WO2006034521A1 - Tank für kryogene flüssigkeiten mit magnetischer aufhängung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to the installation in motor vehicles of certain tanks for cryogenic liquids, comprising an outer container and an inner container suspended therein, wherein magnets are used for positioning the inner container with respect to the outer container.
  • the invention has for its object to form a magnetic suspension of a (non-rotating) tanks for motor vehicles so that the mecanical container supported with its entire weight, and its contents only by magnetic repulsion in the outer container and is held in position.
  • At least one element made of a superconducting material ia thermally conductive connection with the tiefkaltem content and permanent magnets are attached to the inside of the outer container or to a part connected to it.
  • the at least one element or the elements made of a superconducting material need only be attached in such a way that it can be moved from the deep-cold gas to the one for reaching the superconducting material. border state required low temperature is brought.
  • the permanent magnets on the other hand naturally do not need a current feed, so that the suspension according to the invention is completely self-sufficient.
  • the at least one element made of a superconducting material on the wall of the mecanical ⁇ ters and the permanent magnets on the inside of the outer container each follow a self-contained band, so that the mecanicalxälter is supported all around (claim 2).
  • the at least one element made of a superconducting material can be attached to the outside or to the inside of the inner container, with appropriate determination of the heat conduction conditions.
  • the inner container at least one tubular tunnel which is penetrated by a mounted inside the outer container support tube at a distance, and the at least one element made of a superconducting material to the tubular tunnel a ringtownd attached and the permanent magnets on the outer circumference of the support tube, forming a ring opposite him, angeord ⁇ net (claim 3). Because the diameter of the tunnel is smaller than that of the inner container and the tunnel penetrates the inner container more or less in the middle, the effects of different thermal expansions can be better controlled.
  • supports are attached to the support tube, which have a distance from the inner wall of the tunnel (claim 5). These are effective in the event of failure of the magnetic support (in the warm phase) or in the case of strong impacts.
  • the inner container from a wound carbon fiber composite into which the at least one element made of a superconducting material is wrapped during manufacture.
  • the low specific weight and the excellent low temperature properties of this material are fully appreciated.
  • the heat conduction to the superconducting elements can be optimally optimized in this way.
  • FIG. 2 a cross section according to H-II in FIG. 1, FIG.
  • FIG. 4 shows a section according to IV-IV in FIG. 3.
  • the tank shown in Fig. 1 and Fig. 2 consists of an outer liner 1 and an inner container 2, which is connected by connecting pipes 3 with respect to relationship as upstream units in combination.
  • the liquid level 20 inside is indicated.
  • the connection pipes 3 are through a neck 4 of the
  • Outward container 1 passed. Between the two containers 1.2 a highly effective insulation is provided.
  • the walls of the two containers 1, 2 are substantially equidistant and of any shape, such as that of a suitcase, as shown in FIG. Thanks to the suspension according to the invention but also forms with concave surfaces are possible.
  • the inner container 2 is surrounded by an element 6 made of a superconductive material in the form of a band 7 or by a plurality of elements 6 made of a superconducting material, which are arranged in a band 7 forming a band.
  • the elements made of a superconducting material can be either externally attached to the inner container 2 or in its interior, or - if the réelle ⁇ container 2 consists of a wound carbon fiber composite - be wrapped.
  • permanent magnets 8 On the inside of the outer container 1, permanent magnets 8 in a corresponding position, succession and polarity are arranged again in such a way that they form a band 9.
  • the other superconducting elements 6 ⁇ 16, 16 ⁇ and the permanent magnets 8 ⁇ 8,18 ⁇ elsewhere.
  • the tank shown in Fig. 3 and Fig. 4 again consists of an outer container 30 and an inner container 32, the former is formed by an example cylindri ⁇ 's wall 33 and a cambered end wall 34, the second of a cylindrical wall 35 and a cambered end wall 36th In Fig. 3, the tank is cut through in the middle, therefore, the existing Stirn stiin ⁇ de 34.36 cut away at the other end.
  • the walls 33,35 are cylindrical in the illustrated embodiment, but could also be of any other shape and even with concave surface parts.
  • the space between The outer container 31 and the inner container 32 are again provided with highly effective cryogenic insulation, which consists for example of alternating vacuum zones and reflective films.
  • the cross section of the tunnel 38 is preferably circular.
  • a support tube 39 connects, which also extends to the end wall 34, not shown, on the other side.
  • the tunnel 38 may have annular bulges 51 at certain locations.
