DE4041170C1

DE4041170C1 - Double-walled insulated container - incorporates metal woven band with shield made of aluminium

Info

Publication number: DE4041170C1
Application number: DE19904041170
Authority: DE
Inventors: Heinrich 4047 Dormagen De Fieseler; Claudia 5300 Bonn De Langowsky
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Air Liquide Deutschland GmbH
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1990-12-21
Publication date: 1991-11-28
Anticipated expiration: 2010-12-22

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen doppelwandigen, isolierten Behälter für tiefsiedende verflüssigte Gase mit mindestens einem gekühlten Strahlungsschild im Isolationsraum, auf dem eine Kühlleitung befestigt ist.

Mit diesem Oberbegriff wird auf einen Stand der Technik bezug genommen, wie er beispielweise aus folgenden Ver öffentlichungen bekannt geworden ist:

- DE-OS 25 48 289
- Fachbuch Tieftemperaturtechnik "Verfasser Hansen/ Linde", 2. Auflage 1985, Seite 489
- gas aktuell (Firmenzeitschrift der Anmelderin) Nr. 36 1989, Seite 17-21 "Flüssigwasserstoff als Kraftstoff in Versuchsfahrzeugen" und
- Seite 22-29 "Flüssigwasserstoff - eine neue Produktlinie"
- gas aktuell (Firmenzeitschrift der Anmelderin) Nr. 39 1990, Seite 9-11, "Kryogenes Weltraum- Equipment für CRISTA".

Aus diesen Veröffentlichungen sind doppelwandige Behäl ter bekannt, bei denen im Isolationsraum (Vakuumraum mit Mehrschichten-Superisolation), inbesondere zur Verbesserung der Isolation und damit der Abdampfrate gekühlte Strahlungsschilde vorgesehen sind. Bei dem im oben genannten Fachbuch angegebenen Behälter be steht dabei das Strahlungsschild aus Kupferblech, an welchem die Kühlleitung (Kupferrohrwindungen) ange lötet ist.

Bei den in gas aktuell 36 beschriebenen Behältern ist das Strahlungsschild aus Aluminiumblech, an welchem die Kühlleitung mit einem Kleber (Al-versetztes Kunst harz, 80Vol% Al, 20 Vol% Epoxidharz) angeklebt ist, da es fertigungstechnisch keine Verbindungsmöglichkeit (Löten, Schweißen) für Cu und Al gibt.

Bei Anwendung dieser bekannt gewordenen Verbindungs verfahren kann es zu Schwankungen in bezug auf die Isolation und damit der Abdampfrate von an sich gleich ausgebildeten Behältern kommen, wodurch eine Qualitäts streuung auftreten kann, was insbesondere bei einer Serienfertigung z. B. von Fahrzeug-Tanks für flüssigen Wasserstoff, ungünstig ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist ein Behälter zu schaffen, der eine Verbindung zwischen Strahlungs schild und Kühlleitung aufweist, die sowohl eine mög lichst kleine Qualitätsstreuung, insbesondere in bezug auf die Behälterisolation und Abdampfrate bei der Be hälterfertigung in Serien, gewährleistet als auch die Abgaskühlung verbessert.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dabei wird vorteilhaft durch das Metallgewebeband er reicht,

