WO2016087233A1 - Kryogener druckbehälter - Google Patents
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- F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
- F17C2223/0161—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL cryogenic, e.g. LNG, GNL, PLNG
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Definitions
- the technology disclosed herein relates to a cryogenic pressure vessel.
- Cryogenic pressure vessels are known in the art. Such a pressure vessel comprises an inner container and an outer container surrounding it to form an evacuated (intermediate) space. Cryogenic pressure vessels are used, for example, for motor vehicles in which a fuel which is gaseous under environmental conditions is stored deep cold and thus substantially in the liquid or supercritical state of aggregation with a significantly higher density compared to the ambient conditions. Such fuels are stored, for example. At temperatures of about 30 K to 330 K in the cryogenic pressure vessels. If the isolation of the pressure vessel is insufficient, the fuel stored in a non-operated vehicle heats up slowly. At the same time, the pressure in the pressure vessel rises slowly.
- the technology disclosed herein relates to a cryogenic pressure vessel for a motor vehicle.
- fuels are stored in the pressure vessel at temperatures below 350K, more preferably below 300K.
- Such a cryogenic pressure vessel comprises an inner container and an outer container.
- the fuel is stored in the inner container.
- the outer container preferably closes off the pressure vessel to the outside.
- an evacuated (intermediate) space V is at least partially arranged. This room V is evacuated for the most part.
- the evacuated space V represents a particularly good thermal insulation.
- the inner container has a plastic material layer.
- the plastic material layer is formed on a liner of the inner container.
- a barrier layer is at least partially arranged. The barrier layer is designed and arranged in such a way that the barrier layer at least reduces, preferably even completely prevents, the passage of constituents escaping from the plastic material layer into the evacuated space V.
- Plastics tend to leach out under vacuum. Any inclusions that are present in the plastic penetrate slowly into the vacuum.
- the components of the plastic material layer which penetrate into the vacuum reduce the insulating properties of the plastic material layer evacuated space V. Also local residues of incompletely reacted starting materials (resin and hardener) or auxiliaries, which have an unfavorable vapor pressure curve, have a negative effect on the vacuum. Thus, so deteriorate due to this outgassing over time, the thermal properties of the cryogenic pressure vessel.
- the plastic material layer may be formed as a fiber-reinforced plastic laminate.
- the fiber reinforced plastic laminate surrounds the liner.
- a liner for example, an aluminum or steel liner can be used.
- the liner itself may be made of a fiber reinforced plastic laminate or the fiber reinforced plastic laminate itself comprises the liner.
- the fuel can be stored cryogenic.
- Such a fiber-reinforced plastic laminate considerably increases the strength of the inner container.
- the inner container is formed, a fluid at a pressure of about 0 barü to about 900 barü, further preferably at a pressure of about 5 barü to about 750 barü, and more preferably at a pressure of about 20 barü to 350 barü to save.
- the barrier layer can laminate the fiber-reinforced plastic laminate substantially gas-tight from the evacuated space V.
- gas inclusions which can not be completely removed. These gas inclusions would not adversely affect the technology disclosed herein Long-term insulation property of the pressure vessel impact.
- the barrier layer itself represents the boundary or the outermost layer of the inner container to the evacuated space V.
- the barrier layer itself preferably has a gas-free material! at least to the evacuated space V out. This limitation is expediently produced from a gas-free material, so that a deterioration of the insulation by barrier outgassing is avoided.
- the barrier layer may be made of a metal, in particular of aluminum, steel and / or copper and their alloys.
- the barrier layer may be formed as a surface coating.
- the barrier layer may for example have the same coefficient of thermal expansion as the
- a gap may also be formed at least in regions between the barrier layer and the plastic material layer.
- Such a gap may for example be dimensioned so that different thermal expansions of different material layers, such as the liner, the plastic material layer and / or the barrier layer, can be compensated.
- outgassing may accumulate in the gap.
- the gap is preferably designed such that outgassing can not reach the evacuated space.
- Fig. 1 is a schematic cross-sectional view of a cryogenic
- Fig. 1 a is an enlarged view of the detail A of Fig. 1, and
- Fig. 2 is another schematic cross-sectional view of the pressure vessel
- FIG. 1 shows a cryogenic pressure vessel 40 which is fastened here via two suspensions 50 to the vehicle body (not shown).
