DE10352568B4 - Druckbehälter mit geringem Wärmeeintrag für kondensierte Gase - Google Patents

Druckbehälter mit geringem Wärmeeintrag für kondensierte Gase Download PDF

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Abstract

Druckbehälter für kondensierte Gase, zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter (1) zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter (2) gehalten wird, wobei zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) ein entweder unter Wärmeabgabe oder unter Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführendes Wärmeträgermittel (6) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leitung zur Führung von Wärmeträgermittel (6) durch den Innenbehälter (1) verläuft.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckbehälter, insbesondere einen Kryotank, zur Speicherung von kondensierten Gasen nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs und Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter sowie ein Verfahren zum Erwärmen von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter.
  • Aus der EP 1 179 702 A1 ist bereits bekannt, mehrwandige Druckbehälter zusammenzusetzen und diese fest ineinander, mittels Befestigungen zu fixieren.
  • Druckbehälter zur Speicherung von kondensierten Gasen benötigen aufgrund der tiefen Speichertemperaturen eine sehr gute Isolation. Zur Vermeidung von Wärmeeintrag aus der Umgebung ist bereits bekannt, dass die Befestigungen vorzugsweise aus schlecht wärmeleitenden Stoffen bestehen. Des Weiteren ist ebenfalls bekannt, zur Speicherung von kondensierten Gasen doppelwandige vakuumisolierte Behälter zu verwenden. Zur weiteren Verbesserung der Isolationseigenschaften sind in den evakuierten Zwischenraum zusätzlich Isolationsfolien oder Mikrohohlglaskugeln eingebracht.
  • Vielschichtisolationen bedeuten einen höheren Fertigungsaufwand und höhere Kosten, wobei zusätzlich noch eine Aufhängung für den Innenbehälter benötigt wird, über die durch Festkörperwärmeleitung ein erheblicher Wärmeeintrag stattfindet. Da bei der Aufhängung für den Innenbehälter die Krafteinleitung nur lokal erfolgt, muss sowohl der Innen- als auch der Außenbehälter im Aufhängungsbereich verstärkt werden, was zu einem höheren Gewicht führt.
  • Eine Isolation durch Mikrohohlglaskugeln ist zwar preiswert, isoliert aber etwa zehnmal schlechter als die Vielschichtisolation und ist daher für kleinere Druckbehälter zur Speicherung von kondensierten Gasen ungenügend.
  • Die DE 100 52 856 A1 zeigt einen kryogenen Speichertank für kondensierte Gase, bestehend aus einem Innenbehälter zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird, wobei zwischen Innenbehälter und Außenbehälter ein entweder unter Wärmeabgabe oder unter Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführendes Wärmeträgermittel eingebracht ist. Entsprechende Ausbildungen eines kryogenen Speichertanks sind auch in der DE 676 863 A und in der US 5 005 362 A beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckbehälter für kondensierte Gase zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, der bei möglichst einfachem Aufbau, einen möglichst geringen Wärmeeintrag zulässt. Außerdem sollen Verfahren zum effektiven Kalthalten und Erwärmen des kondensierten Gases in einem solchen Druckbehälter vorgestellt werden.
  • Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 sowie 3 bis 6 gelöst.
  • Nach der Erfindung besteht ein Druckbehälter für kondensierte Gase, insbesondere ein Kryotank, zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, mindestens aus einem Innenbehälter zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter gehalten wird, wobei zwischen Innenbehälter und Außenbehälter ein entweder unter Wärmeabgabe oder unter Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführendes Wärmeträgermittel eingebracht ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eine Leitung zur Führung von Wärmeträgermittel durch den Innenbehälter verläuft. Dadurch kann für den Fahrbetrieb durch Erhöhung des Druckes einfacher kaltes Gas aus dem Innenbehälter entnommen werden.
  • Durch eine solche zusätzliche Isolationsschicht aus Materialien, die bei einer bestimmten Temperatur ihren Aggregatszustand wechseln können, kann vorteilhafterweise zusätzlich Wärme aufgenommen werden. Bei möglichst einfachem Aufbau des Druckbehälters, lässt dieser so einen möglichst geringen Wärmeeintrag in den Innenbehälter zu.
  • Diese Wärmeträgermittelschicht aus Phasenwechselmaterial (PCM) kann zwischen den Isolationsfolien, die in Druckbehältern nach dem Stand der Technik den Wärmeeintrag durch Strahlung reduzieren, eingebracht sein. Durch diese Anordnung kann vorteilhafterweise die Phasenübergangstemperatur über die Lage zwischen den einzelnen Isolationsfolien eingestellt werden.
