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Die Erfindung betrifft ein thermisch auslösendes Sicherheitsventil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Sicherheitsventils.
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Thermisch auslösende Sicherheitsventile sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden überwiegend zur Sicherung von Druckgasbehältern eingesetzt, beispielsweise zur Sicherung von Gastanks, um im Falle einer übermäßigen Erwärmung, beispielsweise durch einen Brand, auszulösen und das Gas aus dem Druckgasbehälter abzulassen.
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In der
DE 199 11 530 A1 ist ein gattungsgemäßes thermisch auslösendes Sicherheitsventil beschrieben. Über einen Berstkörper, beispielsweise eine Glasampulle, welche mit einer leicht siedenden Flüssigkeit gefüllt ist, wird ein Verschlusselement dichtend in einer Ausströmöffnung gehalten, sodass das Innere des Druckgasbehälters durch das Verschlusselement in der Ausströmöffnung abgedichtet ist. Wird nun der Berstkörper zerstört, beispielsweise weil im Falle einer Erhitzung durch einen Brand die Flüssigkeit in seinem Inneren zu sieden beginnt, woraufhin der Berstkörper zerplatzt, dann gibt er den Weg frei für das Verschlusselement, welches vom Druck des Gases in dem Druckgasbehälter aus der Ausströmöffnung herausgedrückt wird, wonach das Gas durch die Ausströmöffnung abströmen kann.
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Bei dem beschriebenen Aufbau der
DE 199 11 530 A1 erfolgt nun die Abdichtung zwischen dem Verschlusselement und dem die Ausströmöffnung umgebenden Material durch ein Dichtelement, welches als radial wirkendes Dichtelement ausgebildet ist. Insbesondere für die Abdichtung von Druckgasbehältern mit sehr hohen Drücken, beispielsweise Wasserstoffbehältern mit einem Nenndruck von 70 MPa stellt dies jedoch eine unbefriedigende Art der Abdichtung dar. Neben der nicht zufriedenstellenden Dichtheit kann es beim Einsatz einer Radialdichtung und einem hierfür angepassten Verschlusselement auch zu einem Verkanten des Verschlusselements in dem Endbereich der Ausströmöffnung kommen. Dies führt zu einem gegebenenfalls sehr kleinen freigegebenen Querschnitt, was für eine zügige Entleerung des Druckgasbehälters unerwünscht ist, und was im schlimmsten Fall zu einer Fehlfunktion des Sicherheitsventils führen kann.
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Zum weiteren Stand der Technik soll außerdem auf die
DE 10 2008 018 561 A1 verwiesen werden. Das dort beschriebene Sicherheitsventil ist außerordentlich komplex und der Berstkörper wird hier als Anschlagelement für einen beweglichen Kolben genutzt, welcher einen konstanten Gasstrom beim Abblasen sicherstellt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein thermisch auslösendes Sicherheitsventil anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und neben einer sicheren und zuverlässigen Auslösung auch eine sichere und zuverlässige Abdichtung, insbesondere auch bei hohen Nenndrücken, gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein thermisch auslösendes Sicherheitsventil mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen. Außerdem ist in Anspruch 7 eine besonders bevorzugte Verwendung des thermisch auslösenden Sicherheitsventils angegeben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung der Verwendung aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.
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Bei dem erfindungsgemäßen thermisch auslösenden Sicherheitsventil ist es vorgesehen, dass das Dichtelement eine umlaufende Dichtlippe aufweist, welche entlang ihres Umfangs in Kontakt mit dem Verschlusselement steht. Die Abdichtung ist bei dem erfindungsgemäßen Aufbau also gezielt über eine Dichtlippe realisiert, um so eine sichere und zuverlässige Anlage an dem Verschlusselement zu gewährleisten.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass das Verschlusselement im Bereich der Abdichtung konisch ausgebildet ist, und sich in Richtung der Ausströmöffnung verjüngt. Dieser sich in Richtung der Ausströmöffnung verjüngende Konus kann nun ideal mit der Dichtlippe zusammenwirken, da hierdurch eine entsprechende Kombination aus radialer und axialer Abdichtung erzielt wird, insbesondere ohne die Nachteile einer rein axialen Abdichtung, wie dem Fließen des Materials des Dichtelements und daraus resultierende Undichtheiten aufzuweisen.
