Die Erfindung betrifft eine Druckbehältereinheit zum Speichern eines Fluides, insbesondere Wasserstoff, mit einem Druckbehälter und einem Injektor, der dazu ausgebildet ist, den Druckbehälter mit dem Fluid zu befüllen.

Es sind Druckbehältereinheiten mit einem Druckbehälter und einem Injektor bekannt, wobei der Injektor eine Leitung aufweist, die in den Druckbehälter ragt.

Während des Füllvorgangs erhöht sich die Temperatur des Fluides innerhalb des Druckbehälters aufgrund des steigenden Drucks stetig. Beim Befüllen muss eine mittlere Druckrampe eingehalten werden, die von der Umgebungstemperatur und der Vorkühlung des Fluides abhängt. Daher darf der Füllvorgang nicht zu schnell erfolgen und der Druckbehälter an sich muss bereits so ausgelegt sein, dass ausreichend Wärmeaustausch stattfindet. Daher kann für bekannte Druckbehältereinheiten nur eine begrenzte Auswahl an standardmäßigen Druckbehältern verwendet werden.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Druckbehältereinheit bereitzustellen, die ein schnelles Befüllen beliebiger Druckbehälter mit geringer Vorkühlung ermöglicht.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Druckbehältereinheit zum Speichern eines Fluides, insbesondere Wasserstoff, mit einem Druckbehälter und einem Injektor, der dazu ausgebildet ist, den Druckbehälter mit dem Fluid zu befüllen, wobei der Injektor eine einteilige Hauptleitung aufweist, die von außen in den Innenraum des Druckbehälters verläuft und an ihrem Ausströmende eine Hauptausströmöffnung aufweist, über die das Fluid von der Hauptleitung in den Innenraum des Druckbehälters strömen kann, und wobei die Hauptleitung innerhalb des in den Druckbehälter ragenden Abschnitts der Hauptleitung mindestens eine Nebenöffnung aufweist, über die Fluid vom Innenraum des Druckbehälters in die Hauptleitung strömen kann und umgekehrt, sodass mindestens eine Nebenströmung im Innenraum des Druckbehälters entsteht, und wobei an der Nebenöffnung ein Strömungsleitelement angeordnet ist, das zumindest teilweise innerhalb der Hauptleitung verläuft.

Es wurde erkannt, dass eine Nebenöffnung mit einem Strömungsleitelement eine sekundäre Zirkulationsströmung bzw. eine Nebenströmung im Innenraum des Druckbehälters erzeugt. Diese Zirkulationsströmung führt zu einer optimalen Durchmischung des Fluides und einem besseren Wärmeaustausch mit dem Druckbehälter, was eine homogene Temperaturverteilung zur Folge hat. Dadurch wird die Maximaltemperatur des Fluides gesenkt. Somit kann der Druckbehälter schneller und mit weniger Vorkühlung befüllt werden.

Vorzugsweise weist das Strömungsleitelement in seiner Längserstreckung eine Biegung auf. Dadurch wird die Nebenströmung bereits in eine Art Wirbel versetzt, wodurch die Durchmischung des Fluides verbessert wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Strömungsleitelement ein Rohr, das außerhalb der Hauptleitung im Innenraum beginnt und sich in die Hauptleitung erstreckt. Auf diese Weise kann eine besonders einfache Führung der Nebenströmung realisiert werden, was wiederum die Durchmischung des Fluides verbessert.

Es kann vorgesehen sein, dass sich das Strömungsleitelement innerhalb der Hauptleitung in Strömungsrichtung erstreckt und eine Auslassöffnung hat, die in Richtung Hauptausströmöffnung weist. Dadurch wird die Nebenströmung durch die Hauptleitung zur Hauptausströmöffnung geleitet, sodass eine Zirkulation entsteht.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass das Strömungsleitelement ein stromaufwärtiges Ende hat, das außerhalb der Hauptleitung liegt und weg von der Hauptausströmöffnung weist. Dadurch wird ein maximal großer Wirbel im Innenraum erzeugt, weil das Fluid weit weg von der Hauptausströmöffnung angesaugt wird.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Strömungsleitelement ein Leitblech. Auf diese Weise kann das Strömungsleitelement besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Vorzugsweise ist das Leitblech schalenförmig und hegt mit Rändern an der Innenseite der Hauptleitung an, um zusammen mit der Hauptleitung einen Nebenkanal zu bilden, wobei der Nebenkanal in Richtung stromaufwärts der Strömung in der Hauptleitung geschlossen und in Strömungsrichtung offen ist. Dadurch wird auf besonders einfache Weise ein Nebenkanal gebildet, der eine Nebenströmung zur Durchmischung des Fluides erzeugt.

