EP4306841A1

EP4306841A1 - Fluidtank

Info

Publication number: EP4306841A1
Application number: EP23196011.3A
Authority: EP
Inventors: Jan Hofmann
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2023-09-07
Filing date: 2023-09-07
Publication date: 2024-01-17

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fluidtank für Fahrzeuge, mit einem Innenbehälter für ein Fluid, insbesondere Flüssiggas, und einem den Innenbehälter umgebenden Gehäuse, wobei zwischen dem Innenbehälter und dem Gehäuse ein Volumen vorhanden ist, in welchem ein Isolationsvakuum herstellbar ist, insbesondere ein Hochvakuum mit einem Druck im Bereich von 10-3 bis 10-8 mbar oder ein Feinvakuum im Bereich von 1 bis 10-3 mbar, und wobei zur Aufrechterhaltung eines hergestellten Isolationsvakuums der Fluidtank mit zumindest einer eigenen, am Fluidtank installierten Vakuumpumpe, insbesondere Turbomolekularvakuumpumpe, und einem Anschluss für die Vakuumpumpe versehen ist und/oder einen Anschluss für eine externe Vakuumpumpeinrichtung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fluidtank für Fahrzeuge, mit einem Innenbehälter für ein Fluid, insbesondere ein Flüssiggas, und mit einem den Innenbehälter umgebenden Gehäuse, wobei zwischen dem Innenbehälter und dem Gehäuse ein Volumen vorhanden ist, in welchem ein Isolationsvakuum herstellbar ist. Bei dem Isolationsvakuum kann es sich beispielsweise um ein Hochvakuum mit einem Druck im Bereich von 10^-3 bis 10^-8 mbar oder um ein Feinvakuum im Bereich von 1 bis 10^-3 mbar handeln.
Aufgrund der Klimaschädlichkeit und Begrenztheit fossiler Energieträger gewinnen alternative Kraftstoffe zunehmend an Bedeutung. Alternative Kraftstoffe, insbesondere Flüssiggas wie z.B. flüssiger Wasserstoff, können unter anderem für den Antrieb von Fahrzeugen aller Art (PKW, LKW, in der Landwirtschaft genutzte Fahrzeuge wie z.B. Traktoren, Baumaschinen wie z.B. Bagger, Schiffe, Flugzeuge) genutzt werden. Auch wenn sie nicht für den Fahrzeugantrieb genutzt werden, kann es erforderlich sein, die in flüssiger Form oder als Gas - allgemein als Fluid - vorliegenden alternativen Kraftstoffe mittels Fahrzeugen zu transportieren. In beiden Fällen kommen Fluidtanks zum Einsatz, die in Abhängigkeit von dem jeweiligen Fluid bestimmte Anforderungen erfüllen müssen.
Manche Fluide, insbesondere Flüssiggase, müssen gekühlt werden, wobei teilweise eine extrem starke Kühlung auf eine Temperatur von deutlich unter -200°C erforderlich ist. Aufgrund des großen Temperaturunterschieds zwischen Fluid und Umgebung kommt einer wirksamen Wärmedämmung eine entscheidende Bedeutung zu, damit ein Wärmeeintrag in das gekühlte Fluid auf ein Minimum reduziert werden kann. Je schlechter die Wärmedämmung ist, desto größer ist die so genannte Boil-off-Problematik, also Probleme aufgrund von Verlusten an Flüssiggas durch die Umwandlung eines Teils der gekühlten Flüssigkeit in die gasförmige Phase.
Eine bekannte Möglichkeit zur Wärmedämmung von Behältern für Flüssiggase ist das Vorsehen eines den jeweiligen Behälter umgebenden Isolationsvakuums. Das Vakuum in dem Volumen zwischen dem Behälter und einem umgebenden Gehäuse reduziert den Wärmetransport durch Konvektion. Ein Wärmetransport durch Wärmestrahlung kann durch zusätzliche Maßnahmen minimiert werden, beispielsweise durch Umwickeln des Behälters mit einem Wärmedämmmaterial, beispielsweise in Form einer sogenannten Multilayer Insulation (MLI), die auch als Superisolation bezeichnet wird.
In der Praxis kann nicht verhindert werden, dass sich das Isolationsvakuum im Laufe der Zeit verschlechtert. Angestrebt wird zum Beispiel ein Isolationsvakuum von etwa 10^-5 mbar, nach der gängigen Definition also ein Hochvakuum. In anderen Anwendungen kann beispielsweise ein Isolationsvakuum von etwa 10^-2 mbar angestrebt werden, nach der gängigen Definition also ein Feinvakuum. Die in der Praxis beobachtete Verschlechterung des Isolationsvakuums, also eine Druckerhöhung in dem Volumen zwischen Innenbehälter und Gehäuse, kann verschiedene Ursachen haben. So kann Permeation durch die Wandungen des umgebenden Gehäuses sowie des Innenbehälters zur Druckerhöhung im Isolationsvakuum beitragen. Ebenfalls eine wesentliche Rolle kann Desorption spielen, beispielsweise von der Gehäuseinnenwand, von den äußeren Lagen einer gegebenenfalls vorhandenen Multilayer Insulation oder von das Isolationsvakuum durchquerenden Leitungen und Leitungsdurchführungen, wenn diese aus entsprechenden Materialien bestehen, spielen. Leitungsdurchführungen jedweder Art können auch eine Quelle von Permeation sein. Die meisten der vorstehend genannten Effekte werden häufig unter dem Begriff "Ausgasungen" zusammengefasst.
