JP6247707B2 - 低温で貯蔵された媒体のための熱交換器を有する圧力容器 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に基づく、特に原動機付き車両において用いられる低温で貯留された媒体のための熱交換器を有する圧力容器、特に水素のための圧力タンクに関するものである。

原動機付き車両用の燃料として水素を用いること、及びさらにこの水素を正圧下で圧力タンク内に貯蔵することが既に知られている。このような圧力タンクは、鋼又は軽金属で構成されている。より高い充填圧力のために、例えばそのような本質的に円筒状の軽金属タンクが例えばガラス繊維及び／又は炭素繊維を有する繊維複合材料によって巻き付けられることができる。

低温で貯蔵された燃料の扱いにあたって、圧力容器内に熱交換器が格納されていれば有利である。これは、特許文献１に記載されている。これに記載された、低温で貯蔵された水素のための貯蔵容器は、熱交換器を有する凝縮管路を備えており、この凝縮管路は、熱交換器内で、貯蔵された低温の媒体に対して冷却される気体状の低温の媒体を供給する役割を担っている。ただし、低温タンクとも呼ばれる低温で貯蔵された媒体用の圧力容器内に、例えば媒体の取出しを加速するために、必要な場合に外部から熱を加えることで低温タンク内の媒体の圧力を上昇させるためのみに寄与する熱交換器を格納することも通常のことである。圧力容器又は低温タンクの内部空間への開口部を有さず、低温タンクの外部からのみ熱交換媒体が供給されるこのような熱交換器は、それにもかかわらず多くの場合容器内に貯蔵された媒体と、熱交換媒体によって動作される。なぜなら、低温での使用に対して多くの通常の熱交換媒体は適していないとともに、そのため、既に存在する、圧力容器内に既に低温で貯蔵された物質を低温での応用のための熱交換媒体として使用することがより簡単であるためである。

国際公開第２００６／１３３８１６号

必要な大量生産においては、タンク熱交換器を有するこのような圧力容器のできるだけ安価な製造が重要であり、これにより、一定の良好な品質でわずかなコストで短時間に製造可能な、低温で貯蔵された媒体のための熱交換器を有する圧力容器を提供するという本発明の課題が導かれる。

上記課題は、請求項１の特徴によって解決される。本発明の有利な形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、低温で貯蔵された媒体のための圧力容器は、円筒状のジャケットと、両端部においてローラーで圧延され、丸められ、中心に位置決めされた、複数の開口部を有する複数の端面側とで構成され、開口部が溶接された複数のインサートによって閉鎖されており、少なくとも１つの第１のインサートが少なくとも複数の充填及び取出し装置を備えており、インサートが軸受を形成し、これらインサートには少なくとも１つのタンク熱交換器が設けられていることによって特徴付けられている。

したがって、本発明による圧力容器は、タンク熱交換器にかかわらず製造されることができる。この圧力容器は、複数のインサートに固定されているとともに、これらインサートに溶接されており、これにより、製造時間、またこれに伴い製造コストを大幅に低減することが可能であるとともに、熱交換器の気密性についての製造品質が保証され得る。

本発明の有利な実施形態は、タンク熱交換器が軸方向に前記第１のインサートから第２のインサートへ向かって延在していることによって特徴付けられている。有利には、このことは、タンク熱交換器が２つの配管すなわち第１のインサートに個別に設けられ、第２のインサートに結合装置を介して共に支持されており、送り配管が、第１のインサートにおける充填開口部を介して圧力容器の外部から低温の媒体を送り込むことができ、低温の媒体が、後続の過程において送り配管を通り結合装置を介して戻し配管へ流れ、該戻し配管から第１の出口開口部を介して圧力容器へ流れるか、又は第１のインサートを通って該第１のインサートにおける流出開口部を介して圧力容器から導出されるように実施され得る。

そして、合理的には、第１の出口開口部が、戻し配管において、第１のインサートの近傍に設けられている。一方、出口開口部には、圧力容器の外部において別の熱交換媒体を導く任意の装置が設けられている。複数の配管と圧力容器内容物の間の熱交換過程をサポートするために、タンク熱交換器の配管が少なくとも部分的に外部で複数の熱交換薄板ディスクを備えていれば有利である。このとき、熱交換器全体の周囲が、圧力容器における、インサートによって閉鎖される開口部よりも小さければ、熱交換器を有する圧力容器の製造のために非常に有利である。したがって、圧力タンクの取付前にあらかじめインサートをタンク熱交換器に結合することが可能である。そして、取付時には、このインサートは熱交換器と共に圧力容器内へ挿入され、この圧力容器に結合される。一方、つづいて、他のインサートは、圧力容器を閉鎖するように、及びタンク熱交換器を収容するように圧力容器に結合される。

