WO2022099336A1 - System umfassend einen kryobehälter und einen thermischen siphon - Google Patents

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Matthias Rebernik
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Cryoshelter Gmbh
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    • F17C2270/0168—Applications for fluid transport or storage on the road by vehicles
    • F17C2270/0171—Trucks

Definitions

  • the invention relates to a system comprising a vehicle and a cryogenic container carried on the vehicle, i.e. mounted on the vehicle, with an inner tank and an outer container which is vacuum-insulated in relation to this, the system also comprising a fluid delivery device located outside of the inner tank and a pipeline which is used for removing cryogenic fluid out of the inner tank and connected to the fluid delivery device.
  • liquefied gases can be stored in containers (“cryo-containers”) in order to store them as fuel for, for example, an engine of a vehicle.
  • the cryogenic container is carried on the vehicle, for example by being mounted on the vehicle frame.
  • Liquefied gases are gases that are in the liquid state at boiling point, with the boiling point of this fluid being pressure-dependent. If such a cryogenic liquid is filled into a cryogenic container, apart from thermal interactions with the cryogenic container itself, a pressure corresponding to the boiling temperature is established.
  • cryocontainers Since the fluid stored in the cryocontainer is at a temperature that is significantly lower than the ambient temperature of the cryocontainer, it must be designed accordingly in order to reduce heat transfer that occurs.
  • cryocontainers as double-walled tanks, which have an inner tank and an outer container.
  • the inner tank is accommodated in the outer container and is thermally insulated from it, for example by having a vacuum between the inner tank and the outer container.
  • the heat input in the cryocontainer is directly related to a hold time of the cryocontainer, i.e. a period of time from the end of the withdrawal of cryofluid from the cryocontainer to the point in time at which the pressure in the cryocontainer reaches a predefined threshold value.
  • thermal siphon works in cryogenic vessels by heating the cryogenic fluid at the end of the tubing that is outside of the inner tank. This vaporizes the cryogenic fluid at that end of the pipeline however, due to the buoyancy of the gas, will not flow back through the thermal siphon into the cryogenic vessel. As a result, there is an insulating gas cushion at the warm end of the pipeline, so that the heat input into the overall system is reduced. If the thermal siphon were not provided, the gas and thus the heat would flow back into the cryogenic container after evaporation and the liquid phase would constantly flow into the warm area, where the liquid phase evaporated again and there would be a constant increase in heat input into the inner tank.
  • the prior art provides for the pump, in particular the piston of a piston pump, to be allowed to protrude into the cryogenic container in order to continuously wash cold cryogenic fluid around it.
  • the pump can be started at any time, since the pump is always at a temperature at which the cryogenic fluid can be in the liquid state. It is therefore a second common goal in the field of cryogenic vessels to provide a pump capable of rapid engine starting.
  • a system comprising a cryogenic container with an inner tank and an outer container which is vacuum-insulated relative to this, the system also comprising a fluid delivery device and a pipeline which is routed to remove cryogenic fluid from the inner tank and is connected to the fluid delivery device, the fluid delivery device is arranged outside of the inner tank, the pipeline is designed as a thermal siphon with at least one section that rises in the direction of the fluid delivery device, which is at least partially arranged in an area that is isolated from the cryogenic fluid in the inner tank, with a vent line that can be closed by a valve in the mentioned area, preferably in an extraction level of the fluid delivery device, is connected to the pipeline or directly to the fluid delivery device and above the connection point to the pipeline or above the connection point to di e fluid delivery device is fed back into the inner tank.
  • the solution according to the invention makes it possible for the heat input into the cryogenic container to be kept low, since a gas cushion can form between the fluid delivery device and the rising section when the valve of the ventilation line is closed.
  • the intake area of the fluid delivery device, or the fluid delivery device itself can be cooled down quickly by opening the valve of the ventilation line, whereby the insulating gas cushion is brought into the cryogenic container by the buoyancy by means of the ventilation line and the fluid phase can flow through the pipeline to the fluid delivery device.
  • the system can thus assume two operating states, with the valve being closed in a first operating state in order to keep an insulating gas cushion between the said section and the valve on the fluid conveying device after the fluid conveying device has been heated, and with the valve being open in a second operating state in order to allowing flow of cryogenic fluid to the fluid handling device and simultaneous venting of gas phase cryogenic fluid through the vent line.
  • both of the initially set goals of the invention are achieved.
  • the heat input into the overall system is reduced, since the cryofluid located in the connection area to the fluid delivery device evaporates after the vehicle is switched off and does not flow back into the cryocontainer through the thermal siphon.
  • the heat input via the pipeline is reduced to a minimum.
  • an engine start can be done as quickly as possible by the pipe and the intake area of the Fluid delivery device by opening the valve - can be cooled quickly - even without a running engine or running pump and mainly driven by gravity. After opening the valve, the liquid phase passes through the pipeline, which previously acted as a thermal siphon, and thereby cools the pipeline and the fluid delivery device.
  • the pipeline leading to the fluid delivery device can also be cooled down as quickly as possible.
  • the cooling of the pipeline depends on the mass of the pipeline, the temperature difference that needs to be cooled and the heat that flows in, i.e. the quality of the insulation.
  • the pipeline is designed to be as short as possible, while still allowing the formation of the gas cushion.
  • the fluid delivery device can be provided as close to the inner tank as possible, so that in the thermal equilibrium state, i.e. after evaporation of the liquid phase in the fluid delivery device or in the pipeline in this area, a temperature is set that is just sufficiently warmer than the temperature of the liquid phase to create the insulating gas cushion.
  • it can be achieved that the pipelines in the area of the fluid delivery device heat up by only 1° C. to 5° C. compared to the temperature in the inner tank.
  • the ventilation line is at least partially routed between the inner tank and the outer tank in the circumferential direction of the cryogenic container and the valve preferably comprises a closure part arranged in the ventilation line between the inner tank and the outer tank and an actuating part arranged outside of the outer tank.
  • a recirculation of the vent line in the vacuum space reduces the overall heat input into the cryogenic vessel when the operating state changes, i.e. from standstill to operation and from operation to standstill.
  • the ventilation line can also be located entirely between the inner tank and the outer tank, for example if the valve is divided into two parts as described above.
  • the connection between the closure part and the actuating part can be made mechanically or via a control line or wireless control.
  • the ventilation line is routed back into the inner tank in the upper third of the inner tank, preferably at the uppermost point of the inner tank. This allows no liquid to get into the vent line.
  • the line could also be fed back into the container below a maximum liquid phase level, with the valve being provided directly on the inner tank could become.
  • the ventilation line could also have a thermal siphon, for example at its upper end.
  • the thermal siphon can be designed in many different ways.
  • the pipeline can have two essentially horizontal sections, between which a flashover is formed to form the thermal siphon, which includes the section that rises in the direction of the fluid delivery device.
  • This embodiment is advantageous because the rollover can be easily incorporated into the pipeline without providing a separate pipe bushing module that protrudes into the inner tank.
  • the pipeline can connect directly to the inner tank without protruding into it.
  • the pipeline is routed into the inner tank of the cryogenic container, i.e. protrudes into it, and is surrounded by a jacket inside the inner tank, which insulates the pipeline from a fluid in the inner tank.
  • the vacuum-insulated space located between the outer tank and the inner tank also extends between the pipeline and the cladding tube.
  • the section that rises in the direction of the fluid delivery device is at least partially arranged inside the cladding tube.
  • the length of the pipeline outside the inner tank can be reduced and the thermal siphon can be moved into the inner tank.
  • the pipeline it is possible for the pipeline to have only the ascending section mentioned or only additional horizontal or vertical sections.
  • the pipeline has a section located within the cladding tube that falls in the direction of the fluid conveying device between the section that rises in the direction of the fluid conveying device and the fluid conveying device. This makes it possible for the pipeline to have a kink within the cladding tube, which allows thermal length changes to be compensated for in a particularly favorable manner.
  • the Ventilation line within the cladding tube connected to the pipeline out of the cladding tube inside the inner tank and out of the inner tank with its own venting cladding tube.
  • the ventilation line can, for example, start directly at the kink and thus vent gas from the pipeline particularly effectively.
  • the purpose of leading the ventilation line out of the cryocontainer is that the valve can be provided outside of the cryocontainer so that it is accessible.
  • the ventilation line is connected to the pipeline outside of the inner tank, since the ventilation line can be isolated more easily in this case.
  • This embodiment is usually provided when the highest point of the pipeline is provided on the fluid conveying device, e.g. is led away horizontally from it.
  • Cryogenic containers are usually formed by a cylindrical shell wall and two end caps, i.e. end walls, adjoining it.
  • end caps i.e. end walls
  • fittings are provided on the end caps, since it is easier to feed through lines there.
  • the solution according to the invention now makes it possible for the first time that a fluid conveying device can also be provided directly on the casing wall. As a result, a lateral arrangement is created for the first time, which at the same time enables a very low heat input and a rapid start of the fluid delivery device.
  • the available space is extremely small, so it is preferable to arrange the fluid delivery device directly next to the cryocontainer, e.g. next to the casing or one of the end walls or end caps of the cryocontainer.
  • the fluid delivery device can be designed essentially in the form of a rod and can be arranged parallel to a longitudinal axis of the cryocontainer along the lateral surface or perpendicular to the longitudinal axis of the cryocontainer next to the end cap.
  • the fluid delivery device and preferably also the section that rises in the direction of the fluid delivery device are arranged on a casing wall of the inner tank or the outer container, with the fluid delivery device preferably being located at least partially, particularly preferably completely, in one of the gussets that are formed by a smallest imaginary cuboid over the inner tank or the outer tank.
  • the arrangement in the gusset allows the fluid delivery device to be arranged on the cryogenic container without this being involved laterally, below or above the cryocontainer protrudes significantly, for example when the cryocontainer is arranged on the side of a motor vehicle.
  • the fluid conveying device is usually arranged in that gusset which is located at the bottom on the side facing away from the motor vehicle.
  • the fluid delivery device is particularly preferably designed in the form of a rod and lies parallel to the cryocontainer, for example parallel to an axis of longitudinal extension of the cryocontainer.
  • the fluid delivery device and preferably also the section that rises in the direction of the fluid delivery device can be arranged on an end wall of the inner tank or the outer container, with the fluid delivery device preferably being located at least partially, particularly preferably completely, in one of the gussets that are defined by a smallest imaginary cuboid the inner tank or the outer tank are formed.
  • the gusset on the end wall is formed when the end wall is convex.
  • the fluid conveying device can preferably be arranged standing vertically or horizontally, in particular transversely to the longitudinal axis of the tank, for example in a gusset that forms between one of the convex end caps and the said smallest imaginary cuboid.
  • the fluid delivery device is particularly preferably designed in the form of a rod and is situated normal to the cryocontainer, e.g. horizontally or vertically and normal to a longitudinal axis of the cryocontainer.
  • the two aforementioned versions are particularly advantageous since there is very little installation space available on a vehicle, in particular for the fluid delivery device.
  • a particularly compact system can be achieved by the two designs mentioned, and the cryogenic container and the fluid delivery device can be arranged together in the smallest possible imaginary cuboid, for example the installation space available on the vehicle frame.
  • the pipeline can be connected to the lowest point of the inner tank without protruding into the inner tank and can be routed from there to the fluid delivery device.
  • the withdrawal quantity of the cryogenic container can be maximized, which was previously not possible in this form with the prior art.
  • the pipeline could also protrude, also uninsulated, and be guided out of the inner tank with a section that falls in the direction of the fluid conveying device, with the section that rises in the direction of the fluid conveying device being provided between the mentioned descending section and the fluid conveying device .
