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Die Erfindung betrifft eine Dichtungseinrichtung für einen in einem Ventilgehäuse beweglichen Entnahmekolben eines Ventils, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Dichtungseinrichtung.
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Ventile, insbesondere elektromagnetische Entnahmeventile, welche einen in einem Ventilgehäuse beweglichen Entnahmekolben aufweisen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden auch als Pilotventile bezeichnet, da sie häufig über eine sogenannte Pilotbohrung vom Druck des zu entnehmenden Gases selbst (mit-)gesteuert werden. In diesem Zusammenhang kann auf die
EP 1 682 801 B1 verwiesen werden. In der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2013 019 879 A1 ist ein weiterer verbesserter Aufbau eines derartigen Entnahmeventils beschrieben. Wie insbesondere in der zuletzt genannten Schrift ausgeführt, kann ein solches Entnahmeventil insbesondere in einem Druckgasspeicher montiert werden, in welchem komprimiertes Erdgas oder komprimierter Wasserstoff typischerweise bei Nenndrücken von 26 MPa bzw. 70 MPa gespeichert wird.
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Prinzipbedingt ist es in derartigen Ventilen so, dass der Entnahmekolben eine Anströmkammer für das Gas aus dem Druckgasspeicher in seiner einen Endposition von einer Abströmkammer für das entnommene Gas aus dem Druckgasspeicher trennt. Zwischen dem Entnahmekolben und einem Ventilgehäuse ist entsprechend eine Dichtungseinrichtung angeordnet, welche in der einen Endposition des Entnahmekolbens, welche der geschlossenen Ventilstellung entspricht, die Anströmkammer von der Abströmkammer trennt und diese gegeneinander abdichtet.
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Bei den Aufbauten im Stand der Technik weist diese Dichtung, welche häufig auch als Hauptdichtung bezeichnet wird, typischerweise ein Dichtungselement mit einer Dichtlippe auf. Über einen eingeschraubten Dichtungshalter wird die Dichtung in ihrer Position gehalten und entsprechend fixiert, um die an sie gestellten Dichtungsaufgaben ideal wahrnehmen zu können. Der eingeschraubte Dichtungshalter weist typischerweise mehrere über seinen Umfang verteilte Öffnungen auf, um so das Gas von der Anströmkammer im geöffneten Zustand des Entnahmekolbens an der Dichtlippe vorbei in die Abströmkammer strömen zu lassen. In der Praxis, und hier insbesondere bei unter sehr hohen Nenndrücken gespeicherten Gasen, kommt es nun dazu, dass die Dichtlippe von dem strömenden Gas mitbewegt wird, beispielsweise bei einem von außen anströmenden Gas, nach innen gedrückt. Da der Entnahmekolben typischerweise hochfrequent bewegt wird, kann es hierdurch zu einem Einklemmen der Dichtlippe zwischen dem Entnahmekolben und dem Ventilgehäuse kommen, sodass die Dichtlippe in diesem Fall nicht mit ihrem Dichtsitz zusammenwirkt, sondern durch andere Teile des Ventilgehäuses und/oder des Entnahmekolbens beschädigt werden kann. Dies stellt einen gravierenden Nachteil dar, da für eine Erneuerung der Dichtung typischerweise das Gas aus dem Druckgasspeicher abgelassen und das gesamte Entnahmeventil entsprechend demontiert werden muss, was einen erheblichen Aufwand darstellt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Dichtungseinrichtung für ein solches Ventil mit Entnahmekolben anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist, und eine langlebige und zuverlässige Funktionalität gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Dichtungseinrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 4 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung der Dichtungseinrichtung angegeben. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung der Verwendung aus dem abhängigen Unteranspruch.