- the pressure vessel 40 includes an inner container 10 and an outer container 30.
- the inner container 10 is disposed inside the outer container 30. Between the inner container 10 and the outer container 30, an evacuated space V is arranged.
- the inner container 10 is connected at its two ends to the outer container 30.
- Fig. 1 a shows an enlarged view of the structure of the inner container 10. Radially outside the barrier layer 16 is arranged, which surrounds the fiber-reinforced plastic laminate 14 completely and sealing here. It can also be provided that only a part, for example the cylinder region of the liner 12, is surrounded by the plastic laminate 14. Then it would be sufficient if only this area is surrounded by the barrier layer 16.
- the plastic laminate 14 surrounds the liner 12, which is designed here as aluminum liner 12. For example, this laminate layer 14 may have been applied by means of the winding process.
- the barrier layer 16 prevents any inclusions or locally present components with unfavorable vapor pressure curve, which are present in the plastic laminate 14, get into the evacuated space V.
- a cryogenic pressure vessel 40 with comparatively high fluid storage volume and comparatively good long-term heat insulation can be realized.
- Fig. 2 shows a similar pressure vessel 40 as shown in Figs. 1 and 1a. Below, therefore, only the differences or additions are given. Notwithstanding the first example, a gap between the barrier layer 16 and the plastic material layer 14 is formed here. This gap may extend over the entire circumferential or jacket region of the inner container 10 and project into the side regions of the inner container 30. The gap forms a gas-tight space R here. In space R, gases can accumulate that have diffused out of the plastic material layer 14, for example.
- the pressure vessel 40 is designed such that the gas composition in the gas-tight space R can be evaluated from the outside.
- the gas-tight space R comprises at least one test port RA, which is also led out of the outer container 30.
- the outgassing can be easily checked.
- the gas-tight space R can be evacuated at least to a certain extent via this test connection. He then serves as an evacuation connection.
- at least one radiation isolation 18 may be arranged.
- a liner 12 for example, a plastic liner 12 can be used here.
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen kryogenen Druckbehälter 40 für ein Kraftfahrzeug mit einem Innenbehälter 10 und einen Außenbehälter 30. Zwischen dem Innenbehälter 10 und dem Außenbehälter 30 ist zumindest bereichsweise ein evakuierter Raum V angeordnet ist. Der Innenbehälter 10 weist eine Kunststoffmaterialschicht 14 auf. Zwischen der Kunststoffmaterialschicht 14 und dem evakuierter Raum V ist zumindest bereichsweise eine Sperrschicht 16 angeordnet. Die Sperrschicht 16 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass sie den Übergang von aus der Kunststoffmaterialschicht 14 entweichenden Bestandteilen in den evakuierten Raum V zumindest verringert, wobei zwischen der Sperrschicht 16 und der Kunststoffmaterialschicht 14 zumindest bereichsweise ein Spalt ausgebildet ist.
Description
Kryogener Druckbehälter
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen kryogenen Druckbehälter.
Kryogene Druckbehälter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solcher Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter sowie einen diesen unter Bildung eines evakuierten (Zwischen)Raumes umgebenden Außenbehälter. Kryogene Druckbehälter werden bspw. für Kraftfahrzeuge eingesetzt, in denen ein unter Umgebungsbedingungen gasförmiger Kraftstoff tief kalt und somit im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand im Wesentlichen also mit gegenüber den Umgebungsbedingungen deutlich höherer Dichte gespeichert wird. Solche Kraftstoffe werden bspw. bei Temperaturen von ca. 30 K bis 330 K in den kryogenen Druckbehältern gespeichert. Ist die Isolation des Druckbehälters unzureichend, erwärmt sich der in einem nicht betriebenen Fahrzeug gespeicherte Kraftstoff langsam. Dabei steigt zeitgleich der Druck im Druckbehälter langsam an. Wird ein Grenzdruck überschritten, so muss der Kraftstoff über ein Sicherheitsventil entweichen, um ein Bersten des kryogenen Druckbehälters zu vermeiden. Die Druckbehälter bedürfen daher einer extrem guten thermischen Isolation, um den unerwünschten Wärmeeinfall in das kryogen gespeicherte Medium so weit wie möglich zu verhindern. Um den Wärmeeinfall zu verhindern sind daher hochwirksame Isolationshüllen, u.a. bspw. eine Vakuumhülle, vorgesehen. Beispielsweise offenbart die EP 1 546 601 B1 einen solchen kryogenen Druckbehälter. Die DE 10 2005 055 321 A1 der Anmelderin offenbart einen Behälter mit einer Metall- oder Keramikbeschichtung. Die DE 10 2004 01 1 653 A1 offenbart einen Druckbehälter mit einem gasdichten Strahlungsschild.
Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, einen kryogenen Druckbehälter zu verbessern oder eine alternative Ausgestaltung bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausführungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen kryogenen Druckbehälter für ein Kraftfahrzeug. Bevorzugt werden in dem Druckbehälter Kraftstoffe bei Temperaturen unterhalb von 350K, besonders bevorzugt unterhalb von 300 K gespeichert.
Ein solcher kryogener Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter und einen Außenbehälter. Im Innenbehälter ist der Kraftstoff gespeichert. Der Außenbehälter schließt den Druckbehälter bevorzugt nach außen hin ab. Zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter ist zumindest bereichsweise ein evakuierter (Zwischen)Raum V angeordnet. Dieser Raum V ist zum größten Teil evakuiert. Der evakuierte Raum V stellt eine besonders gute Wärmeisolierung dar. Der Innenbehälter weist eine Kunststoffmaterialschicht auf. Bevorzugt ist die Kunststoffmaterialschicht an einem Liner des Innenbehälters ausgebildet. Zwischen der Kunststoffmaterialschicht und dem evakuierten Raum V ist zumindest bereichsweise eine Sperrschicht angeordnet. Die Sperrschicht ist derart ausgebildet und angeordnet, dass die Sperrschicht den Übergang von aus der Kunststoffmaterialschicht entweichenden Bestandteilen in den evakuierten Raum V zumindest verringert, bevorzugt sogar ganz verhindert.
Kunststoffe neigen dazu, unter Vakuum auszugasen. Etwaige Einschlüsse, die im Kunststoff vorhanden sind, dringen dabei langsam in das Vakuum ein. Die in das Vakuum eindringenden Bestandteile der Kunststoffmaterialschicht, z.B. Gaseinschlüsse, die während der Herstellung der Kunststoffmaterialschicht eingeschlossen wurden, verringern die Isolationseigenschaften des
evakuierten Raumes V. Auch lokale Reste von nicht vollständig abreagierten Ausgangsstoffen (Harz und Härter) oder Hilfsstoffe, die eine ungünstige Dampfdruckkurve aufweisen, wirken sich negativ auf das Vakuum aus. Mithin verschlechtern sich also aufgrund dieser Ausgasung mit der Zeit die thermischen Eigenschaften des kryogenen Druckbehälters. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird vorgeschlagen, eine Sperrschicht zwischen der Kunststoffmaterialschicht und dem evakuierten Raum V vorzusehen. Somit dringen nur noch vergleichsweise geringe Mengen bzw. gar keine Bestandteile der Kunststoffmaterialschicht in den evakuierten Raum V ein, wodurch die Behälterisolation merklich verbessert werden kann bzw. zeitlich stabiler bleibt
Die Kunststoffmaterialschicht kann als faserverstärktes Kunststofflaminat ausgebildet sein. Bevorzugt umgibt das faserverstärkte Kunststofflaminat den Liner. Als Liner kann beispielsweise ein Aluminium- oder Stahlliner eingesetzt werden. Ferner bevorzugt kann der Liner selbst aus einem faserverstärkten Kunststofflaminat hergestellt sein oder das faserverstärkte Kunststofflaminat selbst umfasst den Liner. Im Inneren I des Liners kann der Kraftstoff tiefkalt gespeichert werden. Ein solches faserverstärktes Kunststofflaminat steigert die Festigkeit des Innenbehälters beträchtlich.