  • the fluid delivery device is also preferably located in the vacuum-insulated space between the inner tank and the outer container.
  • the outer container can thus be pulled over the fluid delivery device, as a result of which this can be arranged in the vacuum-insulated area. This results in a particularly good utilization of the installation space available on the vehicle, since the insulating space between the inner tank and the outer tank is used at the same time as an installation space for the fluid delivery device.
  • the fluid delivery device can also be located outside of the outer container and be separately insulated there.
  • both the cryogenic container and the fluid delivery device are rod-shaped (which is understood here to mean that they each have a longitudinal axis and preferably in Longitudinally have a greater length than in the other directions normal to the longitudinal direction), the longitudinal axis of the cryocontainer and the fluid conveyor being contained in a vertical plane lying in the normal direction of travel of the vehicle.
  • the longitudinal axis of the cryocontainer lies in a horizontal plane and the longitudinal axis of the fluid delivery device lies in a horizontal plane or is inclined by 0.1° to 20° with respect to a horizontal plane, whereby the compact arrangement can still be achieved.
  • the fluid delivery device is preferably rod-shaped and a longitudinal axis of the fluid delivery device is inclined with respect to a horizontal plane, with that end at which the fluid delivery device is connected to the pipeline and/or to the ventilation line being higher than the end that is not connected to the Pipeline and / or is connected to the vent line.
  • the section that rises in the direction of the fluid delivery device rises by a height that corresponds at least to twice the diameter of the pipeline at the connection point to the fluid delivery device.
  • the height is defined as the difference between the top of the tube top of the riser section and the bottom of the tube bottom of the riser section.
  • the pipeline is more flexible over at least one functional section than outside of the functional section.
  • the pipeline can have a thinner wall thickness over at least one functional section than outside the functional section, with the functional section preferably being located at least partially inside a cladding tube.
  • the pipeline can be designed as a bellows tube over at least one functional section, with the functional section preferably being located at least partially within the cladding tube.
  • the functional section can also be located completely within the enveloping tube or cryocontainer or completely outside of the enveloping tube or cryocontainer.
  • FIG. 1 shows a system according to the invention with a cryogenic container and a pipeline designed as a thermal siphon in a first variant.
  • FIG. 2 shows the system according to the invention in a second embodiment.
  • FIG. 3 shows the system according to the invention in a third embodiment.
  • FIG. 4 shows the system according to the invention in a fourth embodiment.
  • FIG. 5 shows the system according to the invention in a fifth embodiment.
  • FIG. 6 shows the system according to the invention in a sixth variant.
  • FIG. 7 shows the system according to the invention in a seventh variant.
  • FIG. 8 shows a vehicle with a cryogenic container and a fluid delivery device in the arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cryogenic container 1 which has an inner tank 2 and an outer container 3 which is vacuum-insulated relative to this.
  • the cryofluid 4 stored in the cryocontainer 1 is, for example, liquefied natural gas, also known to those skilled in the art as LNG (“Liquid Natural Gas”).
  • LNG Liquid Natural Gas
  • the cryofluid 4 is in the liquid phase 5 up to a fill level F, above that in the gas phase 6.
  • the cryocontainer 1 is carried on a motor vehicle, in which case the cryofluid 4 is used, for example, as fuel for an engine of the motor vehicle.
  • an extraction line of the cryogenic container can be connected to the motor.
  • the cryocontainer 1 is usually mounted on the vehicle frame, with a longitudinal axis of the cryocontainer 1 being substantially horizontal and parallel to the vehicle frame, i.e. parallel to a normal direction of travel of the vehicle.
  • the cryogenic vessel 1 may have a cylindrical shape, i.e. comprise a cylindrical shell terminated by two planar or convex end caps.
  • the cryocontainer 1 generally has an axis of longitudinal extent that can coincide with the cylinder axis of the cryocontainer 1 .
  • the cryocontainer 1 or its casing does not have to have a circular cross section in a section perpendicular to the longitudinal axis.
  • a pipeline 7 is provided between the inner tank 2 and the outer container 3 . Additional lines to introduce cryofluid into the tank or to remove it from it are not shown for reasons of clarity.
  • a fluid conveying device 8 preferably a pump such as a piston pump or centrifugal pump, or its inflow area or suction area is also connected to the pipeline 7.
  • the cryogenic container 1, the pipeline 7 and the fluid conveying device 8 together, possibly with further components, are referred to as the system 9.
  • the fluid delivery device 8 is preferably arranged directly on a lateral surface of the cryogenic container 1, so that the pipeline 7 can also be connected directly to the fluid delivery device 8, ie without an intermediate system.
  • the fluid delivery device 8 is, for example, parallel to the longitudinal axis of the cryogenic container 1.
  • the Fluid conveying device 8 can also be arranged on a front side of the cryogenic container 1, for example standing vertically or lying horizontally.
  • the fluid delivery device 8 is, for example, normal to the longitudinal axis of the cryogenic container 1.
  • the fluid delivery device 8 can deliver at least one liquid phase 5, eg pump it. If the fluid delivery device 8 can also deliver a gas phase 6 , the fluid delivery device 8 has a higher efficiency for delivering the liquid phase 5 than for delivering the gas phase 6 , for example.
  • the cryogenic fluid 4 in the inner tank 2 is stored at very low temperatures.
  • the temperature inside the inner tank 2 is therefore lower than outside the inner tank 2.
  • the fluid delivery device 8 is cooled by the liquid cryogenic fluid 4 running through the fluid delivery device 8.
  • the fluid delivery device 8 When the fluid delivery device 8 is in operation, it therefore has a temperature which essentially corresponds to the temperature of the liquid phase 5 .
  • the fluid delivery device 8 if the fluid delivery device 8 is not in operation, it heats up due to the input of heat from the outside, so that this occurs in the fluid delivery device 8 or in the pipeline
  • cryogenic fluid 4 located near the fluid delivery device 8 evaporates and a gas phase 6 forms there. If the pipeline 7 were not designed as a thermal siphon as described below, the cryogenic fluid 4 would be in the vicinity of the fluid delivery device
  • the fluid delivery device 8 constantly convert into gas phase 6 and flow back into the inner tank 2, which means a significant heat input.
  • the fluid delivery device 8 can also be arranged between the inner tank 2 and the outer container 3 or within insulation 10 in order to enclose the fluid delivery device 8 between the outer container 3 and insulation 10, for example in a vacuum, this cannot completely prevent the heat input into the fluid delivery device 8 will.
  • the pipeline 7 is designed as a thermal siphon 11.
  • the thermal siphon 11 has at least one section 12 that rises in the direction of the fluid delivery device, which is at least partially arranged in an area B that is isolated from the cryofluid 4 in the inner tank 2, i.e. is not directly surrounded by the cryofluid 4.
  • the area B is therefore outside of the inner tank 2 or possibly also inside the inner tank 2 if it has an insulated indentation such as a jacket tube 19 described in more detail below.
  • a venting line 14 is provided, which is connected to the pipeline 7 or directly to the fluid conveying device 8 in the region B mentioned, preferably in an extraction level of the fluid conveying device 8 , and is fed back into the cryogenic container 1 . If the ventilation line 14 is connected to the pipeline 7, then preferably immediately next to the fluid delivery device 8, e.g. to a part of the pipeline 7 that leads horizontally away from the fluid delivery device 8 or, if section 12 is attached directly to the fluid delivery device 8, to the top of Section 12.
  • the vent line 14 has a valve 15, i.e. shut-off valve, by means of which the vent line 14 can be selectively shut off and opened. If the valve 15 in the ventilation line 14 is closed, the thermal siphon 11 can fulfill its insulating function as outlined above. However, if the valve 15 is opened, the gas phase 6 flows back from the pipeline 7 via the ventilation line 14 into the inner tank 2, i.e. the thermal siphon 11 can no longer fulfill its function. As a result, fluid phase 5 flows from the inner tank 2 into the pipeline 7 in the direction of the fluid delivery device 8 . The fluid conveying device 8 cools down particularly quickly due to the liquid phase 5 flowing in, as a result of which the liquid phase 5 can be pumped after it has cooled sufficiently.
  • a valve 15 in the ventilation line 14 is closed, the thermal siphon 11 can fulfill its insulating function as outlined above. However, if the valve 15 is opened, the gas phase 6 flows back from the pipeline 7 via the ventilation line 14 into the inner tank 2, i.e. the thermal siphon 11 can
  • the ventilation line 14 is fed back into the inner tank 2, for example above the connection point of the ventilation line 14 to the pipeline 7, above the section 12 rising in the direction of the fluid delivery device 8, in the upper third of the cryocontainer 1 or at the top point of the cryocontainer 1. Is preferred the ventilation line 14 is designed to rise steadily, starting from the point of connection to the pipeline 7, at least up to a height at which the point of connection to the inner tank 2 is located, in order to reduce the risk of forming a siphon itself. As shown in FIG. 1, the ventilation line 14 can be routed at least partially in the vacuum-insulated area between the inner tank 2 and the outer container 3 in order to provide the best possible insulation for the ventilation line 14 .
  • the ventilation line 14 is preferably only arranged in the area of the valve 15 outside of the outer container 3 and/or the insulation 10 .
  • only the valve 15 can be arranged outside the outer container 3 and/or the insulation 10 .
  • the entire ventilation line 14 and also the valve 15 can be arranged within the vacuum-insulated area between the inner tank 2 and the outer container 3 and/or within the insulation 10 .
  • the valve 15 can have a control line that is routed out of the outer container 3 or the insulation 10, so that the valve 15 can be closed mechanically, pneumatically, or electrically from the outside.
  • thermal siphons 10 that can be used for the system according to the invention will now be explained with reference to FIGS.
  • the invention is not limited to these embodiments, but other thermal siphons, not shown, can also be used.
  • Figure 1 shows a classic thermal siphon 11 with two essentially horizontal sections 16, 17 with an overhang 18.
  • the part of the overhang 18 applied to the fluid delivery device 8 forms the section 12 which rises in the direction of the fluid delivery device 8 and which prevents the fluid phase 5 from Can flow towards the fluid conveyor.
  • a gas phase 6 now forms on the fluid conveying device 8
  • this will first accumulate in the upper end of the flap 18 and fill it up, thereby forming a buffer between liquid phases 5 in the two horizontal sections 16,17.
  • the remaining liquid phase 5 in the horizontal section 17, which faces the fluid conveying device 8 will be converted into the gas phase 6 and, if necessary, exit from the thermal siphon 11 in the direction of the cryogenic container 1 into the latter.
  • the pipe 7 attaches to the inner tank 2, but does not enter it. However, provision can be made for the pipe 7 to enter the inner tank 2, in which case it is surrounded by a cladding tube 19, as illustrated in Figures 2-5.
  • the cladding tube 19 insulates the pipeline 7 from a fluid located in the inner tank 2, ie cryogenic fluid 4 when the cryogenic container 1 is filled.
  • the inner tank 2 is perforated at the point where the jacket tube 19 attaches, so that the vacuum-insulated area between the inner tank 2 and the outer tank 3 also extends to the area between the pipeline 7 and the cladding tube 19 .
  • the area between the pipeline 7 and the cladding tube 19 could also be insulated in a different way.
  • Figure 2 shows an embodiment in which the pipeline comprises an essentially horizontal section, which faces fluid delivery device 8, and an essentially vertical section, which faces away from fluid delivery device 8 and forms section 12, which rises in the direction of fluid delivery device 8. Since the vertical section 12 that rises in the direction of the fluid delivery device 8 is surrounded by the cladding tube 19 , it is located in area B, which is isolated from the cryofluid 4 in the inner tank 2 . As in FIG. 1, the ventilation line 14 attaches to the fluid delivery device 8 and is guided essentially completely in the vacuum-insulated area between the inner tank 2 and the outer tank 3, except for a section where the valve 15 is located.