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Bei der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung ist es vorgesehen, dass das Dichtungselement und der Dichtungshalter mit dem Entnahmekolben oder bevorzugt dem Ventilgehäuse verpresst ausgeführt sind. Anders als bei den Aufbauten im Stand der Technik, bei dem typischerweise das Dichtungselement eingepresst und der Dichtungshalter anschließend eingeschraubt wird, ist bei der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung sowohl das Dichtungselement als auch der Dichtungshalter verpresst. Ein solcher verpresster Aufbau des Dichtungselements und des Dichtungshalters ist außerordentlich einfach und effizient in der Montage. Außerdem kann beim Verpressen eine konkrete Winkelstellung sowohl des Dichtungselements als insbesondere auch des Dichtungshalters gewährleistet werden, anders als beim Verschrauben, wo sich entsprechend dem vorgegebenen Anzugsmoment unterschiedliche Winkelstellungen des Dichtungshalters einstellen. Der Dichtungshalter kann also je nach Winkellage unterschiedlich ausgestaltet sein und so ideal an die notwendige Funktionalität der Dichtungseinrichtung angepasst werden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung ist es vorgesehen, dass der Dichtungshalter mehrere Öffnungen zur Verbindung der Anströmkammer oder der Abströmkammer mit dem Bereich der Dichtlippe aufweist, wobei der Öffnungsquerschnitt der einzelnen Öffnungen sich entsprechend ihrer Lage entlang des Umfangs des Dichtungshalters ändert. Eine solche Anpassung und Veränderung des Öffnungsquerschnitts der einzelnen Öffnungen, entsprechend ihrer Winkellage am Umfang des Dichtungshalters, ermöglicht eine sehr gezielte Gasführung durch die Öffnungen des Dichtungshalters von der Anströmkammer in die Abströmkammer. Die Dichtlippe selbst, welche bei dieser Ausgestaltung idealerweise in Richtung der Anströmung hinter dem Dichtungshalter liegt, kann hierdurch geschont werden, da in kritischen Bereichen die Anströmung durch eine Verringerung des Querschnitts von Öffnungen im Bereich des Dichtungshalters reduziert werden kann. Hierdurch ist die Gefahr einer Verformung der Dichtlippe, mit einer anschließenden Beschädigung durch den sich bewegenden Entnahmekolben reduziert.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei außerdem vorgesehen sein, dass der Dichtungshalter von seiner einen Seite an seinem Außenumfang von dem zu entnehmenden Gas angeströmt ist, wobei die einzelnen Öffnungen einen zunehmenden Öffnungsquerschnitt aufweisen, je weiter sie von der Seite der Anströmung entfernt angeordnet sind. Ein solcher Aufbau ist ideal geeignet, um die oben beschriebene Thematik zu realisieren. Bei einer Anströmung lediglich von einer Seite, also einer Verbindung der Anströmkammer, welche die Dichtungseinrichtung insgesamt umgibt, mit dem Druckgasspeicher über lediglich ein Leitungselement, wird die Anströmung in diese beispielsweise ringförmige Anströmkammer also immer von einer Seite aus erfolgen. Hier wird einseitig eine relativ starke Strömung auftreten, während auf der gegenüberliegenden Seite der Anströmkammer lediglich eine kleinere Strömung auftritt. Werden nun die einzelnen Öffnungen in dem Dichtungshalter diesem Szenario angepasst, dann kann erreicht werden, dass eine gleichmäßige Überströmung der Dichtlippe erzielt wird, auch wenn das Gas ungleichmäßig in die Anströmkammer einströmt. Hierdurch wird eine ungleichmäßig starke Verformung der Dichtlippe, mit der Gefahr einer nachfolgenden Schädigung durch den sich bewegenden Entnahmekolben, auf ein absolutes Minimum reduziert.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung ist es nun ferner vorgesehen, dass der Dichtungshalter einen Stift aufweist, welcher mit einer Aussparung in dem Entnahmekolben oder dem Ventilgehäuse so zusammenwirkt, dass die Winkellage des Entnahmekolbens gegenüber dem Ventilgehäuse zumindest an der einen abdichtenden Endposition des Entnahmekolbens fixiert ist. Ein solcher Stift ist grundlegend auch aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Typischerweise wurde der eingeschraubte Dichtungshalter mit mehreren Löchern oder nachträglich mit einem Loch versehen, in welches der Stift eingesteckt werden konnte. Dies ist außerordentlich aufwändig und fehleranfällig. Wenn nun der Dichtungshalter unmittelbar einen Stift aufweist, insbesondere einstückig mit diesem Stift verbunden ist, dann kann durch den eingepressten Dichtungshalter eine sichere und zuverlässige Winkellage des Stifts beispielsweise gegenüber dem Entnahmekolben, wenn die Dichtungseinrichtung im Ventilgehäuse angeordnet ist, erzielt werden. Der Stift wirkt dann mit einer entsprechenden Ausnehmung, in dem zuvor bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer entsprechenden Ausnehmung in dem Entnahmekolben, zusammen. