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WO2006108206A2 - Modularer behälter für kryogene flüssigkeiten - Google Patents

Modularer behälter für kryogene flüssigkeiten Download PDF

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Publication number
WO2006108206A2
WO2006108206A2 PCT/AT2006/000150 AT2006000150W WO2006108206A2 WO 2006108206 A2 WO2006108206 A2 WO 2006108206A2 AT 2006000150 W AT2006000150 W AT 2006000150W WO 2006108206 A2 WO2006108206 A2 WO 2006108206A2
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WO
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profiles
container according
profile
cross
reinforcements
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Application number
PCT/AT2006/000150
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English (en)
French (fr)
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WO2006108206A3 (de
Inventor
Klaus Hausberger
Original Assignee
Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag & Co Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag & Co Kg filed Critical Magna Steyr Fahrzeugtechnik Ag & Co Kg
Priority to US11/911,539 priority Critical patent/US20080237240A1/en
Priority to JP2008510349A priority patent/JP4985991B2/ja
Priority to EP06721208A priority patent/EP1874575A2/de
Publication of WO2006108206A2 publication Critical patent/WO2006108206A2/de
Publication of WO2006108206A3 publication Critical patent/WO2006108206A3/de

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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a container for cryogenic fuels in flattened construction, which is surrounded by insulation.
  • a flattened construction is particularly desirable for cryogenic fuel containers when they are intended for use in motor vehicles.
  • the hitherto usual ton- formigen container with the surrounding super-insulation are conceivable unfavorable because of their poor space utilization, they take up the entire trunk of a motor vehicle to complete.
  • Such a container is known from EP 1 067 300 A1. It consists of an upper and a lower shell made of plastic, which are connected in many places by tubular tensile struts with each other to prevent buckling of the shells by the internal pressure.
  • a favorable shape be given, but this must be redeveloped and designed for each model, then each time new shapes and tools are to be purchased.
  • a particular problem with non-cylindrical containers is the thermal stresses which occur, for example, during filling of the container (temperature differences occur in liquid hydrogen up to 333 degrees Celsius).
  • the container is composed of a plurality of identical straight profiles which can be connected to one another and are arranged parallel to one another and whose at least one outer boundary wall is arranged at a small distance parallel to a boundary wall of an adjacent profile and at their open ends a common cap on both sides followed. Due to the similarity of the elements not only different shapes are feasible, but it is also the interpretation easier, because the stresses and deformations of the individual elements are the same. The fact that the outer walls of the profiles are parallel, a densest packing is achieved. The caps make the connection between the contents of each juxtaposed profiles ago.
  • the small distance between the parallel outer walls of the profiles allows the process-safe cleaning of the outer surfaces of the inner tank and production of the necessary for heat insulation high vacuum between the inner tank container and the surrounding outer container. Since the profiles communicate with one another via the caps at their ends, their connection and sealing is also so simple that containers according to the invention can be produced automatically.
  • the pipe connections for the supply and discharge to the outside are also integrated in the caps, so that the elements only consist of unit sections which are cut to length in the correct length and which do not require complicated require machining. Also, the manufacturing costs can be significantly reduced.
  • the outer boundary walls of the profiles form in cross-section substantially a rectangle, in particular an equilateral rectangle - a square (claim 2). So they can be arranged side by side and one above the other with the greatest packing density and are also process reliable in the extrusion process produced. Furthermore, this results in an optimum thermal behavior and a flat support for the reflection films, which are provided for forming a super insulation in the vacuum space between the container and its outer container.
  • the outer profiles must have large curves, otherwise the caps can not be produced.
  • the small distance between the parallel outer walls of the profiles for reliable production of the vacuum is 1 to 8, preferably 3 to 5 millimeters. This counteracts the attraction due to capillary forces during the cleaning process.
  • the profiles have inside over their entire length reinforcements with longitudinal generatrix (claim 4). These inner profilings thus connect over the entire length of the outer walls of the profiles and counteract the internal pressure.
  • the reinforcements in rectangular or square cross-section of the profile in cross-section symmetrical sides form (claim 5), in the manner of a window cross.
  • the reinforcements are curved like a cross-section in the cross-section and strike the inner side of the outer walls at an acute or obtuse angle (claim 6).
  • an acute or obtuse angle claim 6
  • the reinforcements can have different shapes in cross section. They may be oval, in particular circular arc (claim 7) may be formed so that the thermal stresses are absorbed by the circular arc-shaped profile parts. In a further variant, the reinforcements which are oval or circular in cross section may affect the outer walls (claim 8).