- eine wirtschaftliche Verbindungstechnik zwischen gleichen Materialien (Schild und Kühlleitung besteht aus Kupfer) und auch ungleichen Materialien (Alu miniumschild, Kupferkühlleitung), da nur ein geringer Vorbereitungsaufwand erforderlich ist und ferner z. B. das beim Kleben notwendige Aushärten des Klebers entfällt, wodurch die Fertigungszeit verkürzt wird.
- eine elastische (beim Löten nicht gegebene) Verbin dung, so daß das Wärmeausdehnungs- und Schrumpfungs verhalten der Materialien sowie eine dynamische Be anspruchung der Kontaktstelle zu keiner Qualitäts verschlechterung führt.
- eine Elastizität der Verbindung, die auch bei kryo genen Temperaturen beibehalten wird, was bei den Klebverbindungen nicht gewährleistet ist.
- eine Kompensation von Oberflächenunebenheiten zwischen Strahlungsschild und Kühlleitung
- eine Vergrößerung der Kontaktfläche (Flächenberührung), wodurch die Wärmeübertragung wesentlich verbessert wird
- eine durchschnittlich 2000-fach verbesserte Wärme leitfähigkeit von Cu im Gegensatz zum Kunstharz, die den schnellen Abtransport der eingefallenen Wärme ge währleistet, wodurch eine Verbesserung der Abdampf rate erreicht wird
- eine Verbindung ohne Wärmeentwicklung und damit keine Beschädigung der hochtemperaturunbeständigen Super isolation.

Das Metallgewebeband ist vorteilhaft ein Kupfer- vor zugsweise E-Cu-Gewebeband, das besonders wirtschaft lich ist, ferner die Kontaktfläche zwischen Strahlungs schild und Kühlleitung vergrößert und darüber hinaus den Anforderungen der Thermodynamik (gute Wärmeleit fähigkeit (λ) im Bereich 20 K ... 273 K), der Mechanik (Elastizität bei dynamischem Verhalten der Basismate rialien Al-Schild und Cu-Rohr) und der Wirtschaftlich keit entspricht.

Das Kupfergewebeband ist besonders vorteilhaft bei ungleichen Materialien einsetzbar, besonders in dem Fall, wenn das Strahlungsschild aus Aluminium und die Kühlleitung aus Kupfer besteht. Dabei erfolgt bevor zugt die Verbindung Strahlungsschild, Gewebeband, Kühl leitung über Schellen, die mit einer Verbindungstech nik ohne Wäremeentwicklung, z. B. Schrauben, Vernieten, mit dem Strahlungsschild verbunden sind.

Mit den Schellen und der dazugehörigen Verbindung wird bevorzugt ein Druck auf das Kontaktmaterial ausgeübt und so vorteilhaft eine Kompensation von Oberflächen unebenheiten durch Zusammenpressen des Gewebebandes erreicht.

Hinzu kommt, daß durch die "wärmelose Verbindung" keine Beschädigung der nicht hochtemperaturbeständigen Superisolation in der Umgebung der Kontaktstelle er folgt, was in bezug auf die Qualität der Isolation ebenfalls günstig ist.

Nach der Erfindung sind die Schellen bevorzugt mit dem Strahlungsschild vernietet, da diese Nietverbindung besonders schnell und einfach und damit wirtschaftlich hergestellt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Dabei veranschaulicht

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kfz- Tanks für Flüssigwasserstoff mit Steuer- und Regeleinrichtungen,

Fig. 2a+b, Fig. 3 Darstellungen der Verbindung Strah lungsschild Kühlrohr nach der Er findung.

In Fig. 1 ist ein Kfz-Tank für Flüssigwasserstoff mit 10 bezeichnet, und als doppelwandiger, isolierter Be hälter ausgebildet.

Der Tank 10 besteht aus einem Innenbehälter 11 mit einem Fassungsvermögen von z. B. 93 Litern bei 0,5 MPa maximalem Betriebsdruck, der in einem Abstand von 40 mm vom Außenbehältermantel 12 umgeben ist. Um den Wärme transport zwischen der umgebungswarmen Außenhülle und der -253°C kalten Oberfläche des Innenbehälters auf grund von Konvektion, Leitung und Strahlung auf weniger als 10^-4 (Wm^-1K^-1) zu reduzieren, ist der Zwischenraum 13 evakuiert. Im Vakuumraum 13 befindet sich eine Mehr schichten-Superisolation (10 µm Aluminium Folien; 70 µm Glasfaser-Papier). Das im Innenbehälter 11 verdampfende Gas wird zunächst den Kühlleitungen 14, 15 zugeführt, wodurch zwei Strahlungsschilder 16, 17, die um den Innenbehälter 11 angeordnet sind, gekühlt werden. Die Strahlungsschilder 16, 17 sind aus Aluminium gefertigt und die Kühlleitungen 14, 15 aus Kupfer, wobei die Kühlleitungen 14, 15 als Kühlschlangen um die Strah lungsschilder 16, 17 geführt sind.