本発明の好ましい実施形態は、インサートが複数の軸受を形成し、これら軸受に充填及び取出し装置が設けられていることによって特徴付けられている。これら充填及び取出し装置は、有利には第１のインサートから第２のインサートへ向けて延在している。そして、これら充填及び取出し装置は、別の２つの配管すなわち第１のインサートにおいて個別に支持され、第２のインサートにおいて結合装置を介して支持されている充填配管及び取出し配管で構成され得る。これにより、充填及び取出し装置の取付が共に、及びタンク熱交換器と同様に行うことができるという利点が得られる。さらに、有利には、取出し配管が充填配管の上方に設けられているか、又は支持されており、４つの配管が共に圧力容器の中心軸線に対して対称に位置して配置され、四角形が緊張されるように、送り配管が、戻し配管の近傍で、第１のインサート及び結合装置に設けられているか、又は支持されている。さらに、この四角形の各角部は、圧力容器の開口部の平面内に位置している。そして、第１のインサートに取り付けられた４つの全ての配管は、タンク熱交換器の配管についての上記説明に対応して、圧力容器内に挿入され得る。この設備の補強のために、４つの配管がこれらの間に挿入された複数の間隙保持具によって互いに間隔をもって保持されれば有利である。軽金属材料から成る取出し配管、充填配管、送り配管及び戻し配管が継ぎ目なしに引き延ばされていれば、質的に特に強調すべき実施形態が得られる。そして、結合装置及び第１のインサートが同様に軽金属で構成されていれば、取出し配管、充填配管、送り配管及び戻し配管が、溶接によって気密に第１のインサート及び結合装置に結合されることが可能である。圧力容器のライナが同様に軽金属で構成されていれば特別である。

さらに、充填配管が第１のインサートにおける充填開口部を介して圧力容器の外部から低温の媒体を送り込まれることができ、低温の媒体が、後続の過程において充填配管を通して結合装置の近傍まで流れ、及びここから充填配管における第２の出口開口部を介して圧力容器内へ流れれば、有利である。これにより、充填過程中にも、充填配管を介して圧力容器内容物と送り込まれる媒体の間の有利な熱交換が行われる。一方、取出し配管が有利には取出し開口部を有しており、この取出し開口部を通して圧力容器内容物の低温の媒体が取出し配管内へ流れることができるとともに、低温の媒体が後続の過程において取出し配管から第１のインサートを通して流れ、したがって圧力容器の外部で取出され得る。このような取出し装置は、非常に簡易に構成されている。

以下に、５つの図に基づいて本発明を更に説明する。詳細に説明する特徴全体が発明にとって本質的であり得る。

タンク熱交換器並びに充填及び取出し装置を有する圧力タンクの長手断面図である。 充填及び取出し装置の範囲での切断された圧力タンクの一部の拡大斜視図である。 結合装置の範囲での切断された圧力タンクの一部の拡大斜視図である。 結合装置の拡大斜視図である。 間隙保持具の拡大斜視図である。

不図示の原動機付き車両における低温での水素の貯蔵に用いられる水素タンクとして設けられた圧力容器１がシートバーから円筒状のジャケット２へ丸く曲げられ、その各端部は、当該各端部において、中央に配置された開口部４，５を有する丸められた端面側３が形成されるようにローラーで圧延される。開口部４，５は溶接によってインサート６，７で閉鎖され、第１のインサート６は、充填及び取出し装置８並びにタンク熱交換器１４を備えており、これらは、第１のインサート６に固定されているとともに、開口部４を通して圧力容器内に挿入されている。加えて、レーザー溶接又は電子ビーム溶接による気密な結合のための、ジャケット２とインサート６，７の間の各溶接個所における接触面９，１０は、平面的に互いに当接するよう形成されている。電子ビーム溶接は、高真空においてなされる。真空チャンバのようなこれに対応する装置は、図示されていない。

圧力容器１は高真空部の外部において不図示の２つの受け面を介して固定され、更に、不図示の第１の心押台がその開口部４に完全に位置決めされた第１のインサート６においてふさがれている。軽金属から成るこの第１のインサート６には、既に事前に軽金属から成る継ぎ目なく引き延ばされた４つの配管１６，１７，１８，１９、すなわちタンク熱交換器１４の送り配管１６及び戻し配管１７と、充填及び取出し装置８の取出し配管１８及び充填配管１９とが溶接によって気密に接続されている。