Gerade bei mobilen Anwendungen, also wenn Fluidtanks transportiert werden müssen, bekommt man eine Verschlechterung des Isolationsvakuums schwer in den Griff, was den Wärmeeintrag in das Fluid erhöht, folglich die Umwandlung der flüssigen Phase in die gasförmige Phase begünstigt, damit die Verlustrate erhöht und so insgesamt den Wirkungsgrad des betreffenden alternativen Energieträgers reduziert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einem Fluidtank der vorstehend genannten Art den Wärmeeintrag in den Innenbehälter weiter zu reduzieren.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Fluidtank ist dementsprechend vorgesehen, dass zur Aufrechterhaltung eines hergestellten Isolationsvakuums der Fluidtank mit zumindest einer eigenen, am Fluidtank installierten Vakuumpumpe und einem Anschluss für diese Vakuumpumpe und/oder mit einem Anschluss für eine externe Vakuumpumpeinrichtung versehen ist.
Die Erfindung schafft eine Möglichkeit, das Isolationsvakuum am Fluidtank aktiv durch Evakuieren des Volumens zwischen Innenbehälter und Gehäuse aufrechtzuerhalten. Mit einer eigenen, am Fluidtank installierten Vakuumpumpe kann dies vorteilhafter erfolgen, während sich das betreffende Fahrzeug auf dem Land, im Wasser oder in der Luft bewegt. Eine externe Vakuumpumpeinrichtung kann eingesetzt werden, wenn das Fahrzeug vorübergehend stillsteht, wobei es im Prinzip auch möglich ist, eine mobile externe Vakuumpumpeinrichtung an einem eigenen Fahrzeug vorzusehen und so ein Evakuieren bei sich bewegenden Fahrzeugen von Fahrzeug zu Fahrzeug durchzuführen, wie zum Beispiel bei einer Luftbetankung von Flugzeugen.
Durch die Erfindung ist man nicht ausschließlich auf passive Maßnahmen angewiesen, die einer Verschlechterung des Isolationsvakuums entgegenwirken sollen, wie beispielsweise eine Wärmedämmung des Innenbehälters, oder auf Maßnahmen zur Reduzierung von Ausgasungen.
Bei dem jeweiligen Anschluss handelt es sich vorzugsweise um einen Flanschanschluss, also einen Anschluss, der einen Flansch aufweist, welcher mit einem Flansch der Vakuumpumpe verbunden ist bzw. mit einem Flansch der externen Vakuumpumpeinrichtung verbunden werden kann.
Die eigene Vakuumpumpe oder die externe Vakuumpumpeinrichtung kann auch zur erstmaligen Herstellung des Isolationsvakuums oder zur Wiederherstellung des Isolationsvakuums z.B. nach einer absichtlichen oder unbeabsichtigten Belüftung des Volumens dienen.
Bekannte Fluidtanks besitzen in der Regel bereits einen Anschluss, der im Rahmen der Herstellung des Fluidtanks und daher beim initialen Evakuieren zum Herstellen des Isolationsvakuums verwendet und danach verschlossen wird, zum Beispiel mittels eines Absperrschiebers. Ein erfindungsgemäß vorgesehener Anschluss für eine externe Vakuumpumpeinrichtung kann zusätzlich zu einem solchen, nur bei der Herstellung verwendeten Anschluss vorgesehen sein. Hierdurch kann der Fluidtank kompatibel zu einer oder mehreren spezifischen externen Vakuumpumpeinrichtungen gemacht werden, die nicht zu dem für die Herstellung vorgesehenen Anschluss kompatibel sind. Dies kann beispielweise aufgrund nicht existenter Normung oder aufgrund unterschiedlicher Normungen für Herstellung des Fluidtanks einerseits und Betrieb des Fluidtanks andererseits der Fall sein.
Hierdurch können z.B. eine Fahrzeugflotte und ein Service-Netz realisiert werden, die untereinander kompatibel sind, wobei jedes Fahrzeug der Flotte jede Servicestation des Netzwerks anfahren kann, um das Isolationsvakuum im Fluidtank zu verbessern und gegebenenfalls neues Fluid zu tanken.
Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäß vorgesehener Anschluss für eine externe Vakuumpumpeinrichtung mit einer Verschlusseinrichtung versehen, die derart ausgebildet ist, dass der Anschluss wiederholt geöffnet und geschlossen werden kann, um wiederholt Pumpprozesse jeweils mit zwischenzeitlichem Schließen des Anschlusses durchführen zu können.
Gemäß einigen Weiterbildungen der Erfindung kann die eigene Vakuumpumpe zumindest eine Saugöffnung aufweisen und mit der Saugöffnung direkt an eine Außenseite des Gehäuses angeschlossen sein. Hierdurch ist die eigene Vakuumpumpe direkt am Fluidtank installiert. Eine besonders gute Saugwirkung kann auf diese Weise erzielt werden.
