the tubular inlet conduit 26 is also routed across the entire storage volume 14.
- the inlet openings 28 are distributed over substantially the entire longitudinal extent of the inlet line 26 distributed at equal intervals a of about 20 mm to 80 mm, preferably 50 mm, spaced apart from each other.
- three rows 30 with inlet openings 28 are distributed on the circumference at an angular distance a of 120 ° each.
- inlet openings 28 In the embodiment according to FIG. 6, only one row 30 of inlet openings 28 is provided, all of which are directed upwards.
- the inlet openings 28 of these embodiments according to FIG. 5 to 8 have a diameter of 1, 5 mm to 1, 9 mm, preferably 1, 7 mm.
- FIGS. 9 to 12 show an exemplary embodiment in which the inlet line 26 only projects into the storage volume 14 for a comparatively short distance.
- Such the tubular inlet line 26 has, at its end portion on six rows 30, each with six inlet openings 28, each of ⁇ at an angle (Phi) of 30 0 to 60 °, preferably 45 ° are directed obliquely to the longitudinal extension of the inlet conduit 26th
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Abstract
Speicherbehälter (12) für ein Kraftfahrzeug zur Speicherung von kryogenem Druckgas, eventuell im überkritischem Zustand, mit einem Einlass (26) zum Einleiten des zu speichernden Gases in das Speichervolumen, wobei der Einlass in dem Speichervolumen hineinragend und mehrere von einander beabstandet angeordnete Einlassöffnungen (28) aufweist. Dies dient eine lokale Abkühlung des Gases und meidet starke Thermospannungen an der Wandung des Speicherbehälters.
Description
Speicherbehälter von kryogenem Druckgas mit einem Einlass
Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, insbesondere einen Kryodrucktank für ein Kraftfahrzeug, mit einem Speichervolumen zum Aufnehmen des gespeicherten Gases und einem Einlass zum Einleiten des zu speichernden Gases in das Speichervolumen.
Zum Betreiben von Kraftfahrzeugen zum Beispiel mit Wasserstoff oder Erdgas als Treibstoff ist es bekannt, das Gas in unterkritischem Zustand in einem speziellen druckfesten Behälter zu speichern. Das tiefkalte Gas wird dabei unter hohem Druck (13 bar bis 350 bar) gasförmig gespeichert. Dazu muss vermieden werden, dass ein Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Speicherbehälter erfolgen kann. Daher benötigt der Speicherbehälter eine sehr gute, in der Regel doppelwandige Superisolation mit einem Hochvakuum. Beim Befüllen bzw. Betanken des derartigen Speicherbehälters mit tiefkaltem Gas muss ebenfalls dessen Speicherinhalt gleichmäßig auf ausreichend niedriger Temperatur gehalten werden. Dies gelingt bei bestehenden Speicherbehältern nicht in jedem Fall. Gemäß der Erfindung ist ein Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, insbesondere ein Kryodrucktank für ein Kraftfahrzeug, geschaffen, mit einem Speichervolumen zum Aufnehmen des gespeicherten Gases und einem Einlass zum Einleiten des zu speichernden Gases in das Speichervolumen, bei dem der Einlass mit einer in das Speichervolumen hineinragenden rohrförmigen
Einlassleitung gestaltet ist, an der mehrere von einander beabstandet angeordnete Einlassöffnungen vorgesehen sind.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass das in den Speicherbehälter eingebrachte Gas eine zumindest geringfügig geringere Temperatur hat als zumindest Teile des Gases im Speichervolumen. Bei einer lokal begrenzten Einbringung von Gas in das Speichervolumen besteht daher die Problematik, dass das gespeicherte Gas zunächst lokal gekühlt wird und erst nach dem Betanken ein Temperaturausgleich hin zum restlichen Speichervolumen und dessen Speicherwandung erfolgt. Dieser Effekt tritt insbesondere bei teilweise oder vollständig entleertem Speicherbehälter auf. Der damit bedingte nachträgliche Wärmeeintrag in das gespeicherte Gas verursacht einen weiteren Druckaufbau im Speicherbehälter. Dies führt nach vollständiger Betankung zu einem nachgelagerten Überschwingen des Tankdrucks. Es ergibt sich also eine Überfüllung des Speicherbehälters, welche die verlustfreie Standzeit des Speicherbehälters gegebenenfalls verkürzen könnte. Darüber hinaus verursachen ungleichmäßige Abkühlungen des Speicherbehälters an dessen Speicherwandung starke Thermospannungen, die ebenfalls vermieden werden sollten. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird das zu speichernde, tiefkalte, Kryodruckgas in das Speichervolumen entlang der Einlassleitung sowohl axial als auch radial besonders gleichmäßig verteilt in das Speichervolumen eingeleitet. Dabei wird eine rein lokale Kühlung insbesondere der Speicherwandung des Speicherbehälters vermieden. Die Lösung gemäß der Erfindung vermeidet damit selbst bei Vollständiger Betankung ein nachträgliches Überschwingen des Tankdrucks.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Einlassleitung als Rohr gestaltet und die Einlassöffnungen sind in sechs, am Umfang im Winkelabstand von je 60 0 (Grad) beabstandeten Reihen am Rohr angeordnet. Die derartige Gestaltung der Einlassleitung als ein Rohr, welches in das Speichervolumen hineinragt, trägt zu einer zusätzlichen Temperaturangleichung des eingeleiteten Gases beim Durchströmen der Einlassleitung bei. Die Reihung von Einlassöffnungen kann fertigungstechnisch prozesssicher und kostengünstig
hergestellt werden.
Die Einlassöffnungen sind vorzugsweise eng nebeneinander in der Mitte des Speichervolumens angeordnet. Eng nebeneinander bedeutet hier, dass die Einlassöffnungen vergleichsweise nah nebeneinander in einem Abstand von maximal dem zehnfachen ihres eigenen Durchmessers positioniert sind. Die gewählte Anordnung in der Mitte bzw. dem Zentrum des Speichervolumens trägt dazu bei, dass das eingebrachte Gas sich gleichmäßig im Speichervolumen verteilt. Fernen besteht mit dieser Anordnung der Einlassöffnungen ein weitgehend gleichmäßig weiter Abstand zwischen dem Einbringbereich und der Speicherwandung.
Alternativ sind die Einlassöffnungen eng nebeneinander an einer Seite des Speichervolumens angeordnet. Die derartige Anordnung kann insofern vorteilhaft sein, als durch die Einlassöffnungen das eingeleitete Gas gezielt in das Speichervolumen derart eingeleitet werden kann, dass es sich im Speichervolumen verteilt, ohne nahe an die Speicherwandung zu geraten.
Eine besonders gleichmäßige Verteilung des eingeleiteten Gases in den Speicherbehälter kann erzielt werden, indem die Einlassleitung als Rohr gestaltet und die Einlassöffnungen in drei, am Umfang im Winkelabstand von je 120 0 beabstandeten Reihen am Rohr angeordnet sind.
Alternativ kann die Einlassleitung vorteilhaft als Rohr gestaltet sein, an dem die Einlassöffnungen in einer Reihe angeordnet sind. Die derartige Lösung kann kostengünstiger hergestellt werden.
Um eine gleichmäßige Verteilung insbesondere in einem zylindrischen Speichervolumen zu erhalten, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass sich das Rohr quer durch das Speichervolumen erstreckt und die Einlassöffnungen über die Längserstreckung des Rohres hinweg beabstandet angeordnet sind.
Besonders bevorzugt sind 36 kreisrunde Einlassöffnungen mit je einem Durchmesser von 1 mm (Millimeter) vorgesehen. Alternativ sind vorzugsweise 12 kreisrunde Einlassöffnungen mit je einem Durchmesser von 1 ,7 mm vorgesehen.
Für eine gerichtete Einbringung von einzuleitendem Gas auch schräg zur Richtung der genutzten Einlassleitung, sind die Einlassöffnungen vorzugsweise am Rohr schräg zu dessen Längserstreckung ausgerichtet, insbesondere in einem Winkel von kleiner 45 °.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines
Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Abschnitts der Einlassleitungen der
Speicherbehälter gemäß Fig. 1 und Fig. 2,
Fig. 4 einen Querschnitt der Einlassleitungen gemäß Fig. 3,
Fig. 5 einen Längsschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels eines
Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
Fig. 6 einen Längsschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels eines
Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Abschnitts der Einlassleitungen der
Speicherbehälter gemäß Fig. 5 und Fig. 6,
Fig. 8 einen Querschnitt der Einlassleitungen gemäß Fig. 7,
Fig. 9 einen Längsschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels eines
Speicherbehälters gemäß der Erfindung,
Fig. 10 eine Seitenansicht eines Abschnitts der Einlassleitung des
Speicherbehälters gemäß Fig. 9,
Fig. 11 einen Querschnitt der Einlassleitung gemäß Fig. 10 und
Fig. 12 einen Längsschnitt der Einlassleitung gemäß Fig. 10.