  • FIG. 3 shows an embodiment in which the pipeline 7 within the inner tank 2 is straight, but rising from the inner tank 2 in the direction of the fluid delivery device 8 .
  • the ventilation line 14 starts at a highest point of the descending pipeline 7, i.e. in a withdrawal level of the fluid conveying device 8.
  • the insulation of the ventilation line 14 is not shown for reasons of clarity.
  • FIG. 3 also shows a functional section 28 of the pipeline, on which the pipeline 7 is more flexible than outside of the functional section 28.
  • the functional section 28 is designed as a bellows tube.
  • the bellows tube could also be designed in such a way that it is not necessarily more flexible, but allows compression or expansion in the longitudinal direction of the pipeline 7 .
  • the functional section 28 could be formed by a local thinning of the pipeline 7, whereby a flexible section is formed.
  • the functional section is not specific to the embodiment of Figure 3, but can be combined with all other embodiments described herein.
  • the functional section 28 can also be located completely or partially inside or completely outside of the cryocontainer 1 (i.e. the cylindrical contour of the cryocontainer 1).
  • Figures 4 and 5 show embodiments of the thermal siphon 10, which are particularly relevant to practice.
  • the pipeline 7 has a kink 20 on, which is located within the cladding tube 19. Since the pipeline 7 is not connected to the inner tank 2, but to the cladding tube 19 on the side facing away from the fluid delivery device 8, temperature-related linear expansions can be absorbed particularly well by the pipeline 7.
  • the pipeline 7 has a section 12 that rises in the direction of the fluid delivery device 8 and a section 21 that falls in the direction of the fluid delivery device 8 .
  • the kink 20 is formed between the two sections 12 , 21 .
  • the section 21 falling in the direction of the fluid delivery device 8 is arranged between the fluid delivery device 8 and the section 12 that rises in the direction of the fluid delivery device 8 .
  • the ventilation line 14 begins at a point in the pipeline 7 that lies outside the inner tank 2 on a withdrawal level of the fluid delivery device 8 .
  • the ventilation line 14 attaches to a point on the pipeline 7 that is in the extraction level of the fluid conveying device 8 or above, i.e. between the fluid conveying device 8 and a highest point of a section 21 that falls in the direction of the fluid conveying device 8.
  • the insulation of the Vent line 14 can be done as in the embodiments discussed above.
  • the ventilation line 14 is connected to the pipeline 7 at a point which lies inside the inner tank 2 .
  • the venting line 14 is not routed out of the inner tank 2 within the cladding tube 18 , but the venting line 14 is routed out of the cladding tube 14 within the inner tank 2 .
  • the ventilation line 14 is routed out of the inner tank 2 with its own ventilation jacket tube 23 . After the ventilation line 14 has been routed out of the inner tank 2 and through the outer tank 3, it has the valve 15 there, which is therefore accessible. The ventilation line 14 is then fed back into the inner tank 2 in a known manner.
  • FIG. 6 shows an embodiment in which as much cryogenic fluid 4 as possible can be removed from the inner tank 2 and the pipeline 7 is designed to be as short as possible.
  • the removal level of the fluid delivery device 8 is essentially flush with the lowest point of the inner tank 2 .
  • the fluid delivery device 8 is arranged completely in one of the gussets 24, which are formed by a smallest imaginary cuboid 25 over the inner tank 2 or the outer tank 3 are formed, for example in a gusset 24 adjacent the shell wall as shown, or in a gusset on a convex end cap. This is particularly advantageous when the fluid delivery device 8 has a rod shape and is no longer than the lateral surface, when the fluid delivery device 8 is arranged in a gusset 24 next to the lateral surface, or is no longer than the diameter of the inner tank 2 or the outer container 3 when the fluid handling device 8 is placed in a gusset 24 adjacent the end cap.
  • the fluid delivery device 8 could also be located only partially in one of the gussets 24 and thus protrude over the side or underside of the cryocontainer 1 .
  • the embodiment of FIG. 6 shows that the pipeline 7 can also be routed partially outside the cuboid 25, although this can also be avoided by the pipeline 7 already entering the space between the outer tank 3 and the inner tank 2 from the side, for example.
  • the fluid delivery device 8 is arranged as far down as possible in order to deliver as much cryofluid 4 as possible.
  • the fluid delivery device 8 or its inlet opening is preferably below a level that is delimited by the bottom third or the bottom fifth of the cryogenic container 1 and/or the end of the pipeline 7 facing away from the fluid delivery device 8 is preferably attached to a point on the inner tank 1 that lies below a level bounded by the lowest third or the lowest fifth of the cryogenic vessel 1.
  • FIG. 7 also shows an embodiment in which as much cryofluid 4 as possible can be removed from the inner tank 2 .
  • a pipeline 7 is used, which protrudes into the inner tank 2 and has a vertical section 26 located within the inner tank 2 or rising in the direction of the fluid delivery device 8, the end of which facing away from the fluid delivery device 8 attaches to the lowest point of the inner container 2, to the section 26 a section 27 sloping in the direction of the fluid delivery device 8 is connected, which is guided down to a depth which essentially corresponds to the lowest point of the inner container 2 . Between the section 27 and the fluid delivery device 8 there is a section 12 which rises in the direction of the fluid delivery device 8 .
  • FIG. 8 shows an exemplary arrangement of the cryocontainer 1 on a vehicle 29.
  • the vehicle 29 has a driver's cab 30, a semi-trailer 31, a front wheel 32 and a rear wheel 33.
  • the cryocontainer 1 is mounted laterally on a vehicle frame, not shown, so that, for example, a cryocontainer 1 can be mounted on one side of the vehicle 29 (e.g. the driver's side) and another cryocontainer 1 on the other side of the vehicle 29 (e.g. on the passenger side). .
  • the cryocontainer 1 is usually mounted between the front wheel 32 and the rear wheel 33 .
  • the cryocontainer 1 could also be mounted in the middle of the vehicle directly behind the driver's cab or on a vehicle roof.
  • the invention is not limited to the specific arrangement and could also be combined with other vehicle types, for example without a semi-trailer 31 or on a bus.
  • FIG. 8 shows the preferred embodiment in which both the cryocontainer 1 and the fluid delivery device 8 are rod-shaped, i.e. have a longitudinal axis.
  • the fluid delivery device 8 is arranged on the side of the cryogenic container 1 facing away from or towards the vehicle frame.
  • the longitudinal axis of the cryocontainer 1 is essentially parallel to a normal direction of travel of the vehicle 29, i.e. a direction of travel when the vehicle 29 is driving straight ahead.
  • the longitudinal axis of the fluid delivery device 8 is also particularly preferably parallel to the normal direction of travel and thus parallel to the longitudinal axis of the cryocontainer 1.
  • the fluid delivery device 8 de facto does not take up any additional space on the vehicle 1, as can be seen, for example, by looking at FIGS 1 out.
  • the fluid delivery device 8 and also the section 12 that rises in the direction of the fluid delivery device 8 are arranged on a casing wall of the outer container 3, with the fluid delivery device 8 being located entirely in one of the gussets 24, which is defined by a smallest imaginary cuboid 25 above the Outer container 3 is formed.
  • the fluid conveying device 8 could also be located in the insulated space between the inner container 2 and the outer container 3, as shown in FIG.
  • FIG. 8 Also shown in Figure 8 by the dashed lines is an alternative arrangement of a fluid conveyor 8' which is inclined with respect to a horizontal plane.
  • This fluid delivery device 8' is in turn designed in the form of a rod and therefore has a longitudinal axis.
  • the longitudinal axis of the fluid delivery device 8' lies in a vertical plane in which the longitudinal axis of the cryocontainer 1 and the normal direction of travel are also located of the vehicle 29 is included.
  • the longitudinal axis of the fluid delivery device 8' is inclined in relation to a horizontal plane in such a way that the end at which the fluid delivery device 8' is connected to the pipeline 7 and/or to the ventilation line 14 is higher than the end that is not connected to the pipeline 7 and/or is connected to the ventilation line 14 .
  • the higher end can be in or against the normal direction of travel of the vehicle 29 .
  • the inclination of the fluid conveying device 8' promotes the removal of evaporated cryogenic fluid via the ventilation line 14. This inclination could also be used in embodiments other than that shown in FIG. In order to achieve compact embodiments, the inclination is preferably at most 30°, at most 20°, at most 10°, at most 5°, at most 3° or at most 1° with respect to the horizontal plane.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (9) umfassend ein Fahrzeug und einen am Fahrzeug mitgeführten Kryobehälter (1) mit einem Innentank (2) und einen gegenüber diesem vakuumisolierten Außenbehälter (3), wobei das System (9) ferner eine Fluidfördereinrichtung (8) und eine Rohrleitung (7) umfasst, die zur Entnahme von Kryofluid (4) aus dem Innentank (2) geführt und an die Fluidfördereinrichtung (8) angeschlossen ist, die Fluidfördereinrichtung (8) außerhalb des Innentanks (2) angeordnet ist, die Rohrleitung (7) als thermischer Siphon (10) mit zumindest einem in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) ansteigenden Abschnitt (12) ausgebildet ist, der zumindest teilweise in einem Bereich (B) angeordnet ist, der gegenüber dem im Innentank (2) befindlichen Kryofluid (4) isoliert ist, wobei eine durch ein Ventil (15) verschließbare Entlüftungsleitung (14) im genannten Bereich (B), bevorzugt in einer Entnahmeebene der Fluidfördereinrichtung (8), an die Rohrleitung (7) oder unmittelbar an die Fluidfördereinrichtung (8) angeschlossen ist und oberhalb der Anschlussstelle an die Rohrleitung (7) in den Innentank (2) rückgeführt ist.

Description

System umfassend einen Kryobehälter und einen thermischen Siphon
Die Erfindung betrifft ein System umfassend ein Fahrzeug und einen am Fahrzeug mitgeführten, d.h. am Fahrzeug montierten, Kryobehälter mit einem Innentank und einen gegenüber diesem vakuumisolierten Außenbehälter, wobei das System ferner eine außerhalb des Innentanks befindliche Fluidfördereinrichtung und eine Rohrleitung umfasst, die zur Entnahme von Kryofluid aus dem Innentank geführt und an die Fluidfördereinrichtung angeschlossen ist.
Gemäß dem Stand der Technik können verflüssigte Gase in Behältern („Kryobehältem“) gespeichert werden, um diese als Kraftstoff für beispielsweise einen Motor eines Fahrzeugs zu lagern. Der Kryogehälter wird hierzu auf dem Fahrzeug mitgeführt, indem dieser beispielsweise auf dem Fahrzeugrahmen montiert wird. Verflüssigte Gase sind Gase, die bei Siedetemperatur im flüssigen Aggregatzustand vorliegen, wobei die Siedetemperatur dieses Fluids druckabhängig ist. Wird eine solche kryogene Flüssigkeit in einen Kryobehälter gefüllt, so stellt sich, abgesehen von thermischen Wechselspielen mit dem Kryobehälter selbst, ein Druck entsprechend der Siedetemperatur ein.
Da das im Kryobehälter gespeicherte Fluid mit einer Temperatur vorliegt, die wesentlich geringer ist als die Umgebungstemperatur des Kryobehälters, muss dieser entsprechend ausgebildet sein, um auftretende Wärmeübertragungen zu reduzieren. Hierfür ist aus dem Stand der Technik bekannt, Kryobehälter als Doppelwandtanks auszubilden, die einen Innentank und einen Außenbehälter aufweisen. Der Innentank ist dabei im Außenbehälter aufgenommen und thermisch von diesem isoliert, beispielsweise indem ein Vakuum zwischen Innentank und Außenbehälter vorliegt.