  • An annular element 46 made of a superconducting material is fastened to the inside of the tunnel 38, here in each case in an annular extension 51.
  • the element 46 can be arranged either on the inside of the tunnel 38 or on its outside (inside the inner container 32) , or wrapped in a wall made of a wound carbon fiber composite.
  • On the same length with the elements 46 ring ⁇ shaped arrangements of permanent magnets 48 are provided in a corresponding number and polarity on the support tube 49.
  • the element 46 and the permanent magnets 48 form concentric circular rings with an annular space 49.
  • This intermediate space 49 is annular when the inner container 32 is suspended by the repulsive force prevailing between the elements 46 and the permanent magnets 48.
  • the inner container can also be positioned in the direction of its longitudinal axis.
  • a further element made of a superconducting material is mounted on the end wall 36 of the inner container. It has the shape of a circular disc. It faces on the inside of the end wall 34 or the support plate 40, a number of permanent magnets 51 in a suitable An ⁇ number and polarity arranged so that they form a flat circular ring.
  • a support 53 is fastened on the upper side of the support tube 39 and holds a distance 54 from the tunnel 38 when the inner container 32 is suspended.
  • the inner container sinks slightly and the tunnel 38 rests on the block-shaped support 53 (see FIG. 4).

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Abstract

Ein für den Einbau in Kraftfahrzeuge bestimmter Tank für kryogene Flüssig keiten besteht aus einem Aussenbehälter (1) und einem darin aufgehängten Innenbehälter (2), wobei zur Positionierung des Innenbehälters bezüglich des Aussenbehälters Magnete herangezogen sind. Um mit geringstem Aufwand eine zur Unterstützung des Innenbehälters ausreichende Kraft zu erzeugen, ist an der Wand des Innenbehälters (2) mindestens ein Element (6,6',16,16') aus einem supraleitendem Werkstoff in wärmeleitender Verbindung mit dessen tiefkaltem Inhalt und sind an der Innenseite des Aussenbehälters (1) oder an einem mit ihm verbundenen Teil Permanentmagnete (8,8', 18,18') angebracht.

Description

TANK FÜR KRYOGENE FLÜSSIGKEITEN MIT MAGNETISCHER AUFHÄNGUNG
Die Erfindung betrifft den Einbau in Kraftfahrzeuge bestimmter Tanks für kryo- gene Flüssigkeiten, bestehend aus einem Aussenbehälter und einem darin aufge¬ hängten Innenbehälter, wobei zur Positionierung des Innenbehälters bezüglich des Aussenbehälters Magnete herangezogen sind.
Aus der GB 2025029 A ist es bekannt, zur Zentrierung des Innenbehälters im Aussenbehälter eines stehenden zylindrischen Tanks für tiefkalte Flüssiggase einander gegenüberliegende kreisförmige Anordnungen von Permanentmagne- ten einzusetzen. Dabei zentrieren deren abstoßende Kräfte den mit seinem obe¬ ren Rand im Aussentank aufgehängten Innentank in horizontaler Richtung. Um sein Gewicht zu unterstützen, reichen sie freilich nicht aus.
Andererseits ist es, beispielsweise aus der DE 44 36 831, bekannt, die Welle von Generatoren in magnetischen Lagern abzustützen, deren Lagerstuhl einen Zylin¬ der aus einem supraleitfähigen Material enthält und dessen Welle eine Reihe permanentmagnetischer Ringe enthält. Dabei wird von dem sogenannten „Pinch-Effekt", auch „Meissner - Effekt" genannt, und von der Rotation der Welle Gebrauch gemacht und eine erhebliche abstoßende Wirkung erzielt, die einen ganzen Rotor tragt und zentriert. Nachteilig ist daran, dass solche Maschi¬ nen umfangreiche kryogene Nebenaggregate und thermische Isolation für sich selbst und für tiefkalte Zufuhrleitungen brauchen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Aufhängung eines (nicht rotierenden) Tanks für Kraftfahrzeuge so auszubilden, dass der Innenbe¬ hälter mit seinem ganzen Gewicht, und dem seines Inhaltes nur durch magneti¬ sche Abstoßung im Aussenbehälter unterstützt und in Position gehalten wird.