Die Fig. veranschaulichen Ausführungsbeispiele von Speicherbehältem 10 für komprimiertes Wasserstoffgas (CcH2, cryocompressed H2), so genannten Kryodrucktanks. Das darin gelagerte, kryogene Gas eignet sich für jegliche Art von H2-Energiewandlern und dient bevorzugt zum Antreiben einer Brennkraftmaschine eines weiter nicht veranschaulichten Fahrzeugs. Dazu wird das Gas aus dem Speicherbehälter 10 entnommen und der Brennkraftmaschine zugeführt.
In dem Speicherbehälter 10 wird das CcH2 bei sehr tiefer Temperatur bei überkritischem Druck gelagert. Dazu weist der Speicherbehälter 10 einen Außentank bzw. ein Speichergehäuse 12 auf, das ein Speichervolumen 14 zum Aufnehmen des Gases fluiddicht umschließt. Das Speichergehäuse 12 ist mit einer Außenhülle 16, einer darin angeordneten Isolierung 18 und einem Innentank bzw. einer inneren Speicherwandung 20 gebildet. In das Speichervolumen 14 ist ein Wärmetauscher 22 hineingeführt, mittels dem das gespeicherte Gas beheizt werden kann.
Zum Betanken des Speicherbehälters 10 ist ein Einlass 24 vorgesehen, mittels dem CcH2-Gas in das Speichervolumen 14 eingeleitet werden kann. Das derart eingebrachte Gas hat eine zumindest geringfügig geringere Temperatur als jenes Gas, das sich bereits im Speichervolumen 14 befindet.
Um mit dem Einbringen von frischem Gas in das Speichervolumen 14 einen ungleichmäßigen Temperatureintrag insbesondere in die Speicherwandung 20 und damit möglicherweise verbundene Temperaturspannungen möglichst zu vermeiden, ist der Einlass 24 gemäß sämtlichen Ausführungsbeispielen mit einer als Rohr gestalteten Einlassleitung 26 gestaltet, welche in das Speichervolumen 14 hineinragt und sowohl als Befüllleitung als auch als Entnahmeleitung dient.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erstreckt sich die Einlassleitung 26 quer durch das gesamte Speichervolumen 14 und weist an ihrem Endbereich mehrere von einander beabstandet angeordnete Einlassöffnungen 28 auf. Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Einlassleitung 26 rohrförmig bis zur Mitte des Speichervolumens 14 geführt ist. Dabei befinden sich wiederum am Endbereich der Einlassleitung 26 mehrere Einlassöffnungen 28. Wie in den Fig. 3 und 4
veranschaulicht ist, sind bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2 jeweils die Einlassöffnungen 28 in sechs, am Umfang im Winkelabstand a (Alpha) von je 60 0 (Grad) beabstandeten Reihen 30 an der Einlassleitung 26 angeordnet. Die Einlassöffnungen 26 sind dabei eng nebeneinander auf einer Länge von 40 mm (Millimeter) bis 60 mm, vorzugsweise 50 mm, mit jeweiligen Abständen a von 4 mm bis 13 mm, vorzugsweise 9 mm, angeordnet und weisen je einen Durchmesser von 0,8 mm bis 1 ,2 mm, vorzugsweise 1 mm, auf.
Die Fig. 5 bis 8 veranschaulichen zwei Ausführungsbeispiele, bei denen die rohrförmige Einlassleitung 26 ebenfalls quer durch das gesamte Speichervolumen 14 geführt ist. Die Einlassöffnungen 28 sind über weitgehend die gesamte Längserstreckung der Einlassleitung 26 verteilt in gleichen Abständen a von ca. 20 mm bis 80 mm, vorzugsweise 50 mm, beabstandet voneinander verteilt angeordnet. Dabei sind gemäß der Fig. 3 drei Reihen 30 mit Einlassöffnungen 28 am Umfang im Winkelabstand a von je 120 ° verteilt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist nur eine Reihe 30 von Einlassöffnungen 28 vorgesehen, die sämtlich nach oben gerichtet sind. Die Einlassöffnungen 28 dieser Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 5 bis 8 haben dabei einen Durchmesser von 1 ,5 mm bis 1 ,9 mm, vorzugsweise 1 ,7 mm.