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Insbesondere erlaubt dieser Aufbau auch eine sichere und zuverlässige Abdichtung bei den kleinen Querschnitten, welche typischerweise bei thermisch auslösenden Sicherheitsventilen beispielsweise für Wasserstoffdruckgasspeicher eingesetzt werden, da diese Querschnitte entsprechend gering sind. Bei solch geringen Querschnitten beispielsweise mit einer lichten Weite von 2 bis 4 mm kann die Kombination aus Dichtlippe und Konus eine sehr gute Abdichtung gewährleisten.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des thermisch auslösenden Sicherheitsventils sieht es nun ferner vor, dass das Dichtelement auf seiner der Dichtlippe abgewandten Seite ohne dichtenden Eingriff mit dem die Ausströmöffnung umgebenden Material ausgebildet ist. Der im Bereich der Ausströmöffnung vorliegende Druck des Druckgasbehälters, beispielsweise ein Tankdruck in der Größenordnung von bis zu oder mehr als 100 MPa kann so auf die der Dichtlippe abgewandte Fläche des Dichtelements wirken. Durch diese Druckaktivierung wird das Dichtelement in Richtung der Dichtlippe und mit seiner Dichtlippe damit in Richtung des Verschlusselements gedrückt, sodass der in dem System vorliegende Druck dabei hilft, die Abdichtung sicher, zuverlässig und dicht zu gestalten. Dabei ist die Fläche des Dichtelements ohne dichtenden Eingriff größer als die Querschnittsfläche innerhalb der Berührungslinie der Dichtlippe mit dem Verschlusselement. Die druckaktivierte Fläche ist bei dieser vorteilhaften Weiterbildung also größer als die projizierte Dichtfläche durch die Dichtlippe. Hierdurch wird eine resultierende Kraft in Richtung des Verschlusselements auf das Dichtelement erzielt. So kann die Abdichtung sicher und zuverlässig durch den Druck des an dem thermisch auslösenden Sicherheitsventil anstehenden Gases unterstützt werden.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermisch auslösenden Sicherheitsventils sieht es nun ferner vor, dass das Dichtelement aus einem Dichtring mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt besteht, wobei der Dichtring auf seiner einen Seite eine konische Einsenkung aufweist, und wobei auf der Innenfläche der konischen Einsenkung die Dichtlippe angeordnet ist. Dieser Aufbau, insbesondere in Kombination mit dem konisch ausgestalteten Verschlusselement, erlaubt einen sehr kompakten und mechanisch zuverlässigen Aufbau, bei welchem idealerweise ein konischer Dichtspalt zwischen dem Dichtelement und dem Verschlusselement entsteht, in welchen die Dichtlippe ragt und für eine sichere und zuverlässige Abdichtung sorgt.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermisch auslösenden Sicherheitsventils sieht es ferner vor, dass der Berstkörper über eine Feder in Richtung des Verschlusselements vorgespannt ist. Eine solche Feder zum Einspannen bzw. Vorspannen des Berstkörpers in Richtung des Verschlusselements hat den Vorteil, dass einerseits Toleranzen ausgeglichen werden können und andererseits eine Vorspannung des Verschlusselements auf das Dichtelement bzw. die Dichtlippe realisiert werden kann. Dies bildet die Basis für eine gute Abdichtung, welche dann gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung idealerweise über die Druckaktivierung des Dichtelements nochmals weiter verbessert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermisch auslösenden Sicherheitsventils sieht es darüber hinaus vor, dass das Verschlusselement wenigstens eine Öffnung aufweist, und zwar auf einem Durchmesser, welcher größer als der Durchmesser der Anlage der Dichtlippe ist. Eine solche wenigstens eine Öffnung außerhalb des Durchmessers der Anlage der Dichtlippe stellt eine sichere und zuverlässige Kommunikation zwischen dem den Berstkörper aufweisenden Raum und dem zwischen dem Verschlusselement und der Dichtung befindlichen Raum sicher. Dies kann einerseits dazu dienen, dass geringfügige Leckagemengen sicher und zuverlässig abgeführt werden und es kann insbesondere dazu dienen, dass ein Abströmen des Gases aus der Ausströmöffnung bei ausgelöstem Berstkörper immer möglich ist, auch falls der Verschlusskörper sich mit dem ihn umgebenden Material gegebenenfalls verkantet hat und hierdurch den Öffnungsquerschnitt einengt. Durch die wenigstens eine Öffnung in dem Verschlusselement, in dem oben genannten Sinn, kann dann dennoch eine sichere und zuverlässige Abströmung unter allen Umständen gewährleistet werden.