熱交換器１４並びに充填及び取出し装置８を摺動可能に支持しつつ結合装置２０を介して支持する第２のインサート７は、接触面１０間に隙間が残るようにその開口部８に対して位置決めされている。

さらに、このように準備された圧力容器１は電子ビーム溶接設備内へ設けられ、この圧力容器は真空にされ、つづいて、不図示の第２の心押台が第２のインサート７において自動化された油圧式の送りによって完全に位置決めされる。このとき、第２のインサート７は、接触面１０が互いに接触するまで開口部５内へ挿入される。これにより、圧力容器１は、両インサート６，７及びそれらの心押台を介して溶接位置へ引っ張られ、そこでインサート６，７が連続して又は同時に圧力容器１に溶接される。第２のインサート７の心押台の送り時には、結合装置２０の浮動軸受がややより多く共に押し込まれる。

接触面間で隙間が残るように開口部５内で第２のインサート７を位置決めすることで、真空チャンバ内への挿入後に圧力容器１がこの真空チャンバ内で非常に迅速に真空とされ得る。なぜなら、開口部５が隙間と共に、第１のインサート６における充填及び取出し装置８の開口断面よりもかなり大きいためであり、そうでなければ、この充填及び取出し装置によって圧力容器１の真空化がなされる必要がある。

したがって、タンク熱交換器１４並びに充填及び取出し装置８は、インサート６，７を介して圧力容器１内で支持されている。第１のインサート６（図２）には固定軸受、すなわち４つの配管１６，１７，１８，１９が第１のインサート６の配管支持部１６’，１７’，１８’，１９’へ挿入され、溶接されている。浮動軸受（図３）は、第２のインサート７において、この第２のインサートとこのインサートにおいて挿入され摺動可能に案内された結合装置２０の間に配置されている。この結合装置は、ここでも配管１６，１７，１８，１９を支持している。タンク熱交換器１４の送り配管１６は、その戻し配管１７に、結合装置２０内の視認不能な流路を介して接続され、差し込まれ、その入口部２２及び出口部２３（図４）に気密に溶接されている。一方、取出し及び充填装置８の取出し配管１８及び充填配管１９は、結合装置２０においてそれぞれ１つの軸受凹部２１，２１’において単に支持されている。送り配管１６は、第１のインサート６における視認不能な充填開口部を介して圧力容器１の外部から低温の媒体を送り込むことが可能であり、低温の媒体は、ここでは更なる過程における熱交換媒体として送り配管１６を通り接合装置２０における流路を介して戻し配管１７へ至り、この戻し配管１７から再び第１のインサートを介して図において視認不能な出口開口部を通って圧力容器１から排出される。熱交換を促進するために、タンク熱交換器１４の配管１６，１７は、部分的に外部で熱交換ディスク２５を備えている。当該軸受を介して充填及び取出し装置８が第１のインサート６に設けられる複数の軸受は、配管支持部１９’，１８’によって形成されている。第２のインサート７においては、結合装置２０が摺動可能に浮動軸受を介して支持されており、この結合装置２０においては、ここでも充填及び取出し装置８のための受け面が軸受凹部２１’，２１として形成されている。充填配管１９は、視認不能な第１のインサート６における充填開口部を介して圧力容器１の外部から低温の媒体を送り込むことが可能であり、低温の媒体は、後続の過程において充填配管１９を通して結合装置２０の近傍まで、及びここから充填配管１９における第２の出口開口部３０を介して圧力容器１内へ流れ込む。

取出し配管１８は取出し開口部３１を有しており、この取出し開口部を通して、圧力容器内容物の低温の媒体が取出し配管１８内へ流れることが可能であるとともに、低温の媒体は後続の過程において取出し配管１８から第１のインサート６を通して流れ、したがって、圧力容器１の外部で取出されることが可能である。

したがって、充填及び取出し装置８及びタンク熱交換器１４は、圧力容器１のためのインサートとして設定されており、圧力容器インサートは、圧力容器１の開口部４を通してこの圧力容器内へ挿入され得る。このとき、取出し配管１８は充填配管１９を介して、送り配管１６は戻し配管１７の近傍で、４つの配管１６，１７，１８，１９が共に圧力容器１の中心軸線３２に対して対象に位置して配置され、四角形が緊張されるように第１のインサート６及び結合装置２０に設けられている。

配管１６，１７，１８，１９の間には、それぞれ４つの配管受け台装置２７を有する間隙保持具２６（図５）が挿入されており、これら配管受け台装置は、配管１６，１７，１８，１９を互いに間隔をおいて保持するとともに、その確実で振動のない支持に寄与するものである。

Claims (14)