Die eigene, am Fluidtank installierte Vakuumpumpe kann derart am Fluidtank installiert sein, dass bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Fluidtanks am Fahrzeug und bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Fahrzeugs die Einflüsse von Beschleunigungen des Fahrzeugs auf bewegliche Teile der Vakuumpumpe vermieden oder minimiert werden. Ein bewegliches Teil einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularvakuumpumpe, ist beispielsweise ein während des Betriebs um eine Drehachse rotierende Rotor. Bevorzugt ist die Vakuumpumpe derart am Fluidtank installiert, dass der Rotor, d.h. dessen Drehachse, bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Fluidtanks am Fahrzeug und bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Fahrzeugs senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs orientiert ist. In diesem Fall wirken auf den Rotor keine Kreiselkräfte, wenn das Fahrzeug eine Kurve fährt.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Vakuumpumpe einen während des Pumpbetriebs um eine Drehachse rotierenden Rotor aufweisen, wobei der Rotor durch wenigstens zwei entlang der Drehachse voneinander beabstandete Lager drehgelagert ist, und wobei jedes Lager ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager, ist. Anders als bei Vakuumpumpen, bei denen ein oder jedes Lager für den Rotor ein Magnetlager ist, sorgen Wälzlager für eine besonders steife Lagerung des Rotors, was für einen Pumpbetrieb an einem sich bewegenden Fahrzeug besonders vorteilhaft ist.
Ferner kann bei einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die eigene, am Fluidtank installierte Vakuumpumpe ein Saugvermögen von weniger als 15 I/s aufweist und insbesondere als eine Turbomolekularvakuumpumpe ausgebildet ist.
Da in der Regel für die Aufrechterhaltung des hergestellten Isolationsvakuums vergleichsweise viel Zeit zur Verfügung steht, es also bei der erfindungsgemäßen Anwendung zumindest in den meisten Fällen nicht auf ein relativ hohes Saugvermögen der Vakuumpumpe ankommt, genügt es, eine Vakuumpumpe mit einem vergleichsweise kleinen Saugvermögen zu verwenden. Derartige Vakuumpumpen zeichnen sich durch ein relativ geringes Eigengewicht aus, erhöhen also das Gesamtgewicht des Fahrzeugs nur unwesentlich. In der Praxis sind z.B. Turbomolekularvakuumpumpen bekannt, die ein Saugvermögen von etwa 10 l/s (für Stickstoff) bei einem Eigengewicht von weniger als 2 kg aufweisen.
Gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Anschluss für die eigene Vakuumpumpe bzw. für die externe Vakuumpumpeinrichtung in einem von Krümmungen oder Abwinklungen des Gehäuses entfernten Mittenbereich einer Gehäuseseite angeordnet sein. Hierdurch lassen sich vergleichsweise große Querschnitte im Bereich einer Saugöffnung der Vakuumpumpe erreichen, so dass das insbesondere vom Saugvermögen der Vakuumpumpe und von dem jeweiligen Leitwert abhängige effektive Saugvermögen zumindest im Wesentlichen überall gleich groß ist.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Anschluss für die eigene Vakuumpumpe bzw. für die externe Vakuumpumpeinrichtung an einer Stelle angeordnet ist, wo mit einer vergleichsweise hohen Ausgasung gerechnet wird. Dies kann beispielsweise im Bereich von offenen Kanten einer gegebenenfalls vorhandenen Multilayer Insulation der Fall sein.
Gemäß weiteren möglichen Ausgestaltungen der Erfindung kann der Innenbehälter von einer Wärmedämmung umgeben sein. Wie bereits erwähnt, kann es sich bei einer solchen Wärmedämmung um eine Multilayer Insulation handeln. Derartige Wärmedämmungen, die auch als Superisolation bezeichnet werden, sind grundsätzlich bekannt und können aus einer Vielzahl von einzelnen Lagen bestehen, beispielsweise mit Metall bedampften Kunststofffolien. Die einzelnen Lagen können geschlossen oder perforiert sein.
Gemäß einigen möglichen Ausgestaltungen kann bei einer als Wärmedämmung für den Innenbehälter vorgesehenen Multilayer Insulation zumindest eine der äu-ßeren Lagen perforiert und zumindest eine der inneren Lagen geschlossen sein. Es wurde festgestellt, dass sich bei einer solchen Ausgestaltung einer Multilayer Insulation ein Effekt einstellen kann, wonach aus der oder den äußeren, perforierten Lagen Teilchen abgepumpt werden können, wohingegen im Bereich der inneren Lage oder Lagen Teilchen eingefangen und somit dort gebunden werden können.
Der Fluidtank kann mit einer Steuereinrichtung versehen sein, die dazu ausgebildet ist, den Betrieb der Vakuumpumpe nach einem fest vorgegebenen Programm oder in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern, insbesondere Messwerten, zu steuern oder zu regeln. Hierzu kann der Fluidtank mit einer oder mehreren Messeinrichtungen, z.B. einem Drucksensor und/oder einem Temperatursensor, versehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Fluidtank, insbesondere eine Steuereinrichtung des Fluidtanks, dazu ausgebildet sein, Signale von Messeinrichtungen zu empfangen und auszuwerten. Ferner kann alternativ oder zusätzlich der Fluidtank, insbesondere eine Steuereinrichtung des Fluidtanks, dazu ausgebildet sein, ein oder mehrere Signale zu empfangen oder auszuwerten, die ein Maß für die Boil-Off-Rate des Fluids darstellen.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug mit zumindest einem erfindungsgemäßen Fluidtank. Wie eingangs bereits erwähnt, kann es sich bei dem Fahrzeug um einen PKW, einen LKW, ein in der Landwirtschaft genutztes Fahrzeug wie z.B. einen Traktor oder Mähdrescher, eine Baumaschine wie z.B. einen Bagger, ein Schiff oder ein Flugzeug handeln.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Fahrzeug einen Antrieb zum Bewegen des Fahrzeugs aufweist und das in dem Innenbehälter des Fluidtanks enthaltene Fluid als Kraftstoff für den Antrieb dient. Dies ist jedoch nicht zwingend. Der Fluidtank kann auch lediglich zum Transport des Fluids mittels des Fahrzeugs dienen, ohne dass das Fluid für den Betrieb des Fahrzeugs genutzt wird. Alternativ kann das Fluid nicht für den Antrieb, sondern anderweitig für den Betrieb des Fahrzeugs genutzt werden.
