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DE102014207300B4 - Verfahren zur Herstellung eines Tanks, insbesondere eines Kraftfahrzeugtanks - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Tanks (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugtanks, zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand, mit einem den Betriebsstoff aufnehmenden Innentank (1), einer den Innentank (1) umgebenden Außenhaut (2) und einer zwischen dem Innentank (1) und der Außenhaut (2) angeordneten Isolationsschicht (3), gekennzeichnet durch die Schritte:- Einbringen von Betriebsstoff in den Innentank (1), wobei durch den Betriebsstoff im Innentank (1) eine Temperatur von 30 °C bis 120 °C, vorzugsweise von 70 °C bis 85 °C, erhalten wird und- Erzeugen von Unterdruck in einer zwischen dem Innentank (1) und der Außenhaut (2) angeordneten Isolationsschicht (3).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein beschleunigtes Verfahren zur Herstellung eines Tanks, insbesondere eines Kraftfahrzeugtanks, zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand.
  • Betriebsstoffe in tiefkaltem Zustand finden heutzutage vermehrt Anwendung als Energiequelle für den Antrieb von Fahrzeugen bzw. Kraftfahrzeugen. EP 1 546 601 A2 beschreibt einen Druckbehälter zur mobilen und reversiblen Speicherung von kryogenen Fahrzeugkraftstoffen. Der Druckbehälter umfasst einen Innenbehälter zur Aufnahme eines kryogenen Fahrzeugkraftstoffes und einen Außenbehälter, der den Innenbehälter umgibt. Zwischen dem Innenbehälter und dem Außenbehälter ist ein luftleerer Raum, der der thermischen Isolation des im Innenbehälter gespeicherten kryogenen Fahrzeugkraftstoffes dient. Der luftleere Raum wird dabei in einem sich über mehrere Tage erstreckenden Evakuierprozess erzeugt, wobei der Außentank durch eine externe Wärmequelle auf Temperaturen von etwa 100-120 °C gehalten werden muss. Dies erfordert einen hohen technischen, energetischen und zeitlichen Aufwand und bedingt daher hohe Kosten für die Fertigung des Druckbehälters.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand anzugeben, das energieeffizient ausgeführt werden kann und ohne hohen zeitlichen und technischen Aufwand kostengünstig umsetzbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Tanks zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand, mit einem den Betriebsstoff aufnehmenden Innentank, einer den Innentank umgebenden Außenhaut und einer zwischen dem Innentank und der Außenhaut angeordneten Isolationsschicht, gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Schritte i) Einbringen von Betriebsstoff in den Innentank, wobei durch den Betriebsstoff im Innentank eine Temperatur von 30 °C bis 120 °C, vorzugsweise von 70 °C bis 85 °C, erhalten wird und ii) Erzeugen von Unterdruck in einer zwischen dem Innentank und der Außenhaut angeordneten Isolationsschicht. Als mögliche Betriebsstoffe seien beispielhaft Flüssigwasserstoff, kryogener Wasserstoff im überkritischen Zustand, Flüssigerdgas und andere verflüssigte oder tiefkalte Gase genannt, die insbesondere als Energiequelle für den Antrieb eines Fahrzeugs bzw. eines Kraftfahrzeugs, gespeichert werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf den technisch aufwendigen Einsatz externer Heizvorrichtungen zum Erwärmen der Außenhaut zur Unterdruckerzeugung bzw. zur Vakuumherstellung verzichtet werden. Die Ausheiztemperatur für den Evakuiervorgang in der Isolationsschicht wird durch den in den Innentank eingebrachten Betriebsstoff aufgebracht. Durch die Im Innentank erhaltene Temperatur erwärmt sich auch die Wandung des Innentanks. Über diese Wandung findet sodann ein Wärmeübertrag auf die benachbarte Isolationsschicht statt. Dieser Vorgang der Wärmeübertragung von innen heraus ist wesentlich energieeffizienter als ein Wärmeübertrag durch einen beheizten Außenbehälter, da der Innentank zum einen keinen äußeren, die Temperatur beeinflussenden, Umweltfaktoren ausgesetzt ist. Zum anderen bewirkt die zunehmende Druckabsenkung in der Isolationsschicht eine zunehmend bessere thermische Isolation des Innentanks, wodurch die Temperatur im Innentank über einen längeren Zeitraum, ohne das Aufwenden von weiterer Energie, gehalten werden kann, bzw. nur sehr langsam sinkt, was den Evakuierprozess beschleunigt und seine Energieeffizienz fördert.
  • Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird im Innentank eine Temperatur von 30 °C bis 120 °C, vorzugsweise von 70 °C bis 85 °C, dadurch erhalten, dass der Betriebsstoff vor dem Einbringen in den Innentank vortemperiert wird. Hierbei handelt es sich mit anderen Worten um eine Warmbetankung, die den Herstellprozess verbessert. Der warme Betriebsstoff kann im Anschluss an den Evakuierprozess verbraucht werden und neuer, tiefkalter Betriebsstoff, in den Innentank eingefüllt werden.
  • Alternativ dazu, ggf. auch in Kombination dazu wird die Temperatur von 30 °C bis 120 °C, vorzugsweise von 70 °C bis 85 °C, dadurch erhalten, dass der Betriebsstoff im Innentank temperiert wird. Dies kann beispielsweise mittels eines im Innentank vorgesehenen Wärmetauschers erfolgen.
  • Um eine sehr gute thermische Isolation eines Betriebsstoffes bei Anwendung des erfindungsgemäß hergestellten Tanks bereitzustellen, wird der Unterdruck vorzugsweise so erzeugt, dass ein Absolutdruck in der Isolationsschicht 10-3 mbar bis 10-5 mbar beträgt.
  • Weiter vorteilhaft beträgt eine Temperatur des Betriebsstoffes beim Einbringen in den Innentank 0 °C bis 70 °C, vorzugsweise 20 °C bis 50 °C. Üblicherweise eingesetzte Betriebsstoffe sind in den angegebenen Temperaturbereichen sehr gut handhabbar. Aufgrund ihrer Kompressibilität kann beim Einfüllen des Betriebsstoffes in den Innentank folglich sehr leicht eine ausreichende Ausheiztemperatur von mindestens 30 °C und vorzugsweise von mindestens 70 °C bis maximal 85 °C, erzielt werden.
  • Zur Beschleunigung des Evakuierprozesses wird der Unterdruck vorzugsweise mittels einer Vakuumpumpe, insbesondere mittels einer Turbomolekularpumpe, erzeugt.
  • Das Verfahren ist ferner vorteilhaft so weitergebildet, dass i) das Erzeugen von Unterdruck oder ii) das Einbringen des temperierten Betriebsstoffes sowie das Erzeugen von Unterdruck, mobil, vorzugsweise in einem an einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, angeordneten Fahrzeugtank bzw. Kraftfahrzeugtank, ausgeführt werden. Dies erlaubt eine ortsungebundene Herstellung des Tanks, wodurch die Fertigungszeit eines Fahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs mit dem erfindungsgemäß hergestellten Tank im Werk kurz gehalten werden kann.
  • Durch das Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Rahmen einer Erstbetankung des Tanks, kann weitere Fertigungszeit eingespart werden. Zudem kann der für den Evakuierprozess in den Innentank eingebrachte Betriebsstoff sogleich für die Erzeugung von Energie aufgewandt werden.
  • Das erfindungsgemäß Verfahren eignet sich weiter vorteilhaft zur Herstellung eines Kryo-Drucktanks, der zur Aufnahme von Wasserstoff in einem überkritischen Zustand als Betriebsstoff ausgebildet ist.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:
    • - Das Verfahren ist sehr energieeffizient und damit kostengünstig umsetzbar.
    • - Das Verfahren kann ortsunabhängig ausgeführt werden.
    • - Durch das Verfahren werden werkseitig erforderliche Fertigungszeiten reduziert.
    • - Das Verfahren ist ohne hohen technischen Aufwand anwendbar.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Figur. Es zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten Tanks.
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels im Detail erläutert. In 1 sind nur die hier interessierenden Aspekte der Erfindung dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
  • Im Detail zeigt 1 einen Tank 10, der beispielsweise als so genannter Kryo-Drucktank, zur Speicherung von Wasserstoff im überkritischen Zustand, vorgesehen werden kann. Der Tank 10 umfasst einen Innentank 1, der der Aufnahme und Speicherung eines Betriebsstoffes dient. Der Innentank 1 ist druckfest ausgebildet und von einer Außenhaut 2 umgeben, wobei der Innentank 1 durch Aufhängungen 6 gegen die Außenhaut 2 abgestützt ist. Zwischen dem Innentank 1 und der Außenhaut 2 ist eine Isolationsschicht angeordnet, die durch das erfindungsgemäße Verfahren evakuierbar ist. Der Innentank 1 ist über eine Befüll- und Entnahmeleitung 5 mit einem tiefkalten Betriebsstoff befüllbar. Der Innentank 1 umfasst ferner einen Wärmetauscher 4, der bei der späteren Anwendung des Tanks 10 eine zuverlässige Entnahme von Betriebsstoff aus dem Innentank 1 sichert.
  • Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird über die Befüll- und Entnahmeleitung 5 Betriebsstoff in den Innentank 1 eingefüllt, wobei durch den Betriebsstoff im Innentank 1 eine Temperatur von 30 °C bis 120 °C, vorzugsweise von 70 °C bis 85 °C, erreicht wird. Hierzu kann ein bereits vortemperierter Betriebsstoff verwendet werden. Alternativ oder ggf. auch additiv dazu kann der Betriebsstoff nach dem Verfüllen in den Innentank 1, beispielsweise mittels des Wärmetauschers 4, erwärmt werden. Beim Befüllvorgang werden der im Innentank 1 zulässige Maximaldruck und eine zulässige Maximaltemperatur berücksichtigt. Wird ein vortemperierter Betriebsstoff verwendet, so weist dieser vorzugsweise eine Temperatur von 0 °C bis 70 °C, insbesondere von 20 °C bis 50 °C, auf. Durch das Einströmen von Betriebsstoff in den Innentank 1 während des Befüllvorgangs wird der Betriebsstoff komprimiert, so dass es zu einer weiteren Temperierung kommt, die bei der Einstellung der gewünschten Ausheiztemperatur berücksichtigt wird. Die sich im Inneren des Innentanks 1 ausbreitende Wärme wird über die Wandung des Innentanks auf die Isolationsschicht 3 übertragen.
  • Des Weiteren wird, beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe, Unterdruck in der zunächst noch gashaltigen Isolationsschicht erzeugt. Durch die Druckabsenkung in der Isolationsschicht 3 wirkt diese sehr schnell thermisch isolierend auf den Innentank 1, so dass der Ausheizprozess und der Evakuierprozess beschleunigt ablaufen, ohne dass externe Heizvorrichtungen oder zusätzliche Energie für die Erhaltung der Temperatur des Betriebsstoffes, eingesetzt werden müssen.
  • Der Evakuiervorgang kann abgeschlossen werden, wenn in der Isolationsschicht 3 ein gewünschter Absolutdruck von vorzugsweise maximal 10-3 mbar erreicht ist.
  • Das Verfahren ist mobil anwendbar. Der im Innentank 1 vorhandene Betriebsstoff kann ferner nach Beendigung des Evakuiervorganges als Energiequelle, beispielsweise für den Abtrieb eines Fahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs, verwendet werden.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Innentank
    2
    Außenhaut
    3
    Isolationsschicht
    4
    Wärmetauscher
    5
    Befüll- und Entnahmeleitung
    6
    Aufhängung
    10
    Tank

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Tanks (10), insbesondere eines Kraftfahrzeugtanks, zur Speicherung eines Betriebsstoffes in tiefkaltem Zustand, mit einem den Betriebsstoff aufnehmenden Innentank (1), einer den Innentank (1) umgebenden Außenhaut (2) und einer zwischen dem Innentank (1) und der Außenhaut (2) angeordneten Isolationsschicht (3), gekennzeichnet durch die Schritte: - Einbringen von Betriebsstoff in den Innentank (1), wobei durch den Betriebsstoff im Innentank (1) eine Temperatur von 30 °C bis 120 °C, vorzugsweise von 70 °C bis 85 °C, erhalten wird und - Erzeugen von Unterdruck in einer zwischen dem Innentank (1) und der Außenhaut (2) angeordneten Isolationsschicht (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von 30 °C bis 120 °C, vorzugsweise von 70 °C bis 85 °C dadurch erhalten wird, dass der Betriebsstoff vor dem Einbringen in den Innentank (1) vortemperiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur von 30 °C bis 120 °C, vorzugsweise von 70 °C bis 85 °C, dadurch erhalten wird, dass der Betriebsstoff im Innentank (1) temperiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck so erzeugt wird, dass ein Absolutdruck in der Isolationsschicht (3) 10-3 mbar bis 10-5 mbar ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Betriebsstoffes beim Einbringen in den Innentank (1) 0 °C bis 70 °C, vorzugsweise 20 °C bis 50 °C, beträgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck mittels einer Vakuumpumpe, insbesondere mittels einer Turbomolekularpumpe, erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Erzeugen von Unterdruck oder - das Einbringen des Betriebsstoffes sowie das Erzeugen von Unterdruck mobil, insbesondere in einem an einem Fahrzeug, insbesondere an einem Kraftfahrzeug, angeordneten Fahrzeugtank bzw. Kraftfahrzeugtank, ausgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es im Rahmen einer Erstbetankung des Tanks (10) ausgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (10) ein Kryo-Drucktank ist, der zur Aufnahme von Wasserstoff in einem überkritischen Zustand als Betriebsstoff ausgebildet ist.
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