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen thermisch auslösenden Sicherheitsventils sieht es vor, dass dieses zur Absicherung eines Wasserstoffhochdruckspeichers mit einem Nenndruck von mindestens 60 MPa eingesetzt wird. Die Absicherung derartiger Wasserstoffhochdruckspeicher bei Nenndrücken von mehr als 60 Mpa, typischerweise bei Nenndrücken von derzeit 70 MPa stellt eine besondere Herausforderung an die Dichtung innerhalb des thermisch auslösenden Sicherheitsventils dar. Diese Herausforderungen können durch das erfindungsgemäße thermisch auslösende Sicherheitsventil in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungsvarianten ideal erfüllt werden, sodass bei einer derartigen Anwendung der besonders bevorzugte Einsatzzweck dieses Sicherheitsventils zu sehen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Verwendung kann es ferner vorgesehen sein, dass der Wasserstoffhochdruckspeicher zur Speicherung von Wasserstoff in einem Fahrzeug eingesetzt wird, insbesondere in einem über ein Brennstoffzellensystem angetriebenen Fahrzeug. Bei Fahrzeuganwendungen besteht grundsätzlich die Gefahr, dass das Fahrzeug in einen Unfall verwickelt wird. Hierdurch können sicherheitskritische Situationen wie beispielsweise Brände ausgelöst werden. Auch ist ein Radbrand bei Fahrzeugen nie gänzlich auszuschließen. In derartigen Situationen kann es dazu kommen, dass der bei einem Nenndruck von 70 MPa typischerweise auf 105 MPa ausgelegte Hochdruckspeicher so weit erwärmt wird, dass die Gefahr eines Berstens besteht. In diesem Fall muss ein sicheres und zuverlässiges thermisch auslösendes Sicherheitsventil vorhanden sein, welches einerseits eine sichere und zuverlässige Abdichtung im regulären Betrieb und andererseits ein sicheres Auslösen im Fehlerfall gewährleistet. Das erfindungsgemäße thermisch auslösende Sicherheitsventil ist hierfür besonders gut geeignet, sodass die besonders bevorzugte Verwendung desselben im Einsatz in einem Fahrzeug liegt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Sicherheitsventils sowie seiner Verwendung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug, welches mit Leistung aus einer Brennstoffzelle angetrieben werden kann; und
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2 eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform eines Sicherheitsventils gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses Fahrzeug 1 soll mit elektrischer Leistung aus einer Brennstoffzelle 2 angetrieben werden. Die elektrische Leistung wird über eine Leistungselektronik 3 entsprechend aufbereitet und einem angedeuteten Fahrmotor 4 zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle 2 selbst ist als sogenannter Stapel von Einzelzellen, als Brennstoffzellen-Stack ausgebildet. Sie ist Teil eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzellensystems, welches dem Fachmann jedoch im Prinzip geläufig ist, sodass hier auf eine sehr einfache schematische Darstellung zurückgegriffen werden kann. Einem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 wird Luft aus einer Luftfördereinrichtung 6 als Sauerstofflieferant zugeführt. Einem Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 zugeführt. Im Bereich des Druckgasspeichers 8 ist in an sich bekannter Art und Weise eine Ventileinrichtung 9 angeordnet, beispielsweise ein sogenanntes OTV (on tank valve), über welches der Anschluss des Druckgasspeichers an nachfolgende Einheiten zur Druckregelung und Dosierung oder dergleichen erfolgt.
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Teil dieser Ventileinrichtung 9 kann nun ein thermisch auslösendes Sicherheitsventil sein, welches dafür sorgt, dass der Druck in dem Druckgasspeicher 8 abgebaut wird, falls sich der Druckgasspeicher im Bereich des thermisch auslösenden Sicherheitsventils unerwünscht stark erwärmt. Das thermisch auslösende Sicherheitsventil, welches nachfolgend mit dem Bezugszeichen 10 versehen wird, ist in einer Schnittdarstellung der 2 zu erkennen. In einem mit 11 bezeichneten Material (Ventilgehäuse) des Sicherheitsventils 10 ist eine Ausnehmung 12 eingebracht, welche beispielsweise eingefräst oder eingebohrt werden kann. Zentral in dieser Ausnehmung 12 endet ein mit 13 bezeichnetes Leitungselement, welches mittelbar oder unmittelbar mit dem Inneren des Druckgasspeichers verbunden ist. In dem Leitungselement 13 herrscht