1. 円筒状のジャケット（２）と、両端部においてローラで圧延され、丸められ、中心に位置決めされた、複数の開口部（４，５）を有する複数の端面側（３）とで構成された、低温で貯蔵された媒体のための圧力容器（１）であって、前記開口部が溶接された複数のインサート（６，７）によって閉鎖されており、少なくとも１つの第１のインサート（６）が少なくとも複数の充填及び取出し装置（８）を備えている前記圧力容器において、
   前記インサート（６，７）が軸受を形成し、前記インサートには少なくとも１つのタンク熱交換器（１４）が設けられていること、及び前記タンク熱交換器（１４）が、２つの配管（１６，１７）すなわち前記第１のインサート（６）に個別に設けられ、第２のインサート（７）に結合装置（２０）を介して共に支持されている送り配管（１６）及び戻し配管（１７）で構成されており、前記送り配管（１６）が、前記第１のインサート（６）における充填開口部を介して当該圧力容器（１）の外部から低温の媒体を送り込むことができ、低温の媒体が、後続の過程において前記送り配管（１６）を通り前記結合装置（２０）を介して前記戻し配管（１７）へ流れ、該戻し配管から第１の出口開口部を介して当該圧力容器（１）へ流れるか、又は前記第１のインサート（６）を通って該第１のインサートにおける流出開口部を介して当該圧力容器（１）から導出されることを特徴とする圧力容器。
2. 前記タンク熱交換器（１４）が軸方向に前記第１のインサート（６）から第２のインサート（７）へ向かって延在していることを特徴とする請求項１記載の圧力容器（１）。
3. 前記第１の出口開口部が、前記戻し配管（１７）において、前記第１のインサート（６）の近傍に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力容器（１）。
4. 前記第１の出口開口部が、前記第１のインサート（６）に設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧力容器（１）。
5. 前記タンク熱交換器（１４）の前記配管（１６，１７）が少なくとも部分的に外部で複数の熱交換薄板ディスク（２５）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力容器（１）。
6. 前記インサート（６，７）が複数の軸受（１８’，１９’，２１，２２）を形成し、これら軸受に前記充填及び取出し装置（８）が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力容器（１）。
7. 前記充填及び取出し装置（８）が軸方向において前記第１のインサート（６）から前記第２のインサート（７）へ向かって延在していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力容器（１）。
8. 前記充填及び取出し装置（８）が別の２つの配管（１８，１９）すなわち前記第１のインサート（６）において個別に支持され、前記第２のインサート（７）において前記結合装置（２０）を介して支持されている充填配管（１９）及び取出し配管（１８）で構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力容器（１）。
9. 前記充填配管（１９）が前記第１のインサート（６）における充填開口部を介して当該圧力容器（１）の外部から低温の媒体を送り込まれることができ、低温の媒体が、後続の過程において前記充填配管（１９）を通して前記結合装置（２０）の近傍まで流れ、及びここから前記充填配管（１９）における第２の出口開口部（３０）を介して当該圧力容器（１）内へ流れることを特徴とする請求項８記載の圧力容器（１）。
10. 前記取出し配管（１８）が取出し開口部（３１）を有しており、該取出し開口部を通して圧力容器内容物の低温の媒体が前記取出し配管（１８）内へ流れることができ、低温の媒体が、後続の過程において前記取出し配管（１８）から前記第１のインサート（６）を通して流れ、したがって当該圧力容器（１）の外部で取出され得ることを特徴とする請求項８又は９記載の圧力容器（１）。
11. 前記取出し配管（１８）が前記充填配管（１９）の上方に設けられているか、又は支持されており、前記４つの配管（１６，１７，１８，１９）が共に当該圧力容器（１）の中心軸線（３２）に対して対称に位置して配置され、四角形が緊張されるように、前記送り配管（１６）が、前記戻し配管（１７）の近傍で、前記第１のインサート（６）及び前記結合装置（２０）に設けられているか、又は支持されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか１項に記載の圧力容器（１）。
12. 前記４つの配管（１６，１７，１８，１９）がこれらの間に挿入された複数の間隙保持具（２６）によって互いに間隔をもって保持されることを特徴とする請求項１１記載の圧力容器（１）。
13. 軽金属材料から成る前記取出し配管（１８）、前記充填配管（１９）、前記送り配管（１６）及び前記戻し配管（１７）が継ぎ目なしに引き抜きされていることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか１項に記載の圧力容器（１）。
14. 前記取出し配管（１８）、前記充填配管（１９）、前記送り配管（１６）及び前記戻し配管（１７）が、溶接によって気密に前記第１のインサート（６）及び前記結合装置（２０）に結合されていることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の圧力容器（１）。

Images