In einer Ausführungsform der Erfindung ragt das Strömungsleitelement aus der Nebenöffnung in den Innenraum des Druckbehälters. Dadurch wird das Ansaugen des Fluides vom Druckbehälter in den Nebenkanal durch den Venturi-Effekt erleichtert und die Stromführung der Nebenströmung verbessert.

Vorzugsweise weist die Hauptleitung eine Biegung auf. Auf diese Weise wird bereits die Hauptströmung in eine Art Wirbel versetzt, wodurch die Durchmischung des Fluides verbessert wird.

Es kann vorgesehen sein, dass die Nebenöffnung stromabwärts der Biegung in der Hauptleitung ausgebildet ist, und insbesondere auf einer angeströmten Seite der Hauptleitung liegt. So kann besonders einfach eine Nebenströmung erreicht werden, da die Biegung einen Wirbel erzeugt, der in Richtung der Nebenöffnung strömt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckbehältereinheit,

Fig. 2 die Druckbehältereinheit aus Fig. 1 mit angedeuteter Nebenströmung,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckbehältereinheit mit größerem Druckbehälter, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Injektors.

Fig. 1 zeigt eine Druckbehältereinheit 10 mit einem Druckbehälter 12 vorzugsweise zum Speichern von Wasserstoff und einem Injektor 14. Der Injektor 14 umfasst eine einteilige Hauptleitung 16, die eine Hauptausströmöffnung 18 und eine entgegengesetzte Füllöffnung 20 aufweist. Die Hauptleitung erstreckt sich durch eine Öffnung in der Wand des Druckbehälters 12 hindurch und endet frei auskragend im Inneren des Druckbehälters 12.

In der gezeigten Ausführungsform weist die Hauptleitung 16 eine Biegung auf. Die Biegung liegt im Inneren des Druckbehälters 12.

Ein gerader Abschnitt der Hauptleitung 16 erstreckt sich von der Füllöffnung 20, welche außerhalb des Druckbehälters 12 liegt, bis in den Druckbehälter 12.

Dieser gerade Abschnitt verläuft dabei parallel zur Längsmittelachse A des länglichen Druckbehälters 12. An den geraden Abschnitt schließt sich ein gebogener Abschnitt an, worauf ein weiterer gerader Abschnitt folgt, welcher die Hauptausströmöffnung 18 aufweist und in einem Winkel zur Längsmittelachse A verläuft.

Es ist jedoch auch denkbar, dass die Hauptleitung 16 insgesamt gerade verläuft, wenn z.B. ein kleinerer Druckbehälter verwendet wird.

Der Injektor 14 weist ferner ein Strömungselement 22 auf. Das Strömungselement 22 ist in einer Nebenöffnung 24 (Fig. 4) der Hauptleitung 16 angeordnet, und zwar im Inneren des Druckbehälters 12.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 weist das Strömungsleitelement 22 eine Biegung auf und ist als Rohr ausgebildet.

Dabei erstreckt sich das Strömungsleitelement 22 vom Innenraum des Druckbehälters 12 durch die Nebenöffnung 24 in die Hauptleitung 16 und endet dort.

Der Abschnitt des Strömungsleitelements 22, der aus der Nebenöffnung in den Innenraum des Druckbehälters 12 ragt, weist von der Hauptleitung 16 weg.

In anderen Worten ragt das stromaufwärtige Ende des Strömungsleitelements 22 aus der Nebenöffnung 24 in den Innenraum des Druckbehälters 12 und zeigt von der Hauptleitung 16, insbesondere von der Hauptausströmöffnung 18 weg, so dass sich, wie Figur 3 zeigt, em Strömungswirbel ergibt, der von der Lage des stromaufwärtigen Endes abhängt.

Der Endabschnitt des Strömungselements 22, der innerhalb der Hauptleitung 16 verläuft, erstreckt sich nach der Biegung im Strömungselement 22 parallel zur Hauptleitung 16 und umfasst eine Auslassöffnung 26.

Hauptleitung 16 und Strömungselement 22 bilden ein „Y“.