Es ist ein erstes allgemeines Ziel im Bereich der Kryobehälter, den Wärmeeintrag in den Kryobehälter zu minimieren. Der Wärmeeintrag in dem Kryobehälter steht im unmittelbaren Zusammenhang mit einer Hold Time des Kryobehälters, d.h. einer Zeitspanne von einer Beendigung der Entnahme von Kryofluid aus dem Kryobehälter bis zu jenem Zeitpunkt, bei dem der Druck im Kryobehälter einen vordefinierten Schwellwert erreicht.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, den Wärmeeintrag von in den Kryobehälter geführten Rohrleitungen zu reduzieren, indem die Rohrleitung außerhalb des Innentanks als thermischer Siphon ausgebildet ist. Ein thermischer Siphon funktioniert bei Kryobehältem derart, dass das Kryofluid an jenem Ende der Rohrleitung erwärmt wird, die außerhalb des Innentanks liegt. Dadurch verdampft das Kryofluid an diesem Ende der Rohrleitung, kann jedoch aufgrund des Auftrieb des Gases nicht durch den thermischen Siphon zurück in den Kryobehälter strömen. Dadurch liegt ein isolierendes Gaspolster am warmen Ende der Rohrleitung vor, sodass der Wärmeeintrag in das Gesamtsystem reduziert wird. Würde man den thermischen Siphon nicht vorsehen, würde das Gas und damit die Wärme nach dem Verdampfen in den Kryobehälter zurückströmen und ständig Flüssigphase in den warmen Bereich nachlaufen, wo die Flüssigphase wieder verdampft und ein ständiger größerer Wärmeeintrag in den Innentank gegeben ist.
Diese Lösung mit thermischem Siphon ist jedoch nicht für alle Anwendungen geeignet. Insbesondere für Pumpen ist ein isolierender Gaspolster hinderlich, da sich die Pumpen zur effektiven Förderung des Kryofluids auf einer Temperatur befinden müssen, an der das Kryofluid nicht verdampft. Würde Kryofluid in Gasphase an der Pumpe vorliegen, wäre der Wirkungsgrad der Pumpe äußerst gering, da die Gasphase durch die Pumpe vor der Förderung zuerst komprimiert werden müsste. Erst nach langer Zeit des Förderns von Gas könnte erreicht werden, dass sich die Ansaugleitung und Förderpumpe soweit abkühlen, dass Flüssigphase dort nicht verdampfen würde und so - nach langer Vorlaufzeit - auch Flüssigphase mi höherem Wirkungsgrad gefördert werden könnte. Diese Zeit ist für den Verbraucher inakzeptabel, und es ist Ziel der Erfindung, diese Zeit auf ein Minimum zu reduzieren und ein Abkühlen auch ohne laufenden Motor oder laufender Pumpe hauptsächlich schwerkraftgetrieben zu ermöglichen.
Aus diesem Grund wird im Stand der Technik vorgesehen, die Pumpe, insbesondere den Kolben einer Kolbenpumpe, in den Kryobehälter ragen zu lassen, um diesen ständig mit kaltem Kryofluid zu umspülen. Dadurch kann die Pumpe zu jedem Zeitpunkt gestartet werden, da sich die Pumpe zu jeder Zeit auf einer Temperatur befindet, an der das Kryofluid in flüssigem Zustand vorliegen kann. Es ist daher ein zweites allgemeines Ziel im Bereich der Kryobehälter, eine Pumpe bereitzustellen, die für einen schnellen Motorstart geeignet ist.
Es ist ersichtlich, dass die beiden genannten Ziele, einerseits der geringe Wärmeeintrag und andererseits die kalte Pumpe, zueinander im Widerspruch stehen, da eine kalte Pumpe einen hohen Wärmeeintrag in den Kryobehälter bedeutet.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein System umfassend einen Kryobehälter und eine Fluidfördereinrichtung bereitzustellen, bei dem der Wärmeeintrag in den Kryobehälter einerseits gering ist und andererseits die Fluidfördereinrichtung schnell mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System umfassend einen Kryobehälter mit einem Innentank und einen gegenüber diesem vakuumisolierten Außenbehälter, wobei das System ferner eine Fluidfördereinrichtung und eine Rohrleitung umfasst, die zur Entnahme von Kryofluid aus dem Innentank geführt und an die Fluidfördereinrichtung angeschlossen ist, wobei die Fluidfördereinrichtung außerhalb des Innentanks angeordnet ist, die Rohrleitung als thermischer Siphon mit zumindest einem in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigenden Abschnitt ausgebildet ist, der zumindest teilweise in einem Bereich angeordnet ist, der gegenüber dem im Innentank befindlichen Kryofluid isoliert ist, wobei eine durch ein Ventil verschließbare Entlüftungsleitung im genannten Bereich, bevorzugt in einer Entnahmeebene der Fluidfördereinrichtung, an die Rohrleitung oder unmittelbar an die Fluidfördereinrichtung angeschlossen ist und oberhalb der Anschlussstelle an die Rohrleitung oder oberhalb der Anschlussstelle an die Fluidfördereinrichtung in den Innentank rückgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht, dass der Wärmeeintrag in den Kryobehälter gering gehalten werden kann, da sich zwischen der Fluidfördereinreichung und dem ansteigenden Abschnitt ein Gaspolster ausbilden kann, wenn das Ventil der Entlüftungsleitung geschlossen ist. Andererseits kann der Ansaugbereich der Fluidfördereinrichtung, bzw. die Fluidfördereinrichtung selbst, rasch abgekühlt werden, indem das Ventil der Entlüftungsleitung geöffnet wird, wodurch der isolierende Gaspolster durch den Auftrieb mittels der Entlüftungsleitung in den Kryobehälter verbracht wird und Fluidphase durch die Rohrleitung zur Fluidfördereinrichtung nachströmen kann.
Das System kann somit zwei Betriebszustände einnehmen, wobei das Ventil in einem ersten Betriebszustand geschlossen ist, um nach Erwärmung der Fluidfördereinrichtung einen Isolationsgaspolster zwischen dem genannten Abschnitt und dem Ventil an der Fluidfördereinrichtung zu halten, und wobei das Ventil in einem zweiten Betriebszustand geöffnet ist, um einen Fluss für Kryofluid zur Fluidfördereinrichtung und ein gleichzeitiges Ablassen von Kryofluid in Gasphase durch die Entlüftungsleitung zu ermöglichen.
Mit der Erfindung werden beide der eingangs gestellten Ziele der Erfindung gelöst. Einerseits wird der Wärmeeintrag in das Gesamtsystem reduziert, da das im Anschlussbereich an die Fluidfördereinrichtung befindliche Kryofluid nach Abstellen des Fahrzeugs verdampft und durch den thermischen Siphon nicht in den Kryobehälter zurückströmt. Nach dem anfänglichen Verdampfen des Kryofluid wird der Wärmeeintrag über die Rohrleitung auf ein Minimum reduziert. Andererseits kann auch ein Motorstart so schnell wie möglich erfolgen, indem die Rohrleitung und der Ansaugbereich der Fluidfördereinrichtung durch Öffnen des Ventils - auch ohne laufenden Motor oder laufender Pumpe und hauptsächlich schwerkraftgetrieben - rasch gekühlt werden können. Nach Öffnen des Ventils gelangt Flüssigphase durch die vormals als thermischer Siphon wirkende Rohrleitung und kühlt dadurch die Rohrleitung und die Fluidfördereinrichtung ab.
Gemäß der Erfindung kann auch die zur Fluidfördereinrichtung geführte Rohrleitung so schnell wie möglich abgekühlt werden. Das Abkühlen der Rohrleitung hängt von der Masse der Rohrleitung, von der Temperaturdifferenz, die abgekühlt werden muss und von der nachfließenden Wärme, d.h. der Isolationsgüte, ab. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, die Rohrleitung so kurz wie möglich auszugestalten, wobei diese weiterhin die Ausbildung des Gaspolsters ermöglicht. Um dies zu erzielen, kann die Fluidfördereinrichtung so nahe am Innentank wie möglich vorgesehen werden, sodass sich im thermischen Gleichgewichtszustand, d.h. nach Verdampfen der Flüssigphase in der Fluidfördereinrichtung bzw. in der Rohrleitung in diesem Bereich, eine Temperatur einstellt, die gerade ausreichend wärmer ist als die Temperatur der Flüssigphase, um den isolierenden Gaspolster zu erzeugen. Erfindungsgemäß kann erzielt werden, dass sich die Rohrleitungen im Bereich der Fluidfördereinrichtung um nur 1 °C bis 5 °C gegenüber der Temperatur im Innentank erwärmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Entlüftungsleitung zumindest teilweise zwischen dem Innentank und dem Außentank in Umfangsrichtung des Kryobehälters geführt und das Ventil umfasst bevorzugt einen in der Entlüftungsleitung zwischen dem Innentank und dem Außentank angeordneten Verschlussteil und einen außerhalb des Außenbehälters angeordneten Betätigungsteil. Eine Rückführung der Entlüftungsleitung im Vakuumraum reduziert den Gesamtwärmeeintrag in den Kryobehälter bei Änderung des Betriebszustandes, d.h. von Stillstand auf Betrieb und von Betrieb auf Stillstand. Die Entlüftungsleitung kann sich auch vollständig zwischen Innentank und Außenbehälter befinden, beispielsweise wenn das Ventil wie oben beschrieben in zwei Teile aufgeteilt ist. Die Verbindung zwischen Verschlussteil und Betätigungsteil kann mechanisch erfolgen oder auch über eine Steuerleitung bzw. kabellose Steuerung.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird die Entlüftungsleitung im oberen Drittel des Innentanks, bevorzugt an der obersten Stelle des Innentanks, in den Innentank rückgeführt. Dies ermöglicht, dass keine Flüssigkeit in die Entlüftungsleitung gelangen kann. Alternativ könnte die Leitung auch unterhalb eines maximalen Flüssigphasenlevels in den Behälter rückgeführt sein, wobei das Ventil unmittelbar am Innentank vorgesehen werden könnte. Auch die Entlüftungsleitung könnte, beispielsweise an ihrem oberen Ende, einen thermischen Siphon aufweisen.
Der thermische Siphon kann auf verschiedenste Arten ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Rohrleitung zwei im Wesentlichen horizontale Abschnitte aufweisen, zwischen denen zur Bildung des thermischen Siphons ein Überschlag ausgebildet ist, der den in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigenden Abschnitt umfasst. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, denn der Überschlag kann einfach in die Rohrleitung eingearbeitet werden, ohne ein eigenes Rohrdurchführungsmodul vorzusehen, welches in den Innentank ragt.
In der letztgenannten Ausführungsform kann die Rohrleitung unmittelbar an den Innentank anschließen, ohne in diesen hineinzuragen. Es könnte allgemein jedoch auch vorgesehen werden, dass die Rohrleitung in den Innentank des Kryobehälters geführt ist, d.h. in diesen hineinragt, und innerhalb des Innentanks von einem Hüllrohr umgeben ist, welches die Rohrleitung gegenüber einem im Innentank befindlichen Fluid isoliert.
In diesen Ausführungsformen mit Hüllrohr wird üblicherweise vorgesehen, dass sich der zwischen dem Außenbehälter und dem Innentank befindliche vakuumisolierte Raum auch zwischen Rohrleitung und Hüllrohr erstreckt.