Bevorzugt ist der Innenbehälter ausgebildet, ein Fluid bei einem Druck von ca. 0 barü bis ca. 900 barü , ferner bevorzugt bei einem Druck von ca. 5 barü bis ca. 750 barü , und besonders bevorzugt bei einem Druck von ca. 20 barü bis ca. 350 barü zu speichern.
Die Sperrschicht kann das faserverstärkte Kunststoff laminat im Wesentlichen gasdicht vom evakuierten Raum V abtrennen. Insbesondere während der Herstellung eines faserverstärkten Kunststofflaminates, beispielsweise durch Wickeln und/oder Flechten, kann es häufiger zu Gaseinschlüssen kommen, die sich nicht vollständig entfernen lassen. Diese Gaseinschlüsse würden sich bei der hier offenbarten Technologie nicht negativ auf die
Langzeitisolationseigenschaft des Druckbehälters auswirken. Gleichzeitig kann aufgrund der vergleichsweise hohen Innenbehälterdrücke in Verbindung mit den tiefen Temperaturen relativ viel Kraftstoff im Innenbehälter gespeichert werden.
Vorteilhaft stellt die Sperrschicht selbst die Begrenzung bzw. die äußerste Schicht des Innenbehälters zum evakuierten Raum V dar.
Bevorzugt weist die Sperrschicht selbst ein ausgasungsfreies Materia! zumindest zum evakuierten Raum V hin auf. Diese Begrenzung ist zweckmäßig aus einem ausgasungsfreien Material hergestellt, so dass eine Verschlechterung der Isolation durch Sperrschichtausgasung vermieden wird. Die Sperrschicht kann aus einem Metall hergestellt sein, insbesondere aus Aluminium, Stahl und/oder Kupfer sowie deren Legierungen.
Vorteilhaft kann die Sperrschicht als Oberflächenbeschichtung ausgebildet sein. Die Sperrschicht kann beispielsweise denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen wie die
Kunststoffmaterialschicht.
Zwischen der Sperrschicht und der Kunststoffmaterialschicht kann auch zumindest bereichsweise ein Spalt ausgebildet sein. Ein solcher Spalt kann beispielsweise so bemessen sein, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen von unterschiedlichen Materialschichten, wie beispielsweise dem Liner, der Kunststoffmaterialschicht und/oder der Sperrschicht, kompensiert werden können. Auch können sich in dem Spalt Ausgasungen ansammeln. Bevorzugt ist der Spalt derart ausgebildet, das Ausgasungen nicht in den evakuierten Raum gelangen können.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren näher beschrieben, wobei
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines kryogenen
Druckbehälters 40,
Fig. 1 a eine vergrößerte Ansicht des Details A der Fig. 1 , und
Fig. 2 eine weitere schematische Querschnittsansicht des Druckbehälters
40 zeigt.
In der Figur 1 ist ein kryogener Druckbehälter 40 gezeigt, der hier über zwei Aufhängungen 50 an der Fahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) befestigt ist. Der Druckbehälter 40 umfasst einen Innenbehälter 10 und einen Außenbehälter 30. Der Innenbehälter 10 ist im Inneren des Außenbehälter 30 angeordnet. Zwischen dem Innenbehälter 10 und dem Außenbehälter 30 ist ein evakuierter Raum V angeordnet. Der Innenbehälter 10 ist an seinen beiden Enden mit dem Außenbehälter 30 verbunden.
Fig. 1 a zeigt vergrößert den Aufbau des Innenbehälters 10. Radial außen ist die Sperrschicht 16 angeordnet, die hier das faserverstärkte Kunststofflaminat 14 vollständig und dichtend umgibt. Es kann auch vorgesehen sein, das lediglich ein Teil, beispielsweise der Zylinderbereich des Liners 12, mit dem Kunststofflaminat 14 umgeben ist. Dann würde es ausreichen, wenn auch nur dieser Bereich von der Sperrschicht 16 umgeben ist. Das Kunststofflaminat 14 umgibt den Liner 12, der hier als Aluminiumliner 12 ausgebildet ist. Beispielsweise kann diese Laminatschicht 14 im Wickelverfahren aufgebracht worden sein. Die Sperrschicht 16 verhindert, dass etwaige Einschlüsse oder lokal vorhandene Bestandteile mit ungünstiger Dampfdruckkurve, die im Kunststofflaminat 14 vorhanden sind, in den evakuierten Raum V gelangen. Somit kann ein kryogener Druckbehälter 40 mit vergleichsweise hohem Fluidspeichervolumen und vergleichsweise guter Langzeitwärmeisolation realisiert werden.