damit der in dem Druckgasspeicher 8 vorliegende Druck, je nach Temperatur und Füllungszustand des Druckgasspeichers typischerweise ca. 1,5 bis 100 MPa. Das Leitungselement 13 erweitert sich dann im Bereich der Ausnehmung 12 auf einen sehr viel größeren Durchmesser. In diesem Bereich ist ein Dichtelement 14 angeordnet, auf welches später noch im Detail eingegangen wird. Im Zusammenspiel mit dem Dichtelement befindet sich im Anschluss daran ein Verschlusselement 15, welches durch einen Berstkörper 16, insbesondere eine mit leicht siedender Flüssigkeit gefüllten Glaskapillare in Position gehalten wird. Der Berstkörper 16 stützt sich dafür über eine Feder 17 auf einer typischerweise eingeschraubten Kappe 18 ab. Mit dem Einschrauben der Kappe wird eine Anlage des Verschlusselements 15 an dem Dichtelement 14 bewerkstelligt, wobei eine Vorspannung des Verschlusselements 15 gegen das Dichtelement 14 über die Feder 17 und mittelbar durch den Berstkörper 16 erreicht wird. Gleichzeitig kann über die Feder 17 eine gewisse Resttoleranz ausgeglichen werden. Das Material 11 des Sicherheitsventils 10 weist nun in der Darstellung der 2 eine erste Abströmöffnung 19 im Bereich des Materials 11 sowie eine zweite Abströmöffnung 20 in der Kappe 18 auf. Wird der Berstkörper 16 entsprechend zerstört, dann drückt der in dem Leitungselement 13 herrschende Innendruck das Verschlusselement 15 in der Darstellung der 2 nach rechts, wodurch eine Abströmung durch die beiden Abströmöffnungen 19, 20 möglich wird. Je nachdem, in welchen Bereich diese Öffnungen führen, ist zur Verhinderung dass Schmutz eingetragen wird, eine entsprechende Versiegelung beispielsweise durch einen Aufkleber oder dergleichen denkbar und sinnvoll.
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Das Verschlusselement 15 weist nun einerseits eine Mulde 21 zur Aufnahme des Berstkörpers auf. Diese ist zentral in dem Verschlusselement 15 angeordnet. Außerdem ist wenigstens eine Öffnung 22 vorgesehen, welche sicherstellt, dass Gase aus dem Bereich des Leitungselements 13 den Verschlusskörper 15 passieren können, wenn dieser vom Dichtelement 14 abgehoben ist. Um eine gute Abdichtung zu gewährleisten, ist es nun so, dass das Verschlusselement 15 auf seiner dem Leitungselement 13 zugewandten Seite einen Konus 23 aufweist. Dieser Konus 23 wirkt mit einer konischen Ausnehmung 24 in dem Dichtelement 14 zusammen. Auf der Innenfläche der konischen Ausnehmung 24 des Dichtelements ist nun eine Dichtlippe 25 umlaufend angeordnet. Diese kommt auf dem mit D1 bezeichneten Durchmesser in dichtenden Eingriff zu dem Konus 23 des Verschlusselements 15. Hierdurch wird die Abdichtung im regulären Betrieb realisiert und das auch als Ausströmöffnung bezeichnete Ende 26 des Leitungselements 13 wird sicher und zuverlässig verschlossen, sodass der in dem Druckgasspeicher 8 vorliegende Wasserstoff durch das Sicherheitsventil 10 nicht abströmen kann, solange der Berstkörper 16 nicht zerstört worden ist.
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Die zentrale Öffnung in dem Dichtelement 14 weist nun einen lichten Durchmesser von D2 auf, welcher in etwa dem Durchmesser des Leitungselements 13 entspricht. Die dem Leitungselement 13 bzw. der dem Leitungselement 13 zugewandten Seite der Ausnehmung 12 zugewandte Seite des Dichtelements 14, welche in der Figur mit 27 bezeichnet ist, steht dabei nicht in dichtendem Eingriff mit dem Material 11, welches die Ausnehmung 12 bzw. das Leitungselement 13 umgibt. Vielmehr kann der vorliegende Druck sich hier zwischen dem Material 11 und dem Dichtelement ausbreiten, sodass, da die mit 27 bezeichnete Fläche größer ist als die Projektion der Fläche innerhalb der Dichtlippe 25, eine resultierende Kraft auf das Dichtelement 14 in Richtung des Verschlusselements 15 erreicht werden. Durch diese Druckaktivierung hilft also der in dem Druckgasspeicher 8 vorliegende Druck dabei, die Abdichtung sicher und zuverlässig zu gewährleisten, weil das Dichtelement 14 mit seiner Dichtlippe 15 gegen den Konus 23 des Verschlusselements 15 gedrückt wird.
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Alles in allem entsteht so ein sehr zuverlässiger und dichter Aufbau, welcher in der Darstellung der 2 mit intaktem Berstkörper 16, also im nicht ausgelösten Zustand, gezeigt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19911530 A1 [0003, 0004]
- DE 102008018561 A1 [0005]