Der einwandfreie Betrieb des Tanks 10 im Fahrzeug er fordert zusätzliche Steuer- und Regel-Einrichtungen. In den Tank selbst führen insgesamt drei Leitungen. Zwei (18, 19) werden für die Befüllung bzw. Entnahme und die Versorgung des Motors benötigt. Die dritte Leitung (nicht dargestellt) dient als Durchführung für die elektrischen Anschlüsse einer im Innenbehälter 11 angeordneten, kapazitiven Füllstandssonde 20 und einer elektrischen Zusatzheizung 21. Diese Zusatzheizung 21 sorgt unter bestimmten Entnahme-Bedingungen dafür, daß der Behälterdruck nicht zu weit abfällt.

Um den gesamten Wärmeeinfall in den Behälter so gering wie möglich zu halten, sind alle für die Betankung und Motorversorgung erforderlichen Ventile außerhalb des Tanks in einer separaten Steuereinheit 22 untergebracht. Diese für sich vakuumisolierte Ventilkombination ent hält die Anschlüsse für die Betankung und ist mit dem Fahrzeugtank 10 bzw. der zum Motor führenden Kraft stoffleitung 23 über lösbare, vakuumisolierte Leitungen verbunden. Die Kombination und Schaltung der Ventile (4 Magnet- und 3 Rückschlagventile) sind in einer sehr kompakten, gewichts- und platzsparenden Anordnung zu sammengefaßt. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt in allen Betriebszuständen über eine frei programmierbare elektronische Steuerung. So kann z. B. - abhängig vom aktuellen Tankdruck - der Motor wahlweise mit Flüssig keit oder Kaltgas versorgt werden. Auf diese Weise läßt sich die Speicherökonomie verbessern; Wenn man den Tankdruck durch Entnahme aus der Gasphase herunter gefahren hat, bevor das Fahrzeug abgestellt wird, kann der restliche Tankinhalt anschließend über längere Zeit ohne Verdampfungsverluste gespeichert werden.

Die Verbindung zwischen dem Aluminium-Strahlungsschild 16 (bzw. 17) und der Kühlleitung 14 (bzw. 15) ist in Fig. 2a und b dargestellt. Dabei ist zwischen dem Schild 16, das aus einem Aluminiumblech mit einer Stärke von 2 mm gefertigt ist und der Kupferkühllei tung 14 (Abmessung 16×1 mm) ein Kupfergewebeband 24 als Kontaktmaterial angeordnet.

Bevorzugt wird ein E-Cu-Gewebeband hochflexibel in Anlehnung an DIN 46 444 (flachgewalzte Schläuche) Werkstoff: E-Cu-blank verwendet, welches beim Ausfüh rungsbeispiel folgende Kenndaten aufweist:

Querschnitt: 6 mm², Leiteraufbau: 24×66×0,07 mm, Breite:10 mm, Stärke 1,3 mm, Gewicht: 6 Kg/%m.

Die Kühlleitung 14 und das Kontaktmaterial (Kupfer gewebeband) 24 werden über Schellen 25 aus Kupfer gegen das Strahlungsschild 16 gepreßt, wobei das Kupfergewebeband zusammengepreßt wird. Die Schellen 25 sind bevorzugt im gleichen Abstand von ca. 50 mm vorgesehen und mit Nieten 26 an dem Schild befestigt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schellen 25 über Schraubverbindungen zu befestigen.