Die Fig. 2 zeigt einen ähnlichen Druckbehälter 40 wie er in den Fig. 1 und 1a dargestellt ist. Nachstehend sind daher lediglich die Unterschiede bzw. die Ergänzungen angeführt. Abweichend vom ersten Beispiel ist hier ein Spalt zwischen der Sperrschicht 16 und der Kunststoffmaterialschicht 14 ausgebildet. Dieser Spalt kann sich über den gesamten Umfangs- bzw. Mantelbereich des Innenbehälters 10 erstrecken und in die Seitenbereiche des Innenbehälters 30 hinein ragen. Der Spalt bildet hier einen gasdichten Raum R aus. Im Raum R können sich Gase ansammeln, die beispielsweise aus der Kunststoffmaterialschicht 14 herausdiffundiert sind. Zweckmäßig ist der Druckbehälter 40 derart ausgebildet, dass die Gaszusammensetzung im gasdichten Raum R von außen auswertbar ist. Hierzu könnten im Raum R verbaute Sensoren eingesetzt werden. Besonders bevorzugt umfasst der gasdichte Raum R mindestens einen Prüfanschluss RA, der ferner aus den Außenbehälter 30 herausgeführt ist. Somit kann leicht die Ausgasung überprüft werden. Alternativ oder zusätzlich lässt sich über diesen Prüfanschluss der gasdichte Raum R zumindest zu einem gewissen Grad evakuieren. Er dient dann also als Evakuierungsanschluss. Außerhalb der Sperrschicht 16 kann mindestens eine Strahlungsisolation 18 angeordnet sein. Als Liner 12 kann hier beispielsweise ein Kunststoffliner 12 Anwendung finden.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Claims
1. Kryogener Druckbehälter (40) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Innenbehälter (10) und einem Außenbehälter (30),
wobei zwischen dem Innenbehälter (10) und dem Außenbehälter (30) zumindest bereichsweise ein evakuierter Raum (V) angeordnet ist, wobei der Innenbehälter (10) eine Kunststoffmaterialschicht (14) aufweist, wobei zwischen der Kunststoffmaterialschicht (14) und dem evakuierten Raum (V) zumindest bereichsweise eine Sperrschicht (16) angeordnet ist, wobei die Sperrschicht (16) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie den Übergang von aus der Kunststoffmaterialschicht (14) entweichenden Bestandteilen in den evakuierten Raum (V) zumindest verringert, wobei zwischen der Sperrschicht (16) und der Kunststoffmaterialschicht (14) zumindest bereichsweise ein Spalt ausgebildet ist.
2. Druckbehälter (40) nach Anspruch 1 , wobei die Kunststoffmaterialschicht (14) ein faserverstärktes Kunststofflaminat (14) ist, welches einen Liner (12) umgibt.
3. Druckbehälter (40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sperrschicht (16) das faserverstärkte Kunststofflaminat im Wesentlichen gasdicht vom evakuierten Raum (V) abtrennt.
4. Druckbehälter (40) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sperrschicht (16) ein ausgasungsfreies Material zum evakuierten Raum (V) hin aufweist.
5. Druckbehälter (40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sperrschicht (16) aus einem Metall hergestellt ist.
6. Druckbehälter (40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Spalt einen gasdichten Raum (R) ausbildet, und wobei der Druckbehälter (40) derart ausgebildet ist, dass die Gaszusammensetzung im gasdichten Raum (R) von außen auswertbar ist.
7. Druckbehälter (40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der gasdichte Raum (R) mindestens einen Prüfanschluss (RA) umfasst, und wobei der Prüfanschluss (RA) aus dem Außenbehälter herausgeführt ist.
8. Druckbehälter (40) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei außerhalb der Sperrschicht (16) mindestens eine Strahlungsisolation (18) angeordnet ist.
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