In der Ausführungsform mit Hüllrohr ist besonders bevorzugt, wenn der in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigende Abschnitt zumindest teilweise innerhalb des Hüllrohres angeordnet ist. Dadurch kann die sich außerhalb des Innentanks befindliche Länge der Rohrleitung reduziert und der thermische Siphon in den Innentank hineinverlagert werden.
Grundsätzlich ist es möglich, dass die Rohrleitung nur den genannten ansteigenden Abschnitt bzw. auch nur zusätzliche horizontale oder vertikale Abschnitte aufweist. Besonders bevorzugt weist die Rohrleitung zwischen dem in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigenden Abschnitt und der Fluidfördereinrichtung einen innerhalb des Hüllrohres befindlichen, in Richtung der Fluidfördereinrichtung abfallenden Abschnitt auf. Dies ermöglicht, dass die Rohrleitung innerhalb des Hüllrohres einen Knick aufweisen kann, der einen besonders günstigen Ausgleich von thermischen Längenänderungen ermöglicht.
Insbesondere wenn die Rohrleitung einen Knick innerhalb des Hüllrohres aufweist, der die höchste Stelle des thermischen Siphons bildet, kann vorgesehen werden, dass die Entlüftungsleitung innerhalb des Hüllrohres an die Rohrleitung angeschlossen, innerhalb des Innentanks aus dem Hüllrohr geführt und mit einem eigenen Entlüftungshüllrohr aus dem Innentank geführt ist. Hierbei kann die Entlüftungsleitung beispielsweise unmittelbar am Knick ansetzen und so besonders effektiv Gas aus der Rohrleitung ablassen. Das Herausführen der Entlüftungsleitung aus dem Kryobehälter hat wie in den anderen Ausführungsformen den Zweck, dass das Ventil außerhalb des Kryobehälters zugänglich vorsehbar ist.
In anderen bevorzugten Ausführungsformen ist die Entlüftungsleitung jedoch außerhalb des Innentanks an die Rohrleitung angeschlossen, da die Entlüftungsleitung hierbei einfacher isolierbar ist. Üblicherweise wird diese Ausführungsform vorgesehen, wenn die höchste Stelle der Rohrleitung an der Fluidfördereinrichtung vorgesehen ist, z.B. von dieser horizontal weggeführt ist.
Kryobehälter werden üblicherweise durch eine zylindrische Mantelwand und zwei daran anschließende Endkappen, d.h. Stirnwände, gebildet. Im Stand der Technik werden Armaturen an den Endkappen vorgesehen, da dort das Durchführen von Leitungen leichter möglich ist. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht nun erstmals, dass eine Fluidfördereinrichtung auch unmittelbar an der Mantelwand vorgesehen werden kann. Dadurch wird erstmals eine seitliche Anordnung geschaffen, die gleichzeitig einen sehr geringen Wärmeeintrag und einen raschen Start der Fluidfördereinrichtung ermöglicht.
Insbesondere in der Fahrzeugtechnik ist der zur Verfügung stehende Raum äußerst gering, sodass es bevorzugt ist, die Fluidfördereinrichtung unmittelbar neben dem Kryobehälter, z.B. neben dem Mantel oder einer der Stirnwände bzw. Endkappen des Kryobehälters, anzuordnen. Beispielsweise kann die Fluidfördereinrichtung im Wesentlichen stabförmig ausgebildet sein und parallel zu einer Längsachse des Kryobehälters entlang der Mantelfläche oder normal zur Längsachse des Kryobehälters neben der Endkappe angeordnet sein.
Um eine besonders kompakte Ausführung zu schaffen, sind die Fluidfördereinrichtung und bevorzugt auch der in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigende Abschnitt an einer Mantelwand des Innentanks oder des Außenbehälters angeordnet, wobei sich die Fluidfördereinrichtung bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt vollständig, in einem der Zwickel befindet, die durch einen kleinsten gedachten Quader über den Innentank oder den Außenbehälter gebildet sind. Die Anordnung im Zwickel ermöglicht, dass die Fluidfördereinrichtung am Kryobehälter angeordnet werden kann, ohne dass diese dabei seitlich, unterhalb oder oberhalb des Kryobehälters wesentlich hervorsteht, beispielsweise wenn der Kryobehälter seitlich an einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Üblicherweise wird die Fluidfördereinrichtung in jenem Zwickel angeordnet, der sich unten auf der dem Kraftfahrzeug abgewandten Seite befindet. Besonders bevorzugt ist die Fluidfördereinrichtung stabförmig ausgebildet und liegt parallel zum Kryobehälter, z.B. parallel zu einer Längserstreckungsachse des Kryobehälters.
Alternativ kann die Fluidfördereinrichtung und bevorzugt auch der in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigende Abschnitt an einer Stirnwand des Innentanks oder des Außenbehälters angeordnet sein, wobei sich die Fluidfördereinrichtung bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt vollständig, in einem der Zwickel befindet, die durch einen kleinsten gedachten Quader über den Innentank oder den Außenbehälter gebildet sind. Der Zwickel an der Stirnwand bildet sich aus, wenn die Stirnwand konvex ausgebildet ist. In diesem Fall kann die Fluidfördereinrichtung bevorzugt vertikal stehend oder auch horizontal liegend insbesondere quer zur Längsachse des Tanks angeordnet werden, beispielsweise in einem Zwickel, der sich zwischen einer der konvexen Endkappen und dem genannten kleinsten gedachten Quader bildet. Besonders bevorzugt ist die Fluidfördereinrichtung stabförmig ausgebildet und liegt normal zum Kryobehälter, z.B. horizontal oder vertikal und normal zu einer Längserstreckungsachse des Kryobehälters.
Die beiden vorgenannten Ausführungen sind besonders von Vorteil, da auf einem Fahrzeug überaus wenig Bauraum zur Verfügung steht, insbesondere für die Fluidfördereinrichtung. Durch die beiden genannten Ausführungen kann ein besonders kompaktes System erzielt werden, und der Kryobehälter und die Fluidfördereinrichtung können zusammen in einem kleinstmöglichen gedachten Quader angeordnet werden, beispielsweise dem am Fahrzeugrahmen zur Verfügung stehenden Bauraum.
Um zu ermöglichen, dass die Flüssigphase des Kryofluids bis zum letzten Tropfen entnehmbar ist, kann die Rohrleitung an der untersten Stelle des Innentanks angeschlossen sein, ohne in den Innentank hineinzuragen, und von dort zur Fluidfördereinrichtung geführt sein. Dadurch kann die Entnahmemenge des Kryobehälters maximiert werden, was durch den Stand der Technik in dieser Form bislang nicht möglich war. In einer anderen Variante könnte die Rohrleitung zur Erreichung dieses Ziels auch hineinragen, auch unisoliert, und mit einem in Richtung der Fluidfördereinrichtung abfallenden Abschnitt aus dem Innentank geführt sein, wobei der in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigende Abschnitt zwischen dem genannten abfallenden Abschnitt und der Fluidfördereinrichtung vorgesehen ist. Weiters bevorzugt befindet sich die Fluidfördereinrichtung im vakuumisolierten Raum zwischen Innentank und Außenbehälter. Der Außenbehälter kann somit über die Fluidfördereinrichtung gezogen werden, wodurch diese im vakuumisolierten Bereich angeordnet sein kann. Dadurch ergibt sich eine besonders gute Ausnutzung des auf dem Fahrzeug zur Verfügung stehenden Bauraumes, da der Isolationsraum zwischen Innentank und Außenbehälter gleichzeitig als Montageraum für die Fluidfördereinrichtung ausgenutzt wird. In alternativen Ausführungsformen kann sich die Fluidfördereinrichtung auch außerhalb des Außenbehälters befinden und dort gesondert isoliert sein.
In allen vorgenannten Ausführungsformen, insbesondere jedoch in der vorgenannten, bei der sich die Fluidfördereinrichtung im vakuumisolierten Raum zwischen Innentank und Außenbehälter, sind sowohl der Kryobehälter als auch die Fluidfördereinrichtung stabförmig ausgebildet sind (worunter hierin verstanden wird, dass sie jeweils eine Längsachse aufweisen und bevorzugt in Längsrichtung eine größere Länge haben als in den anderen Richtungen normal zur Längsrichtung), wobei die Längsachse des Kryobehälters und der Fluidfördereinrichtung in einer vertikalen Ebene enthalten sind, die in Normalfahrtrichtung des Fahrzeugs liegt. Dadurch können sowohl der Kryobehälter als auch Fluidfördereinrichtung kompakt am Fahrzeug angeordnet werden. Weiters bevorzugt liegt die Längsachse des Kryobehälters in einer Horizontalebene und die Längsachse der Fluidfördereinrichtung liegt in einer Horizontalebene oder ist um 0,1° bis 20° bezüglich einer Horizontalebene geneigt, wodurch die kompakte Anordnung weiterhin erreicht werden kann.
Weiters ist die die Fluidfördereinrichtung bevorzugt stabförmig ausgebildet und eine Längsachse der Fluidfördereinrichtung ist bezüglich einer Horizontalebene geneigt ist, wobei jenes Ende, an dem die Fluidfördereinrichtung mit der Rohrleitung und/oder mit der Entlüftungsleitung verbunden ist, höher liegt als jenes Ende, das nicht mit der Rohrleitung und/oder mit der Entlüftungsleitung verbunden ist. Dadurch kann in bzw. an der Fluidfördereinrichtung verdampftes Kryofluid leichter über die Entnahmeleitung in den Kryobehälter rückgeführt werden.
Weiters ist bevorzugt, wenn der in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigende Abschnitt um eine Höhe ansteigt, die zumindest dem doppelten Durchmesser der Rohrleitung an der Anschlussstelle zur Fluidfördereinrichtung entspricht. Dadurch kann eine ausreichende Höhe für das Vorliegen des Gaspolsters und damit der Wirkung des thermischen Siphons sichergestellt werden. Die Höhe wird definiert als Differenz zwischen der obersten Stelle der Rohroberseits des ansteigenden Abschnitts und der untersten Stelle der Rohrunterseite des ansteigenden Abschnitts. Dadurch kann auch bei einem schräg geparkten Fahrzeug die Siphonwirkung aufrechterhalten werden.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Rohrleitung über zumindest einen Funktionsabschnitt biegeweicher ist als außerhalb des Funktionsabschnitts. Alternativ oder zusätzlich kann die Rohrleitung über zumindest einen Funktionsabschnitt eine dünnere Wandstärke aufweisen als außerhalb des Funktionsabschnitts, wobei sich der Funktionsabschnitt bevorzugt zumindest teilweise innerhalb eines Hüllrohres befindet. Alternativ oder zusätzlich kann die Rohrleitung über zumindest einen Funktionsabschnitt als Balgrohr ausgeführt sein, wobei sich der Funktionsabschnitt bevorzugt zumindest teilweise innerhalb des Hüllrohres befindet. Je nach Ausführungsform kann sich der Funktionsabschnitt auch vollständig innerhalb des Hüllrohres bzw. Kryobehälters oder vollständig außerhalb des Hüllrohres bzw. Kryobehälters befinden.
Diese Ausführungsformen mit Funktionsabschnitt haben den Vorteil, dass durch die biegeweiche Ausführung, die Ausdünnung der Rohrleitungswandstärke und/oder durch die Ausführung als Balgrohr keine bzw. weniger durch das Fahrzeug bedingte Vibrationen auf die Fluidfördereinrichtung übertragen werden. Es handelt sich somit um einen fahrzeugspezifischen Vorteil. Üblicherweise ist der Funktionsabschnitt für die Rohrleitung vorgesehen, da diese bezüglich der Länge einen großen Durchmesser aufweist und dadurch starr ist. Die Entlüftungsleitung ist aufgrund ihrer normalerweise großen Länge und dem geringeren Durchmesser weniger starr, sodass weniger Vibrationen auf die Fluidfördereinrichtung übertragen werden. Im Allgemeinen könnten jedoch alle vorgenannten Varianten des Funktionsabschnitts der Leitung auch für die Entlüftungsleitung vorgesehen werden, d.h. die Entlüftungsleitung kann einen Funktionsabschnitt wie oben für die Rohrleitung beschrieben aufweisen.