Ferner kann bei dem Fahrzeug vorgesehen sein, dass die eigene, am Fluidtank installierte Vakuumpumpe derart am Fluidtank installiert ist, dass bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Fluidtanks am Fahrzeug und bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Fahrzeugs ein Rotor der Vakuumpumpe, d.h. dessen Drehachse, senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs orientiert ist.
Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, können hierdurch Einflüsse von Beschleunigungen des Fahrzeugs auf den Rotor vermieden werden. Insbesondere wirken so keine Kreiselkräfte auf den Rotor, wenn das Fahrzeug eine Kurve fährt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Servicestation mit zumindest einer Vakuumpumpeinrichtung für erfindungsgemäße Fahrzeuge.
Die Servicestation kann stationär und dabei beispielsweise Bestandteil eines Service-Netzes sein, das eine Vielzahl derartiger Servicestationen umfasst, die bei Bedarf von den Fahrzeugen angefahren werden können, um am Fluidtank eines jeweiligen Fahrzeugs mittels einer zur jeweiligen Servicestation gehörenden Vakuumpumpeinrichtung einen Pumpprozess zur Verbesserung des Isolationsvakuums durchzuführen. Eine Servicestation kann gleichzeitig als Tankstelle ausgebildet sein und somit dazu dienen, den Innenbehälter des Fluidtanks mit dem jeweiligen Fluid, beispielsweise Flüssigwasserstoff, zu befüllen.
Alternativ ist es möglich, dass die Servicestation mobil ist und beispielsweise einen Bestandteil eines Tankwagens bildet, so dass beim Betanken eines Fahrzeugs beispielsweise mit Flüssiggas - oder kurz vor oder kurz nach einem Betankungsvorgang - mittels der Vakuumpumpeinrichtung ein Pumpprozess durchgeführt werden kann, um das Isolationsvakuum des Fluidtanks zu verbessern. Unabhängig davon, ob die mobile Servicestation zu einem Tankwagen gehört oder nicht, kann die mobile Servicestation ein Bestandteil eines Service-Netzes aus vielen einzelnen mobilen Stationen sein, die zum Beispiel jeweils ein Service-Fahrzeug mit einer oder mehreren Vakuumpumpeinrichtungen umfassen. Mit einer derartigen Flotte können z.B. gezielt solche privaten oder nicht-privaten Unternehmen angefahren werden, die einen Fuhrpark mit vielen Fahrzeugen unterhalten, die jeweils einen oder mehrere erfindungsgemäße Fluidtanks aufweisen.
Die - stationäre oder mobile - Vakuumpumpeinrichtung kann einen Saugkopf aufweisen, der über eine flexible Verbindung mit einem Basisteil der Servicestation verbunden ist, wobei der Saugkopf als Vakuumpumpe ausgebildet ist oder eine Vakuumpumpe aufweist, oder wobei der Saugkopf über die flexible Verbindung an eine Vakuumpumpe der Servicestation angeschlossen ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System mit einem oder mehreren Fahrzeugen, jeweils wie hierin offenbart, und mit einer oder mehreren Servicestationen, jeweils wie hierin offenbart. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass jede Vakuumpumpeinrichtung einer jeweiligen Servicestation zu jedem für eine externe Vakuumpumpeinrichtung vorgesehenen Anschluss eines jeweiligen Fluidtanks eines jeweiligen Fahrzeugs kompatibel ist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Aufrechterhalten eines Isolationsvakuums eines erfindungsgemäßen Fluidtanks an einem Fahrzeug. Bei dem Verfahren wird das Isolationsvakuum durch einen Pumpprozess aufrechterhalten. Der Pumpprozess kann permanent oder temporär, insbesondere gemäß einer Regelung, stattfinden. Unabhängig davon, ob der Pumpprozess permanent oder temporär stattfindet, kann der Pumpprozess nur bei Stillstand des Fahrzeugs, bei einem beliebigen Bewegungszustand des Fahrzeugs oder nur bei einem oder mehreren bestimmten Bewegungszuständen des Fahrzeugs stattfinden.
Für die Durchführung des Pumpprozesses kann das Fahrzeug oder der Fluidtank mit einer Steuereinrichtung versehen sein, die dazu ausgebildet ist, den Betrieb der Vakuumpumpe nach einem fest vorgegebenen Programm oder in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern, insbesondere Messwerten, zu steuern oder zu regeln.
Wenn es sich bei dem Fahrzeug beispielsweise um ein Flugzeug handelt, kann vorgesehen sein, dass während eines Startvorgangs oder eines Landevorgangs kein Pumpprozess erfolgt, sondern die Vakuumpumpe nur dann aktiv ist, wenn sich das Flugzeug im normalen Flugbetrieb, beispielsweise in einer jeweils vorgesehenen Flughöhe, befindet.