Untersuchungen haben ergeben, daß unter Berücksichtigung der thermodynamischen, mechanischen und wirtschaftlichen Aspekte das Cu-Gewebeband ein besonders vorteilhaftes Kontaktmaterial ist.

Aufgrund des überdurchschnittlich guten Wärmeleitver mögens im Tieftemperaturbereich wird eine wesentlich verbessserte Wärmeabgabe an das nach außen strömende Gas erreicht. Die Kontaktfläche wird dadurch zur "Wärmesenke", der Temperaturgradient steigt und begünstigt den Wärmestrom entlang des Kühlschildes zur Kontaktstelle, von wo aus die Wärme nach außen trans portiert wird. Der Effekt der Abgaskühlung wird ver stärkt. Der gute Kontakt bleibt auch bei tiefen Tempe raturen mit Sicherheit erhalten. Wärmeausdehnungen und Schrumpfungen werden kompensiert. Die geringen Material- und Fertigungskosten bewirken ferner eine Gesamtkosten einsparung gegenüber den bisherigen Verbindungen, was insbesondere bei einer Serienfertigung von Bedeutung ist.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbindung ist selbstverständlich auch bei anderen Tieftemperaturvor richtungen, Geräten etc. einsetzbar, bei denen äqui valente Probleme wie bei den beschriebenen Behältern auftreten, wie es z. B. bei Kryostaten der Fall ist.

So besteht eine weitere Anwendungsmöglichkeit (s. Fig. 3) bei der Kontaktierung der Al-Strahlungsschilde 30 am Behälterhalsrohr 31. Dabei werden die Al-Schilde 30 mittig (Bund 32) aufgebogen, der "Teller" geschlitzt, um das Halsrohr 31 gelegt und mit einer Schelle 34 be festigt. Durch Zwischenlegen des Cu-Bandes 33 wird nach bekannten Materialeigenschaften (Wärmefähigkeit, Elastizität) der Wärmeübergang wesentlich verbessert.

Ein weiterer möglicher Anwendungsfall ist der Ersatz der bisherigen Kontaktierung bei Behältern mit einge lötetem Druckzusatz. Dabei werden die zum Druckaufbau nötigen Kupferleitungen nicht wie bisher an den Innen wandungen der Außenbehälter aus CrNi-Stahl gelötet, sondern z. B. über Schellen mit zwischen Außenbehälter und Kupferleitungen angeordnetem Cu-Gewebeband be festigt.

Es werden dadurch folgende Vorteile erreicht:

- Einsparung des gesamten Weichlotes (bis 3 kg)
- Entfall der Warmbehandlung
- Reinigungsarbeiten vor bzw. nach dem Löten entfallen
- Bessere Wärmeleiteigenschaften
- Kleinerer Fertigungsaufwand (Zeiteinsparung)
- Besserer Arbeitsschutz (keine Flußmitteldämpfe).

Claims

1. Doppelwandiger, isolierter Behälter für tiefsiedende verflüssigte Gase, mit mindestens einem gekühlten Strahlungsschild im Isolationsraum, auf dem eine Kühlleitung befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Strahlungsschild (16 bzw. 17 bzw. 30) und der Kühlleitung (14 bzw. 15 bzw. 31) ein Metallgewebeband (24 bzw. 33) als Kontaktmaterial angeordnet ist.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgewebeband (24 bzw. 33) ein Kupfer-, vorzugsweise E-Cu-Gewebeband ist.

3. Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsschild (16 bzw. 17 bzw. 30) aus Aluminium und die Kühlleitung (14 bzw. 15 bzw. 31) aus Kupfer besteht.

4. Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitung (14 bzw. 15 bzw. 30) und das Kontaktmaterial (24 bzw. 33) mittels Schellen (26 bzw. 34) an dem Strahlungsschild (16 bzw. 17 bzw. 30) befestigt sind.

5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schellen (24) mit dem Strahlungsschild (16 bzw. 17) vernietet sind.