Vorteilhafte und nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes System mit einem Kryobehälter und einer als thermischer Siphon ausgebildeten Rohrleitung in einer ersten Ausführungsvariante. Figur 2 zeigt das erfindungsgemäße System in einer zweiten Ausführungsvariante. Figur 3 zeigt das erfindungsgemäße System in einer dritten Ausführungsvariante. Figur 4 zeigt das erfindungsgemäße System in einer vierten Ausführungsvariante. Figur 5 zeigt das erfindungsgemäße System in einer fünften Ausführungsvariante. Figur 6 zeigt das erfindungsgemäße System in einer sechsten Ausführungsvariante. Figur 7 zeigt das erfindungsgemäße System in einer siebten Ausführungsvariante.
Figur 8 zeigt ein Fahrzeug mit Kryobehälter und Fluidfördereinrichtung in der erfindungsgemäßen Anordnung.
Figur 1 zeigt einen Kryobehälter 1, der einen Innentank 2 und einen gegenüber diesem vakuumisolierten Außenbehälter 3 aufweist. Das im Kryobehälter 1 gespeicherte Kryofluid 4 ist beispielsweise verflüssigtes Erdgas, dem Fachmann auch als LNG („Liquid Natural Gas“) bekannt. Das Kryofluid 4 liegt im dargestellten Beispiel bis zu einem Füllstand F in Flüssigphase 5 vor, darüber in Gasphase 6. Der Kryobehälter 1 wird auf einem Kraftfahrzeug mitgeführt, in welchem Fall das Kryofluid 4 beispielsweise als Treibstoff für einen Motor des Kraftfahrzeugs dient. Zu diesem Zweck kann eine Entnahmeleitung des Kryobehälters mit dem Motor verbunden sein. Der Kryobehälter 1 wird üblicherweise am Fahrzeugrahmen des Fahrzeugs montiert, wobei eine Längserstreckungsachse des Kryobehälters 1 im Wesentlichen horizontal und parallel zum Fahrzeugrahmen liegt, d.h. parallel zu einer Normalfahrtrichtung des Fahrzeugs.
Der Kryobehälter 1 kann beispielsweise eine zylindrische Form aufweisen, d.h. einen zylindrischen Mantel umfassen, der von zwei ebenen oder konvexen Endkappen abgeschlossen ist. Somit hat der Kryobehälter 1 in der Regel eine Längserstreckungsachse, die mit der Zylinderachse des Kryobehälters 1 übereinstimmen kann. Im Allgemeinen müssen der Kryobehälter 1 bzw. dessen Mantel im Schnitt normal zur Längserstreckungsachse jedoch keinen kreisrunden Querschnitt aufweisen.
Um Kryofluid 4 in den Kryobehälter 1 einzubringen oder Kryofluid 4 aus diesem zu entnehmen, ist eine Rohrleitung 7 zwischen Innentank 2 und Außenbehälter 3 vorgesehen. Weitere Leitungen, um Kryofluid in den Tank einzubringen bzw. aus diesem zu entnehmen, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Um Kryofluid 4 zu fördern, ist überdies eine Fluidfördereinrichtung 8, bevorzugt eine Pumpe wie eine Kolbenpumpe oder Zentrifugalpumpe, bzw. deren Zulaufbereich oder Ansaugbereich mit der Rohrleitung 7 verbunden. Der Kryobehälter 1, die Rohrleitung 7 und die Fluidfördereinrichtung 8 werden zusammen, gegebenenfalls mit weiteren Komponenten, als System 9 bezeichnet. Die Fluidfördereinrichtung 8 ist bevorzugt unmittelbar an einer Mantelfläche des Kryobehälters 1 angeordnet, sodass auch die Rohrleitung 7 unmittelbar, d.h. ohne Zwischensystem, an die Fluidfördereinrichtung 8 angeschlossen werden kann. In dieser Variante liegt die Fluidfördereinrichtung 8 beispielsweise parallel zur Längserstreckungsachse des Kryobehälters 1. In anderen Ausführungsformen kann die Fluidfördereinrichtung 8 auch an einer Stirnseite des Kryobehälters 1 angeordnet werden, z.B. vertikal stehend oder horizontal liegend. In dieser Variante liegt die Fluidfördereinrichtung 8 beispielsweise normal zur Längserstreckungsachse des Kryobehälters 1. Die Fluidfördereinrichtung 8 kann zumindest eine Flüssigphase 5 fördern, z.B. pumpen. Wenn die Fluidfördereinrichtung 8 auch eine Gasphase 6 fördern kann, weist die Fluidfördereinrichtung 8 beispielsweise einen höheren Wirkungsgrad zum Fördern der Flüssigphase 5 auf als zum Fördern der Gasphase 6 auf.
Wie dem Fachmann bekannt, wird das Kryofluid 4 im Innentank 2 bei sehr niedrigen Temperaturen gelagert. Die Temperatur innerhalb des Innentanks 2 ist daher niedriger als außerhalb des Innentanks 2. Die Fluidfördereinrichtung 8 wird im Betrieb durch das durch die Fluidfördereinrichtung 8 verlaufende flüssige Kryofluid 4 gekühlt. Wenn die Fluidfördereinrichtung 8 im Betrieb ist, hat diese somit eine Temperatur, die im Wesentlichen der Temperatur der Flüssigphase 5 entspricht. Wenn die Fluidfördereinrichtung 8 jedoch nicht im Betrieb ist, erwärmt sich diese durch den Wärmeeintrag von außen, sodass das in der Fluidfördereinrichtung 8 bzw. in der Rohrleitung
7 befindliche Kryofluid 4 nahe der Fluidfördereinrichtung 8 verdampft und sich dort eine Gasphase 6 bildet. Wäre die Rohrleitung 7 nicht als thermischer Siphon wie unten beschrieben ausgebildet, würde sich das Kryofluid 4 in der Nähe der Fluidfördereinrichtung
8 ständig in Gasphase 6 umwandeln und in den Innentank 2 zurückströmen, was einen erheblichen Wärmeeintrag bedeutet. Zwar kann die Fluidfördereinrichtung 8 auch zwischen dem Innentank 2 und dem Außenbehälter 3 oder innerhalb einer Isolierung 10 angeordnet sein, um die Fluidfördereinrichtung 8 zwischen Außenbehälter 3 und Isolierung 10 beispielsweise in einem Vakuum einzuschließen, jedoch kann dadurch der Wärmeeintrag in die Fluidfördereinrichtung 8 nicht vollständig unterbunden werden.
Aus diesem Grund ist die Rohrleitung 7 als thermischer Siphon 11 ausgebildet. Der thermische Siphon 11 weist zumindest einen in Richtung der Fluidfördereinrichtung ansteigenden Abschnitt 12 auf, der zumindest teilweise in einem Bereich B angeordnet ist, der gegenüber dem im Innentank 2 befindlichen Kryofluid 4 isoliert ist, d.h. nicht unmittelbar vom Kryofluid 4 umspült wird. Der Bereich B liegt somit außerhalb des Innentanks 2 oder gegebenenfalls auch innerhalb des Innentanks 2, wenn dieser eine isolierte Einbuchtung wie ein unten näher beschriebenes Hüllrohr 19 aufweist.
Bei einem Wärmeeintrag von außen wird somit der Bereich B, und damit auch der innerhalb des Bereichs B befindliche Teil des Abschnitts 12 bzw. der Rohrleitung 7, eine höhere Temperatur einnehmen als das im Innentank 2 befindliche Kryofluid 4. Das dort in Flüssigphase 5 befindliche Kryofluid 4 wird somit aufgrund des Wärmeeintrags von außen zuerst verdampfen. Durch den Auftrieb der Gasphase 6 gegenüber der Flüssigphase 5 wird durch den ansteigenden Abschnitt 12 ein isolierender Gaspolster an der Fluidfördereinrichtung 8, üblicherweise bis zum ansteigenden Abschnitt 12, vorliegen.
Wenn die Fluidfördereinrichtung 8 nun jedoch für einen gewissen Zeitraum nicht im Betrieb war, d.h. warm geworden ist, und der isolierende Gaspolster an der Fluidfördereinrichtung 8 vorliegt, wird diese kein Kryofluid 1 oder nur mit einem schlechten Wirkungsgrad fördern können. Erfmdungsgemäß ist daher eine Entlüftungsleitung 14 vorgesehen, die im genannten Bereich B, bevorzugt in einer Entnahmeebene der Fluidfördereinrichtung 8, an die Rohrleitung 7 oder unmittelbar an die Fluidfördereinrichtung 8 angeschlossen ist und in den Kryobehälter 1 rückgeführt ist. Wenn die Entlüftungsleitung 14 an die Rohrleitung 7 angeschlossen ist, dann bevorzugt unmittelbar neben der Fluidfördereinrichtung 8, z.B. an einen Teil der Rohrleitung 7, der horizontal von der Fluidfördereinrichtung 8 wegführt ist oder, wenn der Abschnitt 12 unmittelbar an der Fluidfördereinrichtung 8 ansetzt, an der obersten Stelle des Abschnitts 12.
Die Entlüftungsleitung 14 weist ein Ventil 15, d.h. Absperrventil, auf, mittels welchem die Entlüftungsleitung 14 selektiv absperrbar und öffenbar ist. Ist das Ventil 15 in der Entlüftungsleitung 14 geschlossen, kann der thermische Siphon 11 wie oben skizziert seine isolierende Funktion erfüllen. Wird das Ventil 15 jedoch geöffnet, strömt die Gasphase 6 aus der Rohrleitung 7 über die Entlüftungsleitung 14 in den Innentank 2 zurück, d.h. der thermische Siphon 11 kann seine Wirkung nicht mehr erfüllen. Dadurch strömt aus dem Innentank 2 Fluidphase 5 in die Rohrleitung 7 in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 nach. Durch die nachströmende Flüssigphase 5 kühlt die Fluidfördereinrichtung 8 besonders schnell ab, wodurch nach hinreichender Abkühlung die Flüssigphase 5 gepumpt werden kann.
Die Entlüftungsleitung 14 ist in den Innentank 2 rückgeführt, beispielsweise oberhalb der Anschlussstelle der Entlüftungsleitung 14 an die Rohrleitung 7, oberhalb des in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigenden Anschnitts 12, im oberen Drittel des Kryobehälters 1 oder an der obersten Stelle des Kryobehälters 1. Bevorzugt ist die Entlüftungsleitung 14 ausgehend von der Anschlussstelle an die Rohrleitung 7 stetig steigend ausgeführt, zumindest bis in eine Höhe, in welcher sich die Anschlussstelle an den Innentank 2 befindet, um die Gefahr zu verringern, selbst einen Siphon zu bilden. Wie in Figur 1 gezeigt kann die Entlüftungsleitung 14 zumindest teilweise im vakuumisolierten Bereich zwischen dem Innentank 2 und dem Außenbehälter 3 geführt sein, um eine möglichst gute Isolierung für die Entlüftungsleitung 14 zu schaffen. Bevorzugt ist die Entlüftungsleitung 14 nur im Bereich des Ventils 15 außerhalb des Außenbehälters 3 und/oder der Isolierung 10 angeordnet. Alternativ kann nur das Ventil 15 außerhalb des Außenbehälters 3 und/oder der Isolierung 10 angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann die gesamte Entlüftungsleitung 14 und auch das Ventil 15 innerhalb des vakuumisolierten Bereichs zwischen Innentank 2 und Außenbehälter 3 und/oder innerhalb der Isolierung 10 angeordnet sein. In diesem Fall kann das Ventil 15 eine Steuerleitung aufweisen, die aus dem Außenbehälter 3 bzw. der Isolierung 10 geführt ist, sodass das Ventil 15 von außen mechanisch, pneumatisch oder elektrisch verschlossen werden kann.