Ein temporärer Pumpprozess kann eine Mehrzahl von einzelnen, in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen erfolgenden Pumpvorgängen umfassen. Die Zeitabstände können zum Beispiel fest vorgegeben sein. Alternativ kann das Auslösen von Pumpvorgängen im Rahmen einer Regelung erfolgen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass für einen temporären Pumpprozess ein Umgebungsparameter herangezogen wird, beispielsweise die Außentemperatur, wobei die pro Zeiteinheit erfolgende Anzahl von Pumpvorgängen mit der Außentemperatur steigt, d.h. bei einer höheren Außentemperatur ist die Vakuumpumpe häufiger aktiv als bei einer niedrigeren Außentemperatur.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Pumpprozess mit einer am Fluidtank installierten Vakuumpumpe durchgeführt wird. Alternativ ist es auch möglich, den Pumpprozess mit einer externen Vakuumpumpeinrichtung durchzuführen.
Zur Durchführung eines geregelten Pumpprozesses kann vorgesehen sein, dass ein Maß für die Qualität des Isolationsvakuums bestimmt und ein Pumpvorgang jeweils gestartet wird, wenn die Qualität des Isolationsvakuums ein vorgegebenes Maß unterschreitet. Ein Pumpprozess kann folglich eine Mehrzahl von einzelnen, zeitlich mit Abstand stattfindenden Pumpvorgängen umfassen.
Ein Maß für die Qualität des Isolationsvakuums kann dabei auf unterschiedliche Weise bestimmt werden.
So kann beispielsweise der Druck in dem Volumen gemessen und als Maß für die Qualität des Isolationsvakuums herangezogen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Boil-off-Rate des Fluids gemessen und als Maß für die Qualität des Isolationsvakuums herangezogen werden.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass als Maß für die Qualität des Isolationsvakuums ein Betriebsparameter des Fluidtanks herangezogen wird. Bei diesem Betriebsparameter kann es sich beispielsweise um die Leistung einer Einrichtung zum Kühlen des Fluids im Innenbehälter handeln.
Alternativ oder zusätzlich kann als Maß für die Qualität des Isolationsvakuums ein Umgebungsparameter herangezogen werden. Bei dem Umgebungsparameter kann es sich beispielsweise um eine erwartete oder eine gemessene Erhöhung der Außentemperatur handeln.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung einer Vakuumpumpe, insbesondere einer Turbomolekularvakuumpumpe, zum Aufrechterhalten eines Isolationsvakuums eines Fluidtanks für Fahrzeuge, wobei der Fluidtank einen Innenbehälter für ein Fluid, insbesondere Flüssiggas, und ein den Innenbehälter umgebendes Gehäuse aufweist, und wobei zwischen dem Innenbehälter und dem Gehäuse ein Volumen vorhanden ist, in welchem das Isolationsvakuum herstellbar ist. Das Isolationsvakuum kann beispielsweise ein Hochvakuum mit einem Druck im Bereich von 10^-3 bis 10^-8 mbar oder ein Feinvakuum im Bereich von 1 bis 10^-3 mbar sein.
Für die eigene, am Fluidtank installierte Vakuumpumpe und/oder für die Vakuumpumpeinrichtung einer Servicestation, wie sie hierin offenbart ist, kann zusätzliche eine Vorpumpe vorgesehen sein, die ein für die Vakuumpumpe bzw. die Vakuumpumpeinrichtung gegebenenfalls erforderliches Vorvakuum erzeugt, wie dies in der Vakuumtechnik grundsätzlich bekannt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: schematisch ein Fahrzeug, das mit einem erfindungsgemäßen Fluidtank versehen ist, und
Fig. 2: ein mit einem erfindungsgemäßen Fluidtank versehenes Fahrzeug an einer erfindungsgemäßen Servicestation, die eine Betankungsvorrichtung und eine Vakuumpumpeinrichtung umfasst.

Fig. 1 zeigt schematisch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Fluidtanks 11 an einem Landfahrzeug 13, wie beispielsweise einem PKW oder einem LKW. Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, können auch andere Fahrzeuge mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Fluidtanks 11 ausgestatte sein, beispielsweise Flugzeuge oder Schiffe.
Der Fluidtank 11 umfasst einen Innenbehälter 15 und ein diesen umgebendes Gehäuse 19. Wenn der Fluidtank 11 gefüllt ist, befindet sich in seinem Innenbehälter 15 ein Fluid, beispielsweise ein Flüssiggas wie z.B. flüssiger Wasserstoff 17, das als Kraftstoff für einen Fahrzeugmotor 35 dient, mit dem das Fahrzeug 13 angetrieben wird.
Durch eine nicht dargestellte Kühleinrichtung wird das Flüssiggas 17 innerhalb des Behälters 15 auf einer niedrigen Temperatur von beispielsweise -240°C gehalten. Um eine Erwärmung durch Strahlung zu vermeiden, ist der Innenbehälter 15 von einer Wärmedämmung in Form einer Multilayer Insulation (MLI) 33 umgeben. Ein Wärmeeintrag durch Konvektion wird dadurch minimiert, dass in dem Volumen 21 zwischen Innenbehälter 15 und umgebendem Gehäuse 19 ein Isolationsvakuum herrscht, das bereits bei der Produktion des Fluidtanks 11 hergestellt wird. Das Isolationsvakuum ist beispielsweise ein Hochvakuum im Bereich von 10^-3 bis 10^-8 mbar oder ein Feinvakuum im Bereich von 1 bis 10^-3 mbar.