  • the profiles are straight and of constant cross-section over their entire length, they are advantageously either extruded profiles of a suitable light metal alloy, preferably of an aluminum alloy (claim 10) or rolled austenitic steel profiles (claim 11).
  • FIG. 1 shows a container according to the invention in plan view
  • FIG. 2 section AA in FIG. 1
  • FIG. FIG. 3 section BB in FIG. 2
  • FIG. 2 section AA in FIG. 1
  • FIG. 3 section BB in FIG. 2
  • FIG. 2 section AA in FIG. 1
  • FIG. 3 section BB in FIG. 2
  • FIG. 2 section AA in FIG. 1
  • FIG. 3 section BB in FIG. 2
  • FIG. 2 section AA in FIG. 1
  • FIG. 4 a first variant of the profile
  • FIG. 5 shows a special form for FIG. 4, FIG.
  • FIG. 6 shows a second variant of the profile
  • - Fig. 7 a third variant of the profile.
  • the container according to the invention is denoted by 3.
  • a surrounding outer container 1 is indicated only by dashed lines and surrounding the container 3 vacuum zone with superinsulation is denoted by 2.
  • the container 3 here consists of four elements, of which a middle with 4 and one forming the edge is denoted by 5 and two caps 6.7.
  • the elements 4, 5 are straight closed profiles with a constant cross section over their length. At their ends closes on both sides each a common all elements summarizing and their contents connecting cap 6,7.
  • the connecting line between the cap and the profiles forming the elements is denoted by 8, at which the elements are sealed to the cap. Between the flat boundary surfaces 9, 9 'of adjacent profiles is a small distance 10, which is bridged by an insert plate 11 for connection with the caps.
  • Fig. 2 the contiguous parallel and at a small distance 10 elements 4.5 can be seen in cross section.
  • the outer boundary walls of the profile 4 are denoted by 14,15,16,17, they are the same length and include right angles, thus forming a square here.
  • the element 5 is a special form of the element 4. It differs from this only by the rounding 21, because it is an outer element.
  • the elements 4,5 are arranged with their outer boundary walls 14,18 at a small distance 11 to each other. But it could also connect another element of the shape of the element 4 to one of the side surfaces 17 of the element 4. Overall, it is thus possible to arrange very different overall cross sections of the container by means of corresponding side by side or one above the other of elements.
  • the elements can be with sufficient strength of the profiles without internal reinforcements.
  • Fig. 3 it can be seen that the elements are 4.5 open at their mutual ends 28,29 and all open in the space formed by the caps 6,7.
  • the caps are the final connecting space between the individual parallel profiles.
  • both supports, not shown, and pipe connections, as well as elements for the container suspension can be integrated.
  • FIG. 4 shows a profile with reinforcements 24, 25. These are symmetries of the square sides, they connect their centers and form a right-angled cross (see also Fig. 3).
  • Fig. 5 differs from the Fig. 4 only by the curves 21. The walls 19,20 go over a rounding 21 into each other.
  • the outer boundary walls are again denoted by 14 to 17.
  • the reinforcement here consists of a tube, in section a circle 30 which is inscribed in the square formed by the outer boundary walls. It touches the outer boundary walls in points 31.
  • the reinforcement of two quarter circular arcs 40 and an arcuately curved, S-shaped web 42 is formed. Both touch the outer wall 16 at a point 14, the arcuately curved part of the outer wall 17 at a point 43 at an acute (or obtuse complementary) angle 44th
  • the elements described may be extruded, closed metal profiles (of light metal or roll-formed profiles of austenitic steel). Overall, a modular, lighter, stiffer and less expensive container is created that meets all requirements.

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Abstract

Ein Behälter für kryogene Kraftstoffe in abgeflachter Bauweise, der von einer Superisolierung umgeben ist, soll automatisierbar und preisgünstig an verschiedene Fahrzeugmodelle bzw Einbausituationen anpassbar sein und sowohl mechanischen, als auch thermischen Belastungen standhalten. Dazu ist er aus mehreren gleichartigen in verschiedener Konfiguration zueinander angeordneten geraden und geschlossenen Profilen (4, 5) zusammengesetzt, welche parallel zueinander angeordnete gerade Hohlprofile sind, deren zumindest eine äußere Begrenzungswand (14, 15, 16, 17) zu einer äußeren Begrenzungswand (18) eines benachbarten Profiles einen Funktionsabstand hält und an deren offene Enden (28, 29) beiderseits jeweils eine gemeinsame Kappe als gemeinsamer Verbindungsraum der Profile (6, 7) anschließt. Die Verstärkungen (24, 25) sind bei rechteckigen Profilen vorzugsweise Seitensymmetralen deren Aussenwände (14, 15,16, 17).