Dabei ist einigen Besonderheiten der Applikation in einem Kraftfahrzeug Rech¬ nung zu tragen: Wärmeeinleitung zu dem flüssigen Medium bewirkt dessen Verdampfen. Das ist im Betrieb nicht schlimm, weil das gasförmige Gas für die Antriebsquelle entnommen wird. Wenn, ein Fahrzeug aber länger stillsteht, muss die Wärmeeinleitung minimal sein, weil sonst entweder der Druck ansteigt, oder Gas abgeblasen werden muss. Beides bedeutet ein für den Alltagsgebrauch nicht akzeptables Sicherheitsrisiko. Das heisst, es dürfen nebst der sowieso nötigen Superisolation zwischen den beiden Behältern überhaupt keine Wärmebrücken vorhanden sein. Weiters ist ein Tank in einem fahrenden Kraftfahrzeug Stößen ausgesetzt, denen er gewachsen sein muß.
Erfindungsgemäß ist an der Wand des Innenbehälters mindestens ein Element aus einem supraleitendem Werkstoff ia wärmeleitender Verbindung mit dessen tiefkaltem Inhalt und an der Innenseite des Aussenbehälters oder an einem mit ihm verbundenen Teiles sind Permanentmagnete angebracht. Dabei wird davon profitiert, dass ein tiefkaltes Medium bereits vorhanden ist, also nicht mehr er¬ zeugt und zugeführt werden muss. Das mindestens eine Element beziehungswei¬ se die Elemente aus einem supraleitendem Werkstoff braucht nur so angebracht zu sein, dass es von dem tief kalten Gas auf die für das Erreichen des supralei- tenden Zustandes erforderliche tiefe Temperatur gebracht wird. Die Permanent¬ magnete andererseits brauchen naturgemäß keine Stronuzufuhr, sodass die erfin¬ dungsgemäße Aufhängung vollkommen autark ist. Schließlich sind dank der mit der Supraleitung verbundenen Effekte, so große Abstoßiαngskräfte (auch Levita- tionskräfte genannt) zu erzielen, dass der Innenbehälter tatsächlich getragen und zentriert ist.
In einer einfachen und vorteilhaften Ausfuhrungsform folgen das mindestens eine Element aus einem supraleitendem Werkstoff an der Wand des Innenbehäl¬ ters und die Permanentmagnete an der Innenseite des Aussenbehälters jeweils einem in sich geschlossenen Band, sodass der Innenbelxälter rundum abgestützt ist (Anspruch 2). Das erlaubt beliebige Formen der Behälter, weil mehrere Bän¬ der auch in verschiedenen Ebenen und Richtungen gelegt werden können. Das mindestens eine Element aus einem supraleitendem Werkstoff kann dabei an der Aussenseite oder an der Innenseite des Innenbehälters angebracht sein, bei ent- sprechender Festlegung der Wärmeleitungsverhältnisse .
In einer besonders vorteilhaften Ausfuhrungsform weist der Innenbehälter min¬ destens einen rohrförmigen Tunnel auf, der von einem im Inneren des Aussen- behälters angebrachten Tragrohr mit Abstand durchsetzt ist, und ist das mindes- tens eine Element aus einem supraleitendem Werkstoff an dem rohrförmigen Tunnel einen Ring bildend angebracht und die Permanentmagnete am Aussen- umfang des Tragrohres, einen ihm gegenüberliegenden Ring bildend, angeord¬ net (Anspruch 3). Weil der Durchmesser des Tunnels kleiner ist als der des In¬ nenbehälters und der Tunnel den Innenbehälter mehr oder minder in der Mitte durchsetzt, sind die Auswirkungen verschiedener Wärmedehnungen besser be¬ herrschbar. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist zusätzlich an der Wand des Innenbehäl¬ ters, die beiden Enden des Tunnels umgebend in einer Normalebene zur Achse des Tunnels, ein Element aus einem supraleitendem Werkstoff angebracht und sind an der Innenseite des Aussenbehälters, ihm zugewandt, Permanentmagnete angebracht (Anspruch 4). Dadurch wird eine Zentrierung und Positionierung des Tunnels in Längsrichtung erreicht, in der Art der Spurlager einer Welle.
Mit Vorteil sind am Tragrohr Stützen angebracht, die von der Innenwand des Tunnels einen Abstand haben (Anspruch 5). Diese kommen bei Ausfall der magnetischen Abstützung (in der Warmphase) oder bei starken Stößen zur Wir- kung.
Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, den Innenbehälter aus einem ge¬ wickelten Kohlefaserkomposit herzustellen, in das das mindestens eine Element aus einem supraleitendem Werkstoff bei der Herstellung eingewickelt ist. Dabei kommt das geringe spezifische Gewicht und die vorzüglichen Tieftemperaturei¬ genschaften dieses Werkstoffes voll zur Geltung. Ausserdem kann die Wärme¬ leitung zu den supraleitenden Elementen so konstruktiv optimiert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und er- läutert. Es stellen dar:
- Fig. 1 : Einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform,
- Fig. 2: Einen Querschnitt nach H-II in Fig. 1 ,
- Fig. 3 : Einen Längsschnitt durch eine zweite Ausfuhrungsform,
- Fig. 4: Einen Schnitt nach IV-IV in Fig. 3.
Der in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigte Tank besteht aus einem Aussenbekälter 1 und einem Innenbehälter 2, welcher durch Anschlussrohre 3 mit nach beziehungs¬ weise vorgeordneten Aggregaten in Verbindung steht. Der Flüssigkeitsspiegel 20 im Inneren ist angedeutet. Die Anschlussrohre 3 sind durch einen Hals 4 des
Aussenbehälters 1 hindurch geführt. Zwischen den beiden Behältern 1,2 ist eine hochwirksame Isolierung vorgesehen. Die Wände der beiden Behälter 1,2 sind im Wesentlichen äquidistant und von beliebiger Form, etwa der eines Koffers wie in Fig. 2 zu sehen. Dank der erfindungsgemäßen Aufhängung sind aber auch Formen mit konkaven Flächen möglich.
Der Innenbehälter 2 ist von einem Element 6 aus einem supraleitenden Werk¬ stoff in Form eines Bandes 7 umgeben oder von mehreren Elementen 6 aus ei¬ nem supraleitenden Werkstoff, die ein Band 7 bildend aneinander gereiht sind. Die Elemente aus einem supraleitenden Werkstoff können entweder außen an dem Innenbehälter 2 oder in seinem Inneren angebracht, oder - wenn der Innen¬ behälter 2 aus einem gewickelten Kohlefaserkomposit besteht - eingewickelt sein. An der Innenseite des Außenbehälters 1 sind Permanentmagneten 8 in ent¬ sprechender Lage, Aufeinanderfolge und Polung wieder so angeordnet, dass sie ein Band 9 bilden. Ebenso verhält es sich mit den weiteren supraleitenden Ele¬ menten 6\ 16, 16λ und den Permanentmagneten 8\\8,18^an anderer Stelle. Mit¬ tels dieser Paarungen und den zwischen diesen jeweils wirkenden Abstoßungs¬ kräften wird der Innenbehälter 2 im Außenbehälter 1 ungefähr äquidistant in Schwebe gehalten.
Der in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigte Tank besteht wieder aus einem Außenbehälter 30 und einem Innenbehälter 32, ersterer wird von einer beispielsweise zylindri¬ schen Wand 33 und einer bombierten Stirnwand 34 gebildet, zweiterer von einer zylindrischen Wand 35 und einer bombierten Stirnwand 36. In Fig. 3 ist der Tank in der Mitte durchgeschnitten, daher sind die auch vorhandenen Stirnwän¬ de 34,36 am anderen Ende weggeschnitten. Die Wände 33,35 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zylindrisch, könnten aber auch von beliebiger anderer Form und sogar mit konkaven Flächenteilen sein. Der Zwischenraum zwischen dem Aussenbehälter 31 und dem Innenbehälter 32 ist wieder mit einer hoch- wirksamen Tieftemperaturisolierung versehen, die beispielsweise aus abwech¬ selnden Vakuumzonen und Reflexfolien besteht.
An der Stirnwand 36 des Innenbehälters 32 schließt ein rohrförmiger Tunnel an und durchquert den Innenbehälter 32 bis zu der nicht dargestellten anderen Stirnwand 36. Der Querschnitt des Tunnels 38 ist vorzugsweise kreisförmig. An der Stirnwand 34 des Aussenbehälters 31 beziehungsweise an einer mit dieser verbundenen Tragplatte 40 schließt ein Tragrohr 39 an, das sich ebenfalls bis zu der nicht dargestellten Stirnwand 34 auf der anderen Seite erstreckt. Der Tunnel 38 kann an bestimmten Stellen ringförmige Ausbauchungen 51 haben.