Wie im Einleitungsteil erläutert, kommt es im Laufe der Zeit zu einer Verschlechterung des Isolationsvakuums im Volumen 21, was aufgrund der großen Temperaturdifferenz zwischen dem gekühlten Flüssiggas 17 einerseits und der Umgebung andererseits einen erhöhten Wärmeeintrag in das Flüssiggas 17 mit den bereits erläuterten Nachteilen zur Folge hat.
Um das Isolationsvakuum innerhalb des Volumens 21 während des Betriebs des Fahrzeugs 13 aufrechterhalten zu können, ist der Fluidtank 11 mit einer eigenen Vakuumpumpe 23 versehen, beispielsweise eine Turbomolekularvakuumpumpe. Hierzu weist das Gehäuse 19 in einem Mittenbereich einer Gehäuseseite einen Anschlussflansch 25 für die Vakuumpumpe 23 auf. Auf diese Weise ist die Vakuumpumpe 23 direkt mit ihrer Saugöffnung 31 an die durch den Anschlussflansch 25 definierte Öffnung des Gehäuses 19 angeschlossen.
Die Vakuumpumpe 23 umfasst unter anderem - hier rein schematisch dargestellt - einen Rotor 51 für eine oder mehrere Turbomolekularpumpstufen und eine oder mehrere Holweckpumpstufen. Aufbau und Funktionsweise von Vakuumpumpen dieser Art sind bekannt, so dass hierauf nicht näher eingegangen zu werden braucht. Die Vakuumpumpe 23 ist derart installiert, dass der Rotor 51 vertikal und somit senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs 13 orientiert ist.
Zur Drehlagerung des sich während des Pumpbetriebs um eine hier gestrichelt dargestellte Drehachse 53 rotierenden Rotors 51 sind zwei entlang der Drehachse 53 voneinander beabstandete, hier rein schematisch dargestellte Lager 55 vorgesehen, bei denen es sich jeweils um ein Kugellager handelt, womit eine vergleichsweise steife Lagerung für den Rotor 51 realisiert ist.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Fluidtank 11 zusätzlich mit einem weiteren Anschlussflansch 27 an einer der anderen Gehäuseseiten versehen, der es ermöglicht, das Volumen 21 zwischen Innenbehälter 15 und Gehäuse 19 mittels einer externen Vakuumpumpeinrichtung zu evakuieren, worauf nachstehend in Verbindung mit Fig. 2 eingegangen wird.
Wie im Einleitungsteil bereits erwähnt, kann die Aufrechterhaltung des Isolationsvakuums im Volumen 21 durch einen Dauerbetrieb der Vakuumpumpe 23 oder durch eine Regelung des Betriebs der Vakuumpumpe 23 erfolgen. Im Rahmen einer solchen Regelung kann beispielsweise vorgesehen sein, den Druck innerhalb des Volumens 21 mittels eines nicht dargestellten Drucksensors zu messen und einen Pumpvorgang durch Aktivieren der Vakuumpumpe 23 zu initiieren, wenn der gemessene Druck einen vorgegebenen Wert übersteigt.
Alternativ könnte die Regelung des Betriebs der Vakuumpumpe 23 auf einer Messung der sogenannten Boil-off-Rate basieren, die ein Maß für die Verdampfung des Flüssiggases 17 innerhalb des Behälters 15, also die Umwandlung von der flüssigen Phase 17a in die gasförmige Phase 17b, darstellt und somit als ein Maß für die Qualität des Isolationsvakuums im Volumen 21 herangezogen werden kann.
Es wurde festgestellt, dass ein Druckanstieg innerhalb des Volumens 21 langsamer erfolgt als bisher, wenn nach einem anfänglichen Pumpvorgang zur Herstellung des Isolationsvakuums nach einer bestimmten Zeitspanne zumindest ein weiterer Pumpvorgang erfolgt. Ein permanenter Betrieb der Vakuumpumpe 23 ist somit nicht in allen Fällen vorgesehen. Vielmehr kann ein solcher temporärer Betrieb der Vakuumpumpe 23 genügen. Alternativ kann in anderen Anwendungen aber vorgesehen sein, die Vakuumpumpe 23 dauerhaft zu betreiben.
Eine Steuerung des Betriebs der Vakuumpumpe 23 kann auch von anderen Bedingungen abhängen, beispielsweise vom Bewegungsverhalten des Fahrzeugs 13. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Vakuumpumpe 23 derart gesteuert wird, dass Pumpvorgänge ausschließlich dann stattfinden, wenn das Fahrzeug 13 stillsteht oder gleichförmig bewegt wird. Auf diese Weise können Einflüsse von Beschleunigungen des Fahrzeugs 13 auf bewegliche Teile der Vakuumpumpe 23, insbesondere auf deren Rotor 51, vermieden werden.
In Fig. 1 nicht dargestellt sind innerhalb des Volumens 21 verlaufende Leitungen, die beispielsweise von außerhalb des Gehäuses 19 zum Innenbehälter 15 bzw. zu am Innenbehälter 15 ausgebildeten Durchführungen, oder zu innerhalb des Volumens 21, aber außerhalb des Innenbehälters 15 angeordneten Einrichtungen führen. Wie im Einleitungsteil erwähnt, können derartige Leitungen und Durchführungen z.B. als Quellen von Ausgasungen zu einer Druckerhöhung im Volumen 21 und somit zu einer Verschlechterung des Isolationsvakuums führen. Die Anordnung des Anschlussflansches 25 für die eigene Vakuumpumpe 23 bzw. des Anschlussflansches 27 für eine externe Vakuumpumpeinrichtung kann unter Berücksichtigung dieses Umstands derart erfolgen, dass die Saugöffnung der Vakuumpumpe 23 bzw. der externen Vakuumpumpeinrichtung sich an einer Stelle befindet, wo ein vergleichsweise hohes Maß an Ausgasung zu erwarten ist.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann der Anschlussflansch 25 für die eigene Vakuumpumpe 23 in einem Bereich angeordnet sein, der einer Verbindungsstelle 49 gegenüberliegt, an welcher die einzelnen Lagen der Multilayer Insulation 33 zusammengeführt und miteinander verbunden sind.