Description

MODULARER BEHÄLTER FÜR KRYOGENE FLÜSSIGKEITEN
Die Erfindung betrifft einen Behälter für kryogene Kraftstoffe in abgeflachter Bauweise, der von einer Isolierung umgeben ist. Eine abgeflachte Bauweise ist bei Behältern für kryogenen Treibstoff vor allem dann erwünscht, wenn sie für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bestimmt sind. Die bislang üblichen ton- nenformigen Behälter mit der sie umgebenden Super - Isolation sind wegen ihrer schlechten Raumausnutzung denkbar ungünstig, sie nehmen den gesamten Kofferraum eines Kraftfahrzeuges in Anspruch.
Aus der EP 1 067 300 Al ist ein solcher Behälter bekannt. Er besteht aus einer oberen und einer unteren Schale aus einem Kunststoff, die an vielen Stellen durch rohrfÖrmige Zugstreben miteinander verbunden sind, um ein Ausbeulen der Schalen durch den Innendruck zu verhindern. Dadurch kann dem Behälter für den Einbau in ein bestimmtes Kraftfahrzeug zwar eine günstige Form gegeben werden, jedoch muss diese für jedes Modell neu entwickelt und ausgelegt werden, wobei dann jedes Mal neue Formen und Werkzeuge anzuschaffen sind. Ein besonderes Problem stellen bei nicht zylindrischen Behältern die Wärmespannungen dar, die etwa beim Befüllen des Behälters (es treten bei flüssigem Wasserstoff Temperaturdifferenzen bis zu 333 Grad Celsius auf) auftreten. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, für solche Behälter eine Bauweise vorzuschlagen, die eine automatisierbare Fertigung, als auch eine modulare, konstruktive Anpassung an verschiedene Fahrzeugmodelle und Packagingvorga- ben bei wesentlich geringeren Kosten ermöglicht und durch thermische und mechanische Spannungen die gewichts- und formoptimierte Konstruktion nicht geschädigt wird.
Erfindungsgemäß ist der Behälter aus mehreren gleichartigen in verschiedener Konfiguration miteinander verbindbaren und parallel zueinander angeordneten geraden geschlossenen Profilen zusammengesetzt, deren zumindest eine äuße- re Begrenzungswand in geringem Abstand parallel zu einer Begrenzungswand eines benachbarten Profils angeordnet ist und an deren offene Enden beiderseits jeweils eine gemeinsamen Kappe anschließt. Durch die Gleichartigkeit der Elemente sind nicht nur verschiedene Formen realisierbar, sondern es ist auch die Auslegung einfacher, weil die Spannungen und Verformungen der einzelnen Elemente gleich sind. Dadurch, dass die Außenwände der Profile parallel sind, wird eine dichteste Packung erzielt. Die Kappen stellen die Verbindung zwischen den Inhalten der einzelnen nebeneinander angeordneten Profilen her.
Der geringe Abstand zwischen den parallelen Außenwänden der Profile erlaubt die prozesssichere Reinigung der Außenflächen des Innentanks und Herstellung des zur Wärmeisolation benötigten Hochvakuums zwischen dem Innentank-Behälter und dem ihn umgebenden Außenbehälter. Da die Profile über die Kappen an ihren Enden miteinander kommunizieren, ist auch deren Verbindung und Abdichtung so einfach, dass erfindungsgemäße Behälter automatisiert herstellbar sind. Auch die Rohranschlüsse für Zufuhr und Abfuhr nach außen sind in die Kappen integriert, sodass die Elemente nur aus in der richtigen Länge abgeschnittene Einheits-Profile bestehen, die keine aufwändi- ge Bearbeitung erfordern. Auch dadurch können die Herstellungskosten erheblich gesenkt werden.
Die äußeren Begrenzungswände der Profile bilden im Querschnitt im Wesentlichen ein Rechteck, insbesondere ein gleichseitiges Rechteck - ein Quadrat (Anspruch 2). So können sie nebeneinander und übereinander mit größter Packungsdichte angeordnet sein und sind überdies prozesssicher im Strangpressverfahren herstellbar. Weiters erhält man so ein optimales thermisches Verhalten und eine ebene Auflage für die Reflexionsfolien, die zur Bildung einer Su- perisolation im Vakuumraum zwischen dem Behälter und dessen Außenbehäl- ter vorgesehen sind. Die äußeren Profile müssen große Rundungen aufweisen, weil sonst die Kappen nicht herstellbar sind.
Der geringe Abstand zwischen den parallelen Außenwänden der Profile zur prozesssicheren Herstellung des Vakuums beträgt 1 bis 8, vorzugsweise 3 bis 5 Millimeter. Dadurch wird der Anziehung durch Kapillarkräfte beim Reini- gungsprozess entgegengewirkt.