Die Auslassöffnung 26 liegt dabei innerhalb der Hauptleitung 16 und weist in Richtung der Hauptausströmöffnung 18.

Insbesondere in Fig. 2 ist zu erkennen, dass die Nebenöffnung 24 stromabwärts der Biegung in der Hauptleitung 16 liegt und auf der angeströmten Seite der Hauptleitung 16 ausgebildet ist.

In anderen Worten ist die Biegung in der Hauptleitung 16 so ausgebildet, dass sie auf die dem Strömungselement 22 abgewandte Seite weist.

Anhand der Fign. 2 und 3 wird im Folgenden die Funktion der Druckbehältereinheit 10 erläutert.

Über die Hauptleitung 16 des Injektors 14 wird der Druckbehälter 12 mit Fluid, insbesondere mit Wasserstoff gefüllt. Dabei strömt das Fluid durch die Füllöffnung 20 in die Hauptleitung 16 und von dort über die Hauptausströmöffnung 18 in den Innenraum des Druckbehälters 12.

Während des Füllvorgangs erhöht sich die Temperatur des Fluides aufgrund des steigenden Drucks. Die Zonen mit der höchsten Temperatur entstehen dabei im Bereich des Druckbehälters 12, der vom Injektor 14 abgewandt ist, also auf der dem Injektor entgegengesetzten Seite des Druckbehälters 12.

Durch die Biegung in der Hauptleitung 16 wird beim Einfüllen bereits ein Wirbel in die Strömung induziert (Fig. 2), sodass auch der komplette Innenraum des Druckbehälters 12 von dieser Strömung erfasst wird.

Durch das Strömungsleitelement 22, das in der Nebenöffnung der Hauptleitung 16 angeordnet ist, wird Fluid angesaugt (Venturi-Effekt), sodass eine Nebenströmung entsteht, die im Druckbehälter 12 zirkuliert. Durch die Nebenströmung wird Fluid, das eine hohe Temperatur aufweist und sich im hinteren, dem Injektor 14 abgewandten Bereich des Druckbehälters 12 befindet, mit dem kühlen, neu einströmenden Fluid vermischt. So wird die Temperatur des Fluides gesenkt, wodurch der Füllvorgang schneller erfolgen kann und das Fluid weniger vorgekühlt werden muss.

Es ist auch denkbar, dass die Hauptleitung mehrere Nebenöffnungen 24 aufweist, an denen je ein Strömungsleitelement 22 angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausführung ist es möglich, dass manche Strömungsleitelemente 22 Fluid ansaugen, während über andere Strömungsleitelemente 22 Fluid aus der Hauptleitung 16 in den Innenraum des Druckbehälters 12 ausströmt.

In einem größeren Druckbehälter 12 (Fig. 3) werden durch das Strömungsleitelement 22 mehrere Nebenströmungen, hier Wirbel, erzeugt, die das Fluid vermischen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei nebeneinanderliegende Zirkulationsströmungen im Druckbehälter 12 angedeutet. Durch die Strömung, die direkt neben dem Injektor 14 entsteht, wird auch das Fluid im hinteren Bereich des Druckbehälters 12 zum Zirkulieren gebracht. Daher können auch nicht standardmäßige Druckbehälter verwendet werden, z.B. längere oder sehr große Druckbehälter.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform des Injektors 14 dargestellt. Die zweite Ausführungsform des Injektors 14 entspricht im Wesentlichen der der ersten Ausführungsform, sodass im Folgenden lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei dem Injektor 14 gemäß Fig. 4 ist das Strömungsleitelement 22 als ein Leitblech ausgebildet.

Das Strömungselement 22 ist dabei schalenförmig ausgebildet und liegt mit seinen Rändern an der Hauptleitung 16 an, sodass durch das Strömungsleitelement 22 und die Hauptleitung 16 ein Nebenkanal gebildet wird.

Der Nebenkanal ist dabei in Richtung stromabwärts der Hauptleitung 16, also auf der Seite, die zur Hauptausströmöffnung 18 weist, offen und im Rest, d. h. auf der stromaufwärtigen Seite der Hauptleitung 16 und an den Seitenrändern geschlossen.

Das Fluid wird dabei durch die Nebenöffnung 24 angesaugt und strömt durch den Nebenkanal in die Hauptleitung 16 und vermischt sich dort mit dem neu eingefüllten Fluid.