  • Da das Wärmeträgermittel nach der Phasenumwandlung in flüssiger Form vorliegt, kann es alternativ auch in einem zusätzlichen Tank, oder aber in mikroverkapselter Form direkt in der Isolationsschicht gelagert werden. Die Einlagerung in die Isolationsschicht bietet neben der Vereinfachung der benötigten Bauteile auch eine leichtere Handhabung.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist mindestens eine Leitung zur Entnahme von Betriebsmittel so aus dem Innenbehälter zum Antriebsaggregat geführt, dass das Wärmeträgermittel im Zwischenraum zwischen Innen- und Außenbehälter durch das Betriebsmittel bei dessen Entnahme gekühlt wird.
  • Vorteilhafterweise kann so der Phasenwechsel des Wärmeträgermittels von flüssig auf fest durch Wärmeentzug mittels des kalten, im Betrieb dem Innenbehälter entnommenen Gases erfolgen, das in einer Leitung durch die Isolationsschicht geleitet wird. Zur Erhöhung der Oberfläche kann eine Schicht aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Kupfer verwendet werden, an dem die Leitung und/oder die Wärmeträgermittelschicht anliegt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem erfindungsgemäßen Druckbehälter sieht vor, dass der Phasenwechsel vom festen zum flüssigen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels durch Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter bewirkt wird.
  • Vorteilhafterweise wird so bei abgestelltem Fahrzeug durch das Wärmeträgermaterial ein Wärmeeintrag in den Druckbehälter relativ lange verzögert, da durch den Phasenübergang die eingebrachte Wärme teilweise aufgenommen wird. Es verdampft weniger verflüssigtes Gas, was die Standzeit erhöht.
  • Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter ist dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels durch Wärmeabgabe aus dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter und Außenbehälter an das durch den Zwischenraum vom Innenbehälter zum Antriebsaggregat geführte Betriebsmittel bewirkt wird.
  • Auf diese Weise lässt sich das Wärmeträgermittel im Fahrbetrieb auf einfache Weise wieder regenerieren. Während des Fahrbetriebs wird kaltes Gas aus dem Innenbehälter entnommen. Mit diesem Gas kann die Wärmeträgermittelschicht gekühlt werden, die so ihren Aggregatzustand von flüssig auf fest wechselt.
  • Alternativ kann auch das kondensierte Gas im Druckbehälter erwärmt werden, indem der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels durch Wärmeabgabe des durch den Innenbehälter geführten Wärmeträgermittels an das im Innenbehälter befindliche Betriebsmittel bewirkt wird.
  • Vorteilhafterweise wird das vom Antriebsaggregat benötigte Betriebsmittel dann zur Kühlung des Zwischenraums zwischen Innenbehälter und Außenbehälter, insbesondere zur Kühlung des dort befindlichen Wärmeträgermittels verwendet, wenn das Antriebsaggregat in Betrieb ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur zeigt in einem Teillängsschnitt ein Beispiel für einen Wandaufbau eines Druckbehälters gemäss der Erfindung.
  • Ein nur ausschnittsweise durch einen Teil seiner Wand dargestellter Innenbehälter 1 ist über nicht dargestellte Mittel in einem ebenfalls nur ausschnittsweise dargestellten Aussenbehälter 2 gehalten.
  • Eine Entnahmeleitung 3 für ein Betriebsmittel des nicht gezeichneten Antriebsaggregats ist vom Innenbehälter 1 her kommend, zum Antriebsaggregat hin verlaufend, zwischen dem Innenbehälter 1 und dem Aussenbehälter 2 geführt.
  • Der evakuierte Zwischenraum zwischen Innenbehälter 1 und Aussenbehälter 2 ist, ausgehend von den Behälterwänden, mit einer Vielschichtisolation 5 versehen. In diese ist eine Schicht eines unter Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführenden Wärmeträgermittels 6 eingebracht. Dabei ist die Entnahmeleitung 3 für das kondensierte Gas aus dem Innenbehälter 1 in der Schicht des Wärmeträgermittels 6 geführt.
  • Bei nicht in Betrieb befindlichem Antriebsaggregat erfolgt ein Wärmeeintrag über die Wand des Aussenbehälters 2. Durch den Phasenwechsel von fest auf flüssig kann das Wärmeträgermittel 6 eine erhebliche Wärmemenge bei einer bestimmten Temperatur aufnehmen. Dabei ist es von Vorteil, wenn der Phasenwechsel des Wärmeträgermittels 6 bei möglichst tiefer Temperatur, insbesondere bei 30 bis 80 Kelvin, stattfindet. Bei genügend Wärmeeintrag aus der Umgebung wird das Wärmeträgermittel 6 flüssig und verhindert bis dahin, dass das im Innenbehälter 1 gespeicherte verflüssigte Gas verdampft. Durch die Schicht des Wärmeträgermittels 6 erhöht sich die Standzeit wesentlich.
  • Wird dann das Antriebsaggregat in Betrieb genommen, wird kaltes Gas aus dem Innenbehälter 1 entnommen und durch die Entnahmeleitung 3 geführt. Mit diesem Gas wird das Wärmeträgermittel 6 wieder abgekühlt und führt dann einen Phasenwechsel vom flüssigen auf einen festen Aggregatzustand aus. Damit ist der Wärmezwischenspeicher wieder regeneriert.
  • Ein solcher Druckbehälter benötigt nicht so viel Bauraum, da keine zusätzlichen Nebenaggregate nötig sind. Er besitzt eine verlängerte Standzeit durch geringeren Wärmeeintrag, beziehungsweise eine längere Druckaufbauzeit bis zum Abblasen. Die Wärmeträgermittelschicht 6 kann als tragende Zwischenschicht aufgebaut sein, was eine Sandwichbauweise ermöglicht. Alle diese Vorteile bringen zusätzlich noch Gewichtseinsparung und geringere Kosten mit sich.