Vorzugsweise haben die Profile im Inneren über ihre ganze Länge Verstärkungen mit in Längsrichtung liegenden Erzeugenden (Anspruch 4). Diese In- nenprofilierungen verbinden also über die ganze Länge die Außenwände der Profile und wirken dem Innendruck entgegen. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform sind die Verstärkungen bei rechteckigem oder quadratischem Querschnitt des Profils im Querschnitt Symmetralen die Seiten bilden (Anspruch 5), in der Art eines Fensterkreuzes.
In einer anderen Ausführungsform sind die Verstärkungen im Querschnitt bo- genartig gekrümmt und treffen mit einem spitzen beziehungsweise stumpfen Winkel auf die Innenseite der Außenwände (Anspruch 6). Durch die Krüm- mung und die spitzen Winkel können Temperaturdifferenzen durch geeignete
Verformung aufgenommen werden, ohne dass thermische Spannungen zu plastischen Verformungen oder Rissen fuhren.
Je nach Anforderungen, Größe des Querschnittes, Material und Wandstärke können die Verstärkungen im Querschnitt verschiedene Formen haben. Sie können oval, insbesondere kreisbogenförmig (Anspruch 7) ausgebildet sein, sodass die Wärmespannungen von den kreisbogenförmigen Profilteilen aufgenommen werden. In einer weiteren Variante können die im Querschnitt oval beziehungsweise kreisförmig ausgebildeten Verstärkungen die Außenwände tangieren (Anspruch 8).
Für an den Rändern abschließend angelegte Profile ist es zudem günstig, wenn zumindest zwei der im Wesentlichen ein Quadrat bildenden äußeren Begrenzungswände der Profile mit einer Rundung ineinander übergehen (Anspruch 9). Die abgerundeten Kanten kommen der Anlage der Super-Isolationsfolien (MLI) im Hochvakuumraum entgegen, die dank ihnen keiner scharfen Biegung unterworfen sind.
Da die Profile gerade und von über ihre ganze Länge konstantem Querschnitt sind, sind sie mit Vorteil entweder Strangpressprofile aus einer geeigneten Leichtmetalllegierung, vorzugsweise aus einerAluminiumlegierung (Anspruch 10) oder gerollte Profile aus austenitischem Stahl (Anspruch 11).
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
- Fig. 1 : Einen erfindungsgemäßen Behälter in Draufsicht,
- Fig. 2: Schnitt AA in Fig. 1 , - Fig. 3: Schnitt BB in Fig. 2,
- Fig. 4: eine erste Variante des Profils,
- Fig. 5: eine Sonderform zu Fig. 4,
- Fig. 6: eine zweite Variante des Profils,
- Fig. 7: eine dritte Variante des Profils.
In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Behälter mit 3 bezeichnet. Ein ihn umgebender Außenbehälter 1 ist nur strichliert angedeutet und die den Behälter 3 umgebende Vakuumzone mit Superisolation ist mit 2 bezeichnet. Der Behälter 3 besteht hier aus vier Elementen, wovon ein mittleres mit 4 und ein den Rand bildendes mit 5 bezeichnet ist und aus zwei Kappen 6,7. Die Elemente 4,5 sind gerade geschlossene Profile mit über ihrer Länge konstantem Querschnitt. An ihren Enden schließt beiderseits je eine gemeinsame alle Elemente zusammenfassende und deren Inhalt verbindende Kappe 6,7 an. Die Verbindungslinie zwischen der Kappe und den die Elemente bildenden Profilen ist mit 8 bezeichnet, an dieser sind die Elemente mit der Kappe dicht verschweißt. Zwischen den ebenen Begrenzungsflächen 9, 9' benachbarter Profile ist ein kleiner Abstand 10, der zur Verbindung mit den Kappen hin von einem Einlegeblech 11 überbrückt ist.
In Fig. 2 sind die parallel und mit geringem Abstand 10 aneinanderliegenden Elemente 4,5 im Querschnitt zu sehen. Die äußeren Begrenzungswände des Profils 4 sind mit 14,15,16,17 bezeichnet, sie sind gleich lang und schließen rechte Winkel ein, bilden hier somit ein Quadrat. Das Element 5 ist eine Sonderform des Elementes 4. Es unterscheidet sich von diesem nur durch die Rundung 21, weil es ein äußeres Element ist. Die Elemente 4,5 sind mit ihren äußeren Begrenzungswänden 14,18 mit geringem Abstand 11 zueinander angeordnet. Es könnte aber auch ein weiteres Element von der Gestalt des Elementes 4 an eine der Seitenflächen 17 des Elementes 4 anschließen. Insgesamt lassen sich so durch entsprechendes neben- oder übereinander anordnen von Elementen sehr verschiedene Gesamtquerschnitte des Behälters darstellen. Die Elemente können bei ausreichender Festigkeit der Profile ohne innere Verstärkungen sein.