Eine weitere Optimierung kann dadurch erfolgen, dass - wie ebenfalls bereits im Einleitungsteil erwähnt - nicht ausschließlich geschlossene oder perforierte Lagen für die Multilayer Insulation 33 verwendet werden, sondern eine oder mehrere innere, näher am Innenbehälter 15 gelegene Lagen geschlossen und eine oder mehrere äußere Lagen perforiert sind.
Der Innenbehälter 15 ist ferner mit einem hier nicht dargestellten Anschluss 47 zum Befüllen mit dem Flüssiggas 17 versehen.
Fig. 2 zeigt ein Fahrzeug 13 mit erfindungsgemäßem Fluidtank 11 an einer stationären Servicestation 37. Der Fluidtank 11 ist hier zur Vereinfachung ohne eine Wärmedämmung z.B. in Form einer Multilayer Insulation für den Innenbehälter 15 dargestellt. Eine solche Wärmedämmung ist aber auch bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen.
Der Fluidtank 11 weist im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 keine eigene Vakuumpumpe 23 auf und ist somit nicht mit einem entsprechenden Anschlussflansch versehen. Stattdessen ist ein Anschlussflansch 27 für eine externe Vakuumpumpeinrichtung 29 vorgesehen. Diese umfasst einen Saugschlauch 41 mit einem Saugkopf 39 am freien Ende, der eine Vakuumpumpe 40, beispielsweise eine Turbomolekularpumpe, umfasst.
Die von dem Saugschlauch 41 gebildete flexible Verbindung zwischen dem auf diese Weise als Vakuumpumpe ausgebildeten Saugkopf 39 und einer Basis 43 der Servicestation 37 ermöglicht es, die Vakuumpumpe 40 direkt an den Anschlussflansch 27 des Fluidtanks 11 des an der Servicestation 37 stehenden Fahrzeug 13 anzuschließen, um das Volumen 21 zu evakuieren.
Der Aufenthalt des Fahrzeugs 13 an der Servicestation 37 kann außerdem dazu genutzt werden, das Fahrzeug 13 zu betanken, d.h. den Innenbehälter 15 mit Flüssiggas 17, z.B. flüssigem Wasserstoff, zu füllen. Hierzu dient eine Betankungseinrichtung 45 der Servicestation 37, deren Ausgabeende an einen Betankungsanschluss 47 des Fluidtanks 11 angeschlossen werden kann.

Bezugszeichenliste

11: Fluidtank
13: Fahrzeug
15: Innenbehälter
17: Fluid
17a: flüssige Phase
17b: gasförmige Phase
19: Gehäuse
21: Volumen
23: eigene Vakuumpumpe
25: Anschluss für eigene Vakuumpumpe
27: Anschluss für externe Vakuumpumpeinrichtung
29: externe Vakuumpumpeinrichtung
31: Saugöffnung
33: Wärmedämmung, MLI (Multilayer Insulation)
35: Antrieb des Fahrzeugs, Motor
37: Servicestation
39: Saugkopf
40: Vakuumpumpe des Saugkopfs
41: flexible Verbindung, Saugschlauch
43: Basis
45: Betankungseinrichtung
47: Anschluss für Betankungseinrichtung
49: Verbindungsstelle
51: Rotor
53: Drehachse
55: Lager

Claims

Fluidtank (11) für Fahrzeuge (13), mit einem Innenbehälter (15) für ein Fluid (17), insbesondere Flüssiggas, und einem den Innenbehälter (15) umgebenden Gehäuse (19),
wobei zwischen dem Innenbehälter (15) und dem Gehäuse (19) ein Volumen (21) vorhanden ist, in welchem ein Isolationsvakuum herstellbar ist, insbesondere ein Hochvakuum mit einem Druck im Bereich von 10^-3 bis 10^-8 mbar oder ein Feinvakuum im Bereich von 1 bis 10^-3 mbar, und

wobei zur Aufrechterhaltung eines hergestellten Isolationsvakuums der Fluidtank (11) mit zumindest einer eigenen, am Fluidtank (11) installierten Vakuumpumpe (23), insbesondere Turbomolekularvakuumpumpe, und einem Anschluss (25) für die Vakuumpumpe (23) versehen ist und/oder einen Anschluss (27) für eine externe Vakuumpumpeinrichtung (29) aufweist.
Fluidtank (11) nach Anspruch 1, wobei die eigene Vakuumpumpe (23) zumindest eine Saugöffnung (31) aufweist und mit der Saugöffnung (31) direkt an eine Außenseite des Gehäuses (19) angeschlossen ist.