Die Fig. 9 bis 12 zeigen schließlich ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Einlassleitung 26 nur eine vergleichsweise kurze Strecke in das Speichervolumen 14 hineinragt. Die derartige rohrförmige Einlassleitung 26 weist an ihrem Endbereich sechs Reihen 30 mit jeweils sechs Einlassöffnungen 28 auf, die je in einem Winkel φ (Phi) von 30 0 bis 60 °, vorzugsweise 45 ° schräg zur Längserstreckung der Einlassleitung 26 gerichtet sind.
Mittels der derart ausgebildeten Einlassöffnungen 28 an den Einlassleitungen 26 wird das zu speichernde Gas sowohl axial als auch radial besonders gleichmäßig in das Speichervolumen 14 verteilt. Dabei kommt es insbesondere nicht zu einer örtlich begrenzten Erwärmung der Speicherwandung 20.
Bezugszeichenliste
10 Speicherbehälter von kryogenem Druckgas, insbesondere Kryodrucktank
12 Speichergehäuse
14 Speichervolumen zum Aufnehmen des gespeicherten Gases
16 Außenhülle
18 Isolierung
20 Speicherwandung
22 Wärmetauscher
24 Einlass
26 Einlassleitung als Rohr gestaltet
28 Einlassöffnung
30 Reihe
Claims
1. Speicherbehälter (10) von kryogenem Druckgas, insbesondere Kryodrucktank für ein Kraftfahrzeug, mit einem Speichervolumen (14) zum Aufnehmen des gespeicherten Gases und einem Einlass (24) zum Einleiten des zu speichernden Gases in das Speichervolumen (14),
bei dem der Einlass (24) mit einer in das Speichervolumen (14) hineinragenden rohrförmigen Einlassleitung (26) gestaltet ist, an der mehrere von einander beabstandet angeordnete Einlassöffnungen (28) vorgesehen sind.
2. Speicherbehälter nach Anspruch 1 ,
bei dem die Einlassleitung (26) als Rohr gestaltet ist und die Einlassöffnungen (28) in sechs, am Umfang in Winkelabständen von je 60 0 beabstandeten Reihen (30) am Rohr angeordnet sind.
3. Speicherbehälter nach Anspruch 2,
bei dem die Einlassöffnungen (28) eng nebeneinander in der Mitte des Speichervolumens (14) angeordnet sind.
4. Speicherbehälter nach Anspruch 2,
bei dem die Einlassöffnungen (28) eng nebeneinander an einer Seite des Speichervolumens (14) angeordnet sind.
5. Speicherbehälter nach Anspruch 1 ,
bei dem die Einlassleitung (26) als Rohr gestaltet ist und die Einlassöffnungen (28) in drei, am Umfang in Winkelabständen von je 120 º beabstandeten Reihen (30) am Rohr angeordnet sind.
6. Speicherbehäiter nach Anspruch 1 ,
bei dem die Einlassleitung (26) als Rohr gestaltet ist und die Einlassöffnungen (28) in einer Reihe (30) am Rohr angeordnet sind.
7. Speicherbehälter nach Anspruch 5 oder 6,
bei dem das Rohr sich quer durch das Speichervolumen (14) erstreckt und die Einlassöffnungen (28) über die Längserstreckung des Rohres hinweg beabstandet angeordnet sind.
8. Speicherbehälter nach eine der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem 36 kreisrunde Einlassöffnungen (28) mit je einem Durchmesser von 1 ,0 mm vorgesehen sind.
9. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem 12 kreisrunde Einlassöffnungen (28) mit je einem Durchmesser von 1 ,7 mm vorgesehen sind.
10. Speicherbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9;
bei dem die Einlassöffnungen (28) am Rohr schräg zu dessen Längserstreckung ausgerichtet sind, insbesondere in einem Winkel von kleiner 45 °.
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