An der Innenseite des Tunnels 38 ist ein ringförmiges Element 46 aus einem supraleitenden Werkstoff befestigt, hier jeweils in einer ringförmigen Ausbau¬ chung 51. Das Element 46 kann entweder an der Innenseite des Tunnels 38 oder an seiner Aussenseite (im Inneren des Innenbehälters 32) angeordnet, oder in eine aus einem gewickelten Kohlefaserkomposit bestehende Wand eingewickelt sein. Auf gleicher Länge mit den Elementen 46 sind auf dem Tragrohr 49 ring¬ förmige Anordnungen von Permanentmagneten 48 in entsprechender Anzahl und Polung vorgesehen. Somit bilden das Element 46 und die Permanentmagne- ten 48 konzentrische Kreisringe mit einem kreisringförmigen Zwischenraum 49. Dieser Zwischenraum 49 ist dann kreisringförmig, wenn durch die zwischen den Elementen 46 und den Permanentmagneten 48 herrschende abstoßende Kraft den Innenbehälter 32 in Schwebe hält.
In analoger Weise kann der Innenbehälter auch in Richtung seiner Längsachse positioniert sein. Dazu ist auf der Stirnwand 36 des Innenbehälters ein weiteres Element aus einem supraleitenden Werkstoff befestigt. Es hat die Form einer kreisringförmigen Scheibe. Ihm zugekehrt ist an der Innenseite der Stirnwand 34 oder der Tragplatte 40 eine Reihe von Permanentmagneten 51 in geeigneter An¬ zahl und Polung so angeordnet, dass sie einen ebenen Kreisring bilden.
Für die Warmphase und zum Auffangen besonders starker Stöße ist auf der Oberseite des Tragrohres 39 eine Stütze 53 befestigt, die bei schwebendem In- nenbehälter 32 vom Tunnel 38 einen Abstand 54 hält. In der Warmphase jedoch, wenn die Levitation durch die magnetische Aufhängung wegfällt, sackt der In¬ nenbehälter etwas ab und der Tunnel 38 stützt sich auf der blockförmigen Stütze 53 ab (siehe Fig. 4).

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Für den Einbau in Kraftfahrzeuge bestimmter Tank für kryogene Flüssig¬ keiten bestehend aus einem Aussenbehälter und einem darin aufgehängten In¬ nenbehälter, wobei zur Positionierung des Innenbehälters bezüglich des Aussen- behälters Magnete herangezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass an der Wand des Innenbehälters (2;32) mindestens ein Element (6,6', 16,16'; 46,50) aus einem supraleitendem Werkstoff in wärmeleitender Verbindung mit dessen tief¬ kaltem Inhalt und dass an der Innenseite des Aussenbehälters (1;31) oder an einem mit ihm verbundenen Teil (39) Permanentmagnete (8,8', 18, 18'; 48,51) angebracht sind.
2. Tank für kryogene Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass das mindestens eine Element (6,6', 16, 16') aus einem supraleitenden Werkstoff an der Wand des Innenbehälters (2) und die Permanentmagnete (8,8', 18,18') an der Innenseite des Aussenbehälters (1) jeweils einem in sich ge¬ schlossenen Band (7,7', 17, 17') folgen, sodass der Innenbehälter (2) rundum ab¬ gestützt ist.
3. Tank für kryogene Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, dass der Innenbehälter (32) mindestens einen rohrförmigen Tunnel (38) aufweist, der von einem im Inneren des Aussenbehälters (31) angebrachten Tragrohr (39) mit Abstand durchsetzt ist, und dass das mindestens eine Element (46,50) aus einem supraleitendem Werkstoff an dem rohrförmigen Tunnel (38) einen Ring bildend angebracht ist und die Permanentmagnete (48,51) am Aus- senumfang des Tragrohres (39) einen ihm gegenüberliegenden Ring bildend angeordnet sind.
4. Tank für kryogene Flüssigkeiten nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeich¬ net, dass zusätzlich an der Wand (36) des Innenbehälters (32), die beiden Enden des Tunnels (38) umgebend in einer Normalebene zur Achse des Tunnels, ein Element (50) aus einem supraleitendem Werkstoff angebracht ist und dass an der Innenseite des Aussenbehälters (31), ihm zugewandt, Permanentmagnete (51) angebracht sind.
5. Tank für kryogene Flüssigkeiten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich¬ net, dass am Tragrohr (39) Stützen angebracht sind, die von der Innenwand des Tunnels (38) einen Abstand (54) halten.
6. Tank für kryogene Flüssigkeiten nach Ansprach 1 , dadurch gekennzeich¬ net, dass der Innenbehälter (2;32) aus einem gewickelten Kohlefaserkomposit besteht, in das das mindestens eine Element (6,6', 16,16'; 46,50) aus einem sup¬ raleitendem Werkstoff bei der Herstellung eingewickelt ist.
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