Anhand der Figuren 1 bis 5 werden nun unterschiedliche Arten von thermischen Siphonen 10 erläutert, die für das erfindungsgemäße System zum Einsatz kommen können. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt, sondern es können auch weitere, nicht dargestellte thermische Siphons zum Einsatz kommen.
Figur 1 zeigt einen klassischen thermischen Siphon 11 mit zwei im Wesentlichen horizontalen Abschnitten 16, 17 mit einem Überschlag 18. Der der Fluidfördereinrichtung 8 angewandte Teil des Überschlags 18 bildet den in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigenden Abschnitt 12, der verhindert, dass die Fluidphase 5 in Richtung der Fluidfördereinrichtung nachströmen kann. Bildet sich nun an der Fluidfördereinrichtung 8 eine Gasphase 6 aus, wird sich diese zuerst im oberen Ende des Überschlags 18 ansammeln und diesen anfüllen und dadurch einen Puffer zwischen Flüssigphasen 5 in den beiden horizontalen Anschnitten 16, 17 bilden. Danach wird sich die restliche Flüssigphase 5 in dem horizontalen Abschnitt 17, der der Fluidfördereinrichtung 8 zugewandt ist, in Gasphase 6 umwandeln und gegebenenfalls aus dem thermischen Siphon 11 in Richtung des Kryobehälters 1 in diesen austreten.
In der Ausführungsform von Figur 1 setzt die Rohrleitung 7 am Innentank 2 an, tritt jedoch nicht in diesen ein. Es kann jedoch vorgesehen werden, dass die Rohrleitung 7 in den Innentank 2 eintritt, in welchem Fall sie von einem Hüllrohr 19 umgeben ist, wie in den Figuren 2 bis 5 dargestellt ist. Das Hüllrohr 19 isoliert die Rohrleitung 7 gegenüber einem im Innentank 2 befindlichen Fluid, d.h. Kryofluid 4, wenn der Kryobehälter 1 befällt ist. Beispielsweise ist der Innentank 2 an jener Stelle durchbrochen, an dem das Hüllrohr 19 ansetzt, sodass sich der vakuumisolierte Bereich zwischen Innentank 2 und Außenbehälter 3 auch auf den Bereich zwischen Rohrleitung 7 und Hüllrohr 19 erstreckt. Alternativ könnte der Bereich zwischen Rohrleitung 7 und Hüllrohr 19 auch auf eine andere Art isoliert sein.
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Rohrleitung einen im Wesentlichen horizontalen Abschnitt, welcher der Fluidfördereinrichtung 8 zugewandt ist, und einen im Wesentlichen vertikalen Abschnitt umfasst, welcher der Fluidfördereinrichtung 8 abgewandt ist und den in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigenden Abschnitt 12 ausbildet. Da der vertikale, in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigende Abschnitt 12 vom Hüllrohr 19 umgeben ist, befindet sich dieser im Bereich B, der gegenüber dem im Innentank 2 befindlichen Kryofluid 4 isoliert ist. Wie in Figur 1 setzt die Entlüftungsleitung 14 an der Fluidfördereinrichtung 8 an und ist im Wesentlichen vollständig im vakuumisolierten Bereich zwischen Innentank 2 und Außenbehälter 3 geführt, bis auf einen Abschnitt, an dem sich das Ventil 15 befindet.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Rohrleitung 7 innerhalb Innentanks 2 gerade, aber ausgehend vom Innentank 2 in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigend ausgeführt ist. Die Entlüftungsleitung 14 setzt an einer höchstgelegenen Stelle der absteigenden Rohrleitung 7 an, d.h. in einer Entnahmeebene der Fluidfördereinrichtung 8. Die Isolation der Entlüftungsleitung 14 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Weiters ist in Figur 3 ein Funktionsabschnitt 28 der Rohrleitung dargestellt, an dem die Rohrleitung 7 biegeweicher ist als außerhalb des Funktionsabschnitts 28. Im dargestellten Beispiel ist der Funktionsabschnitt 28 als Balgrohr ausgeführt. Das Balgrohr könnte jedoch auch derart ausgebildet sein, dass es nicht notwendigerweise biegeweicher ist, jedoch eine Stauchung bzw. Dehnung in Längsrichtung der Rohrleitung 7 ermöglicht. Alternativ könnte der Funktionsabschnitt 28 durch eine lokale Ausdünnung der Rohrleitung 7 ausgebildet sein, wodurch ein biegeweicher Abschnitt gebildet wird. Dadurch kann die Übertragung von Vibrationen des Fahrzeugs und damit des Kryobehälters 1 auf die Fluidfördereinrichtung 8 vermieden bzw. reduziert werden. Der Funktionsabschnitt ist nicht für die Ausführungsform von Figur 3 spezifisch, sondern kann mit allen anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden. Der Funktionsabschnitt 28 kann sich zudem vollständig oder teilweise innerhalb oder vollständig außerhalb des Kryobehälters 1 (d.h. der zylindrischen Kontur des Kryobehälters 1) befinden.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Ausführungsformen des thermischen Siphons 10, die besonders praxisrelevant sind. In diesen Ausführungsformen weist die Rohrleitung 7 einen Knick 20 auf, der sich innerhalb des Hüllrohres 19 befindet. Da die Rohrleitung 7 nicht mit dem Innentank 2 verbunden ist, sondern mit dem Hüllrohr 19 an der der Fluidfördereinrichtung 8 abgewandten Seite, können temperaturbedingte Längenausdehnungen durch die Rohrleitung 7 besonders gut aufgenommen werden. Die Rohrleitung 7 hat in den beiden dargestellten Ausführungsformen einen in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigenden Abschnitt 12 und einen in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 abfallenden Abschnitt 21. Der Knick 20 ist zwischen den beiden Abschnitten 12, 21 ausgebildet. Der in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 abfallende Abschnitt 21 ist zwischen der Fluidfördereinrichtung 8 und dem in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigenden Abschnitt 12 angeordnet.
In der Ausführungsform von Figur 4 setzt die Entlüftungsleitung 14 an einer Stelle der Rohrleitung 7 an, die außerhalb des Innentanks 2 auf einer Entnahmeebene der Fluidfördereinrichtung 8 liegt. Im Allgemeinen ist bevorzugt, wenn die Entlüftungsleitung 14 an einer Stelle der Rohrleitung 7 ansetzt, die in der Entnahmeebene der Fluidfördereinrichtung 8 oder darüber liegt, d.h. zwischen der Fluidfördereinrichtung 8 und einer höchsten Stelle eines in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 abfallenden Abschnitts 21. Die Isolation der Entlüftungsleitung 14 kann wie in den oben erläuterten Ausführungsformen erfolgen.
In Figur 5 ist die Entlüftungsleitung 14 an einer Stelle die Rohrleitung 7 angeschlossen, die innerhalb des Innentanks 2 liegt. Zudem ist die Entlüftungsleitung 14 nicht innerhalb des Hüllrohres 18 aus dem Innentank 2 geführt, sondern die Entlüftungsleitung 14 ist innerhalb des Innentanks 2 aus dem Hüllrohr 14 geführt. Um in diesem Fall die Entlüftungsleitung 14 gegenüber dem Kryofluid 1 im Innentank 2 zu isolieren, ist die Entlüftungsleitung 14 mit einem eigenen Entlüftungshüllrohr 23 aus dem Innentank 2 geführt. Nachdem die Entlüftungsleitung 14 aus dem Innentank 2 und durch den Außentank 3 geführt ist, weist sie dort das Ventil 15 auf, das somit zugänglich ist. In bekannter Weise wird die Entlüftungsleitung 14 dann in den Innentank 2 zurückgeführt.
Figur 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der so viel Kryofluid 4 wie möglich aus dem Innentank 2 entnehmbar ist und die Rohrleitung 7 so kurz wie möglich ausgeführt ist. Hierbei liegt die Entnahmeebene der Fluidfördereinrichtung 8 im Wesentlichen bündig mit der untersten Stelle des Innentanks 2. Das der Fluidfördereinrichtung 8 abgewandte Ende der Rohrleitung 7 setzt hierbei bevorzugt an der untersten Stelle des Innentanks 1 an.
Die Fluidfördereinrichtung 8 ist vollständig in einem der Zwickel 24 angeordnet, die durch einen kleinsten gedachten Quader 25 über den Innentank 2 oder den Außenbehälter 3 gebildet sind, beispielsweise in einem Zwickel 24 neben der Mantelwand, wie dargestellt, oder in einem Zwickel an einer konvexen Endkappe. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Fluidfördereinrichtung 8 eine Stabform aufweist und nicht länger ist als die Mantelfläche, wenn die Fluidfördereinrichtung 8 in einem Zwickel 24 neben der Mantelfläche angeordnet wird, oder nicht länger ist als der Durchmesser des Innentanks 2 bzw. des Außenbehälters 3, wenn die Fluidfördereinrichtung 8 in einem Zwickel 24 neben der Endkappe angeordnet wird.
Die Fluidfördereinrichtung 8 könnte sich auch nur teilweise in einem der Zwickel 24 befinden und dadurch über die Seite bzw. Unterseite des Kryobehälters 1 hervorstehen. In der Ausführungsform von Figur 6 ist gezeigt, dass die Rohrleitung 7 auch teilweise außerhalb des Quaders 25 geführt sein kann, wobei dies auch vermieden werden kann, indem die Rohrleitung 7 beispielswiese bereits seitlich in den Raum zwischen Außenbehälter 3 und Innentank 2 eintritt.
Im Allgemeinen ist bevorzugt, wenn die Fluidfördereinrichtung 8 so weit unten wie möglich angeordnet ist, um so viel Kryofluid 4 wie möglich zu fördern. Bevorzugt liegt die Fluidfördereinrichtung 8 bzw. deren Einlassöffnung unter einer Ebene, die durch das unterste Drittel oder das unterste Fünftel des Kryobehälters 1 begrenzt ist und/oder das der Fluidfördereinrichtung 8 abgewandte Ende der Rohrleitung 7 setzt bevorzugt an einer Stelle des Innentanks 1 an, die unter einer Ebene liegt, die durch das unterste Drittel oder das unterste Fünftel des Kryobehälters 1 begrenzt ist.