Fluidtank (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die eigene, am Fluidtank (11) installierte Vakuumpumpe (23) derart am Fluidtank (11) installiert ist, dass bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Fluidtanks (11) am Fahrzeug (13) und bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des Fahrzeugs (13) ein während des Pumpbetriebs um eine Drehachse (53) rotierender Rotor (51) der Vakuumpumpe (23) mit seiner Drehachse (53) senkrecht zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs (13) orientiert ist
Fluidtank (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vakuumpumpe (23) einen während des Pumpbetriebs um eine Drehachse (53) rotierenden Rotor (51) aufweist, wobei der Rotor (51) durch wenigstens zwei entlang der Drehachse (53) voneinander beabstandete Lager (55) drehgelagert ist, und wobei jedes Lager (55) ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager, ist.
Fluidtank (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eigene, am Fluidtank (11) installierte Vakuumpumpe (23) ein Saugvermögen von weniger als 15 l/s aufweist.
Fluidtank nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anschluss (25, 27) für die eigene Vakuumpumpe (23) bzw. für die externe Vakuumpumpeinrichtung (29) in einem von Krümmungen oder Abwinklungen des Gehäuses (19) entfernten Mittenbereich einer Gehäuseseite angeordnet ist.
Fluidtank (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Innenbehälter (15) von einer Wärmedämmung (33) umgeben ist, insbesondere einer Multilayer Insulation, insbesondere wobei zumindest eine der äu-ßeren Lagen der Multilayer Insulation perforiert und zumindest eine der inneren Lagen der Multilayer Insulation geschlossen ist.
Fahrzeug (13) mit zumindest einem Fluidtank (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere wobei das Fahrzeug (13) einen Antrieb (35) zum Bewegen des Fahrzeugs (13) aufweist und das in dem Innenbehälter (15) des Fluidtanks (11) enthaltene Fluid (17) als Kraftstoff für den Antrieb (35) dient.
Servicestation (37) mit zumindest einer Vakuumpumpeinrichtung (29) für Fahrzeuge (13) nach Anspruch 8,
insbesondere wobei die Vakuumpumpeinrichtung (29) einen Saugkopf (39) aufweist, der über eine flexible Verbindung (41) mit einer Basis (43) der Servicestation (37) verbunden ist, und wobei der Saugkopf (39) als Vakuumpumpe (23) ausgebildet ist oder eine Vakuumpumpe (40) umfasst, oder wobei der Saugkopf (39) über die flexible Verbindung (41) an eine Vakuumpumpe der Servicestation (37) angeschlossen ist.
System mit einem oder mehreren Fahrzeugen (13) jeweils nach Anspruch 8 und mit einer oder mehreren Servicestationen (37) jeweils nach Anspruch 9, insbesondere wobei jede Vakuumpumpeinrichtung (29) einer jeweiligen Servicestation zu jedem für eine externe Vakuumpumpeinrichtung vorgesehenen Anschluss (27) eines jeweiligen Fluidtanks (11) eines jeweiligen Fahrzeugs (13) kompatibel ist.
Verfahren zum Aufrechterhalten eines Isolationsvakuums eines Fluidtanks (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 an einem Fahrzeug (13),
bei dem das Isolationsvakuum durch einen Pumpprozess aufrechterhalten wird, wobei der Pumpprozess permanent oder temporär, insbesondere gemäß einer Regelung, stattfindet, und/oder wobei der Pumpprozess nur bei Stillstand des Fahrzeugs (13) oder nur bei einem oder mehreren bestimmten Bewegungszuständen des Fahrzeugs (13) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Pumpprozess eine Mehrzahl von einzelnen, in regelmäßigen oder unregelmäßigen Zeitabständen erfolgenden Pumpvorgängen umfasst,
und/oder wobei der Pumpprozess mit einer am Fluidtank (11) installierten Vakuumpumpe (23) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei zur Durchführung eines geregelten Pumpprozesses ein Maß für die Qualität des Isolationsvakuums bestimmt und ein Pumpvorgang jeweils gestartet wird, wenn die Qualität des Isolationsvakuums ein vorgegebenes Maß unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Druck in dem Volumen (21) gemessen und als Maß für die Qualität des Isolationsvakuums herangezogen wird, und/oder wobei eine Boil-Off-Rate des Fluids (17) gemessen und als Maß für die Qualität des Isolationsvakuums herangezogen wird, und/oder wobei als Maß für die Qualität des Isolationsvakuums ein Betriebsparameter des Fluidtanks (11) herangezogen wird, insbesondere die Leistung einer Einrichtung zum Kühlen des Fluids (17) im Innenbehälter (15), und/oder wobei als Maß für die Qualität des Isolationsvakuums ein Umgebungsparameter herangezogen wird, insbesondere eine erwartete oder gemessene Erhöhung der Außentemperatur.
Verwendung einer Vakuumpumpe (23, 40), insbesondere einer Turbomolekularvakuumpumpe, zum Aufrechterhalten eines Isolationsvakuums eines Fluidtanks (11) für Fahrzeuge (13), wobei der Fluidtank (11) einen Innenbehälter (15) für ein Fluid (17), insbesondere Flüssiggas, und ein den Innenbehälter (15) umgebendes Gehäuse (19) aufweist, und wobei zwischen dem Innenbehälter (15) und dem Gehäuse (19) ein Volumen (21) vorhanden ist, in welchem das Isolationsvakuum herstellbar ist, insbesondere wobei das Isolationsvakuum ein Hochvakuum mit einem Druck im Bereich von 10^-3 bis 10^-8 mbar oder ein Feinvakuum im Bereich von 1 bis 10^-3 mbar ist.