Claims (6)

  1. Druckbehälter für kondensierte Gase, zur Verwendung als Speicher für ein Betriebsmittel eines Antriebsaggregats eines Kraftfahrzeugs, bestehend mindestens aus einem Innenbehälter (1) zur Aufnahme eines kondensierten Gases, der wärmeisoliert in einem Außenbehälter (2) gehalten wird, wobei zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) ein entweder unter Wärmeabgabe oder unter Wärmeaufnahme einen Phasenwechsel durchführendes Wärmeträgermittel (6) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leitung zur Führung von Wärmeträgermittel (6) durch den Innenbehälter (1) verläuft.
  2. Druckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Leitung (3) zur Entnahme von Betriebsmittel so aus dem Innenbehälter (1) zum Antriebsaggregat geführt ist, dass das Wärmeträgermittel (6) im Zwischenraum zwischen Innen- (1) und Außenbehälter (2) durch das Betriebsmittel bei dessen Entnahme gekühlt wird.
  3. Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel vom festen zum flüssigen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels (6) durch Wärmeeintrag aus der Umgebung in den Zwischenraum zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) bewirkt wird.
  4. Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels (6) durch Wärmeabgabe aus dem Zwischenraum zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) an das durch den Zwischenraum vom Innenbehälter (1) zum Antriebsaggregat geführte Betriebsmittel bewirkt wird.
  5. Verfahren zum Erwärmen von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenwechsel vom flüssigen zum festen Aggregatzustand des Wärmeträgermittels (6) durch Wärmeabgabe des durch den Innenbehälter (1) geführten Wärmeträgermittels (6) an das im Innenbehälter (1) befindliche Betriebsmittel bewirkt wird.
  6. Verfahren zum Kalthalten von kondensiertem Gas in einem Druckbehälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Antriebsaggregat benötigte Betriebsmittel dann zur Kühlung des Zwischenraums zwischen Innenbehälter (1) und Außenbehälter (2) verwendet wird, wenn das Antriebsaggregat in Betrieb ist.
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