In Fig. 3 ist zu erkennen, dass die Elemente 4,5 an ihren beiderseitigen Enden 28,29 offen sind und alle in den von den Kappen 6,7 gebildeten Raum münden. Die Kappen sind der abschließende Verbindungsraum zwischen den ein- zelenen parallelen Profilen. In die Kappen 6,7 können sowohl nicht dargestellte Stützen und Rohranschlüsse, als auch Elemente für die Behälteraufhängung integriert sein.
In Fig. 4 ist ein Profil mit Verstärkungen 24,25 zu sehen. Diese sind hier Sym- metralen der Quadratseiten, sie verbinden deren Mitten und bilden ein rechtwinkeliges Kreuz (siehe auch Fig. 3). Fig. 5 unterscheidet sich von der Fig. 4 nur durch die Rundungen 21. Die Wände 19,20 gehen über eine Rundung 21 ineinander über.
In der Variante der Fig. 6 sind die äußeren Begrenzungswände wieder mit 14 bis 17 bezeichnet. Die Verstärkung besteht hier aus einem Rohr, im Schnitt einem Kreis 30, der dem von den äußeren Begrenzungswänden gebildeten Quadrat eingeschriebener Kreis ist. Er tangiert die äußeren Begrenzungswände in Punkten 31.
In der Variante der Fig. 7 wird die Verstärkung von zwei Viertel-Kreisbögen 40 und einem bogenartig gekrümmtem, S-förmigen Steg 42 gebildet. Beide berühren die Außenwand 16 in einem Punkt 14, der bogenartig gekrümmte Teil die Außenwand 17 in einem Punkt 43 unter einem spitzen (beziehungsweise stumpfen komplementär-) Winkel 44. Die beschriebenen Elemente können stranggepresste, geschloßene Metallprofile (aus Leichtmetall oder rollgeformte Profile aus einem austenitischen Stahl) sein. Insgesamt ist so ein modularer, leichter, steifer und preisgünstiger Behälter geschaffen, der allen Anforderungen genügt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Behälter für kryogene Kraftstoffe in abgeflachter Bauweise, der von einer Isolierung umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mehreren gleichartigen in verschiedener Konfiguration miteinander verbindbaren und parallel zueinander angeordneten geraden, geschlossenen Profilen (4,5) zusammengesetzt ist, deren zumindest eine äußere Begrenzungswand (14,15,16,17) in geringem Abstand (10) parallel zu einer äußeren Begrenzungswand (18) eines benachbarten Profils angeordnet ist und an deren offene Enden (28,29) beiderseits jeweils eine gemeinsame Kappe (6,7) als abschließender Verbindungsraum anschließt.
2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Begrenzungswände (14,15,16,17) der Profile im Querschnitt ein Rechteck, insbesondere ein Quadrat bilden.
3. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geringe Abstand (10) zwischen den parallelen äußeren Begrenzungswänden (14,15,16,17, 18) in dem Bereich zwischen 1 Millimeter und 8 Millimeter, vorzugsweise zwischen 3 und 5 Millimetern liegt.
4. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile im Inneren über ihre ganze Länge Verstärkungen (24,25; 30; 40,42) mit in Längsrichtung liegenden Erzeugenden aufweisen.
5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungen (24,25) bei rechteckigem oder quadratischem Querschnitt des Profiles im Querschnitt Symmetralen der Seiten bilden.
6. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verstärkungen (30; 40,42) im Querschnitt bogenartig gekrümmt sind und mit einem spitzen beziehungsweise stumpfen Winkel (44) auf die Außenwände (14,15,16,17; 18,19,20) treffen.
7. Behälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verstärkungen im Querschnitt oval, insbesondere kreisbogenförmig (30) sind.
8. Behälter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die im Querschnitt oval beziehungsweise kreisförmig ausgebildeten Verstärkungen (30;40;50) die Außenwände (14,15,16,17) tangieren.
9. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der im Wesentlichen ein Quadrat bildenden äußeren Begrenzungswände (19,20) der Profile mit einer Rundung (21) ineinander übergehen.
10. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil ein geschlossenes Strangpressprofil aus Leichtmetall, insbesondere einer Aluminiumlegierung ist.
11. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil ein gerolltes, geschlossenes Profil aus austenitischem Stahl ist.
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