Auch Figur 7 zeigt eine Ausführungsform, bei der so viel Kryofluid 4 wie möglich aus dem Innentank 2 entnehmbar ist. Hierfür wird eine Rohrleitung 7 eingesetzt, die in den Innentank 2 hineinragt und einen innerhalb des Innentanks 2 befindlichen vertikalen oder in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigenden Abschnitt 26 aufweist, dessen der Fluidfördereinrichtung 8 abgewandtes Ende an tiefsten Punkt des Innenbehälters 2 ansetzt, an den Abschnitt 26 ist eine in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 abfallender Abschnitt 27 angeschlossen, der bis in eine Tiefe geführt ist, die im Wesentlichen dem tiefsten Punkt des Innenbehälters 2 entspricht. Zwischen dem Abschnitt 27 und der Fluidfördereinrichtung 8 ist der in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigende Abschnitt 12 vorgesehen. Da sich der in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigende Abschnitt 12 vollständig außerhalb des Innenbehälters 2 befindet, kann der innerhalb des Innentanks 2 befindliche Teil der Rohrleitung 7 auch ohne Hüllrohr ausgeführt werden. Figur 8 zeigt eine beispielhafte Anordnung des Kryobehälters 1 auf einem Fahrzeug 29. Das Fahrzeug 29 weist eine Fahrerkabine 30, einen Sattelauflieger 31, ein Vorderrad 32 und ein Hinterrad 33 auf. Der Kryobehälter 1 ist seitlich auf einem nicht weiter dargestellten Fahrzeugrahmen montiert, sodass beispielsweise ein Kryobehälter 1 auf einer Seite des Fahrzeugs 29 (z.B. der Fahrerseite) und ein weiterer Kryobehälter 1 auf der anderen Seite des Fahrzeugs 29 (z.B. auf der Beifahrerseite) montiert werden kann. Der Kryobehälter 1 wird üblicherweise zwischen Vorderrad 32 und Hinterrad 33 montiert. Der Kryobehälter 1 könnte jedoch auch mittig am Fahrzeug unmittelbar hinter der Fahrerkabine oder auf einem Fahrzeugdach montiert sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die konkrete Anordnung beschränkt und könnte auch mit anderen Fahrzeugtypen, z.B. ohne Sattelauflieger 31 oder auf einem Bus, kombiniert werden.
Aus Figur 8 ist jene die bevorzugte Ausführungsform ersichtlich, bei der sowohl der Kryobehälter 1 als auch die Fluidfördereinrichtung 8 stabförmig ausgebildet sind, d.h. eine Längsachse aufweisen. Die Fluidfördereinrichtung 8 ist auf der dem Fahrzeugrahmen abgewandten oder zugewandten Seite des Kryobehälters 1 angeordnet. Die Längsachse des Kryobehälters 1 liegt im Wesentlichen parallel zu einer Normalfahrtrichtung des Fahrzeugs 29, d.h. einer Fahrtrichtung bei Geradeausfahrt des Fahrzeugs 29. Besonders bevorzugt liegt auch die Längsachse der Fluidfördereinrichtung 8 parallel zur Normalfahrtrichtung und damit parallel zur Längsachse des Kryobehälters 1. Dadurch kann eine besonders kompakte Anordnung erzielt werden, da die Fluidfördereinrichtung 8 de facto keinen zusätzlichen Platz am Fahrzeug 1 einnimmt, wie beispielsweise aus der Zusammenschau der Figuren 7 und 8 ersichtlich ist, denn die Fluidfördereinrichtung 8 ragt weder seitlich noch vorne bzw. hinten noch ober oder unter dem Kryobehälter 1 hervor. Im Beispiel der Figur 8 sind die Fluidfördereinrichtung 8 und auch der in Richtung der Fluidfördereinrichtung 8 ansteigende Abschnitt 12 an einer Mantelwand des Außenbehälters 3 angeordnet, wobei sich die Fluidfördereinrichtung 8 vollständig in einem der Zwickel 24 befindet, der durch einen kleinsten gedachten Quader 25 über dem Außenbehälter 3 gebildet ist. Die Fluidfördereinrichtung 8 könnte sich auch zusätzlich wie in Figur 7 gezeigt im isolierten Raum zwischen Innenbehälter 2 und Außenbehälter 3 befinden, wie in Figur 7 gezeigt sodass sich zusätzlich zur verbesserten Isolation ein weiterer Raumgewinn ergibt.
In Figur 8 ist weiters durch die strichlierten Linien eine alternative Anordnung einer Fluidfördereinrichtung 8‘ dargestellt, welche bezüglich einer horizontalen Ebene geneigt ist. Diese Fluidfördereinrichtung 8‘ ist wiederum stabförmig ausgebildet und weist daher eine Längsachse auf. Die Längsachse der Fluidfördereinrichtung 8‘ liegt in einer vertikalen Ebene, in welcher auch die Längsachse des Kryobehälters 1 bzw. die Normalfahrtrichtung des Fahrzeugs 29 enthalten ist. Die Längsachse der Fluidfördereinrichtung 8‘ ist jedoch derart bezüglich einer Horizontal ebene geneigt, dass jenes Ende, an dem die Fluidfördereinrichtung 8‘ mit der Rohrleitung 7 und/oder mit der Entlüftungsleitung 14 verbunden ist, höher liegt als jenes Ende, das nicht mit der Rohrleitung 7 und/oder mit der Entlüftungsleitung 14 verbunden ist. Das höher gelegene Ende kann sich in oder entgegen der Normalfahrtrichtung des Fahrzeugs 29 befinden. Die Neigung der Fluidfördereinrichtung 8‘ begünstigt die Abfuhr von verdunstetem Kryofluid über die Entlüftungsleitung 14. Diese Neigung könnte auch bei anderen Ausführungsformen als jener aus Figur 8 eingesetzt werden. Um kompakte Ausführungsformen zu erzielen, beträgt die Neigung bevorzugt maximal 30°, maximal 20°, maximal 10°, maximal 5°, maximal 3° oder maximal 1° bezüglich der Horizontalebene.

Claims

Ansprüche:
1. System (9) umfassend ein Fahrzeug (29) und einen am Fahrzeug (29) mitgeführten Kryobehälter (1) mit einem Innentank (2) und einen gegenüber diesem vakuumisolierten Außenbehälter (3), wobei das System (9) ferner eine Fluidfördereinrichtung (8) und eine Rohrleitung (7) umfasst, die zur Entnahme von Kryofluid (4) aus dem Innentank (2) geführt und an die Fluidfördereinrichtung (8) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidfördereinrichtung (8) außerhalb des Innentanks (2) angeordnet ist, die Rohrleitung (7) als thermischer Siphon (10) mit zumindest einem in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) ansteigenden Abschnitt (12) ausgebildet ist, der zumindest teilweise in einem Bereich (B) angeordnet ist, der gegenüber dem im Innentank (2) befindlichen Kryofluid (4) isoliert ist, wobei eine durch ein Ventil (15) verschließbare Entlüftungsleitung (14) im genannten Bereich (B), bevorzugt in einer Entnahmeebene der Fluidfördereinrichtung (8), an die Rohrleitung (7) oder unmittelbar an die Fluidfördereinrichtung (8) angeschlossen ist und oberhalb der Anschlussstelle an die Rohrleitung (7) oder oberhalb der Anschlussstelle an die Fluidfördereinrichtung (8) in den Innentank (2) rückgeführt ist.
2. System (9) nach Anspruch 1, wobei die Entlüftungsleitung (14) zumindest teilweise zwischen dem Innentank (2) und dem Außentank (3) geführt ist und das Ventil (15) bevorzugt einen in der Entlüftungsleitung (14) zwischen dem Innentank (2) und dem Außentank (3) angeordneten Verschlussteil und einen außerhalb des Außenbehälters (3) angeordneten Betätigungsteil umfasst.
3. System (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Entlüftungsleitung (14) im oberen Drittel des Innentanks (2), bevorzugt an der obersten Stelle des Innentanks (2), in den Innentank (2) rückgeführt ist.
4. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Rohrleitung (7) zwei im Wesentlichen horizontale Abschnitte (16, 17) aufweist, zwischen denen zur Bildung des thermischen Siphons (10) ein Überschlag (18) ausgebildet ist, der den in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) ansteigenden Abschnitt (12) umfasst.
5. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Rohrleitung (7) in den Innentank (2) geführt ist und innerhalb des Innentanks (2) zumindest teilweise von einem Hüllrohr (19) umgeben ist, welches die Rohrleitung (7) gegenüber einem im Innentank (2) befindlichen Fluid isoliert, wobei sich der zwischen dem Außenbehälter (3) und dem Innentank (2) befindliche vakuumisolierte Raum bevorzugt auch zwischen Rohrleitung (7) und Hüllrohr (19) erstreckt.
6. System (9) nach Anspruch 5, wobei der in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) ansteigende Abschnitt (12) zumindest teilweise innerhalb des Hüllrohres (19) angeordnet ist.
7. System (9) nach Anspruch 6, wobei die Rohrleitung (7) zwischen dem in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) ansteigenden Abschnitt (12) und der Fluidfördereinrichtung (8) einen innerhalb des Hüllrohres (19) befindlichen, in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) abfallenden Abschnitt (21) aufweist.
8. System (9) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Entlüftungsleitung (14) innerhalb des Hüllrohres (19) an die Rohrleitung (7) angeschlossen, innerhalb des Innentanks (2) aus dem Hüllrohr (19) geführt und mit einem eigenen Entlüftungshüllrohr (23) aus dem Innentank (2) geführt ist.
9. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Entlüftungsleitung (14) außerhalb des Innentanks (2) an die Rohrleitung (7) angeschlossen ist.
10. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Fluidfördereinrichtung (8) und bevorzugt auch der in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) ansteigende Abschnitt (12) an einer Mantelwand des Innentanks (2) oder des Außenbehälters (3) angeordnet sind, wobei sich die Fluidfördereinrichtung (8) bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt vollständig, in einem der Zwickel (24) befindet, die durch einen kleinsten gedachten Quader (25) über den Innentank (2) oder den Außenbehälter (3) gebildet sind.
11. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Fluidfördereinrichtung (8) und bevorzugt auch der in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) ansteigende Abschnitt (12) an einer Stirnwand des Innentanks (2) oder des Außenbehälters (3) angeordnet sind, wobei sich die Fluidfördereinrichtung (8) bevorzugt zumindest teilweise, besonders bevorzugt vollständig, in einem der Zwickel (24) befindet, die durch einen kleinsten gedachten Quader (25) über den Innentank (2) oder den Außenbehälter (3) gebildet sind.
12. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Rohrleitung an der untersten Stelle des Innentanks (2) angeschlossen ist und von dort zur Fluidfördereinrichtung (8) geführt ist.
13. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei sich die Fluidfördereinrichtung (8) im vakuumisolierten Raum zwischen Innentank (2) und Außenbehälter (3) befindet
14. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei sowohl der Kryobehälter (1) als auch die Fluidfördereinrichtung (8) stabförmig ausgebildet sind und der Kryobehälter (1) und die Fluidfördereinrichtung (8) eine Längsachse aufweisen, die in einer vertikalen Ebene enthalten sind, die in Normalfahrtrichtung des Fahrzeugs (29) liegen.
15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Fluidfördereinrichtung (8‘) stabförmig ausgebildet ist und eine Längsachse der Fluidfördereinrichtung (8‘) bezüglich einer Horizontal ebene geneigt ist, wobei jenes Ende, an dem die Fluidfördereinrichtung (8‘) mit der Rohrleitung (7) und/oder mit der Entlüftungsleitung (14) verbunden ist, höher liegt als jenes Ende, das nicht mit der Rohrleitung (7) und/oder mit der Entlüftungsleitung (14) verbunden ist.
16. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der in Richtung der Fluidfördereinrichtung (8) ansteigende Abschnitt (12) innerhalb des Bereichs (B) um eine Höhe ansteigt, die zumindest dem doppelten Durchmesser der Rohrleitung (7) an der Anschlussstelle zur Fluidfördereinrichtung (8) entspricht.
17. System (9) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Rohrleitung (7) über zumindest einen Funktionsabschnitt (28) biegeweicher ist als außerhalb des Funktionsabschnitts (28).
18. System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Rohrleitung (7) über zumindest einen Funktionsabschnitt (28) eine dünnere Wandstärke aufweist als außerhalb des Funktionsabschnitts (28) oder wobei die Rohrleitung (7) über zumindest einen Funktionsabschnitt (28) als Balgrohr ausgeführt ist.
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