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Entnahmekolben seine Winkellage, zumindest beim Erreichen des Endbereichs, nicht verändert. Dies bewirkt eine deutliche Verbesserung der Abdichtung, weil sich die Oberfläche der Dichtlippe und der Dichtsitz mit zunehmendem Betrieb des Ventils mit der Dichtungseinrichtung zunehmend aneinander anpassen, sodass durch die sich einstellende Ausgestaltung der korrespondierenden Oberflächen eine deutlich bessere Abdichtung erzielt wird. Würde sich der Entnahmekolben während des Betriebs ständig in seiner Winkellage verdrehen, dann wäre dies nicht der Fall und die Abdichtung würde entsprechend schlechter werden. Insbesondere bei einer Abdichtung gegen Medien unter hohem Druck, beispielsweise Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa, spielt das sich über die Betriebsdauer einstellende Zusammenspiel zwischen der Dichtlippe und dem Dichtsitz jedoch eine entscheidende Rolle für die Qualität der Abdichtung. Durch den Stift kann dies nun sehr einfach und effizient erzielt werden, wobei durch das winkelgenaue Einpressen des Dichtungshalters, mit dem in den Dichtungshalter integrierten Stift, eine sehr einfache und effiziente Montage mit einer hohen Abdichtwirkung erzielt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung soll bevorzugt in einem Magnetventil zur Entnahme von Gas aus einem Druckgasspeicher verwendet werden. Dieser Aufbau, welcher häufig als in oder an dem Druckgasspeicher montiertes Ventil realisiert wird - sogenanntes On Tank Valve (OTV) - kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung besonders einfach, effizient, dicht und zuverlässig realisiert werden. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung ermöglicht dabei eine so gute und zuverlässige Abdichtung, dass er insbesondere auch zur Abdichtung von Druckgasspeichern zur Speicherung von komprimiertem Erdgas oder besonders bevorzugt von Wasserstoff in Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Dies ist die besonders bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung bzw. eines mit der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung versehenen Ventils.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Dichtungseinrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Druckgasspeicher;
- 2 einen Detailausschnitt aus einer sehr stark schematisierten Darstellung einer Dichtungseinrichtung gemäß der Erfindung in einem Entnahmeventil; und
- 3 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung gemäß der Linie III - III in 2.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet. Dieses Fahrzeug 1 soll über einen elektrischen Antriebsmotor 2 in an sich bekannter Art und Weise elektrisch angetrieben werden. Die zum elektrischen Antrieb benötigte Leistung wird dabei über eine Leistungselektronik 3 aufbereitet. Die Leistungsversorgung erfolgt mittels einer Brennstoffzelle 4, welche beispielsweise als Stapel von Einzelzellen aufgebaut ist. Der Brennstoffzelle 4 wird in dieser sehr stark schematisierten Darstellung eines Brennstoffzellensystems Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 5 zur Verfügung gestellt. Neben der kathodenseitigen Luftversorgung der Brennstoffzelle 4 ist außerdem eine anodenseitige Wasserstoffversorgung notwendig. Diese wird aus einem Druckgasspeicher 6 realisiert, welcher mit einem Ventil 7, typischerweise einem sogenannten OTV (On Tank Valve) versehen ist. Das entnommene Gas wird in einer Druckregelungs- und Dosiereinheit 8 in Druck und gewünschter Menge angepasst der Brennstoffzelle 4 zugeführt. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt, sodass auf eine weitere Detailierung des Brennstoffzellensystems sowie des Fahrzeugs 1 nicht weiter eingegangen werden muss.
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Im Bereich des Ventils 7 ist zur Entnahme des in dem Druckgasspeicher 6 gespeicherten Gases typischerweise ein Entnahmeventil realisiert, welches als elektromagnetisch aktivierbares Pilotventil ausgebildet ist. Ein solches Ventil weist einen Entnahmekolben auf, welcher einerseits elektromagnetisch angesteuert und andererseits durch die Druckkräfte des in dem Druckgasspeicher 6 gespeicherten Gases unterstützt, die Entnahme des Gases aus dem Druckgasspeicher 6 ermöglicht. Hinsichtlich eines derartigen Ventils soll auf die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2013 019 879 A1 der Anmelderin verwiesen werden.
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Ein Ausschnitt aus einem derartigen Ventil 7 ist in der Darstellung der 2 in einer sehr stark schematisierten Ansicht zu erkennen. Eine Dichtungseinrichtung 9 ist zwischen einer Anströmkammer 10, welche über einen Leitungsabschnitt 11 mit dem Inneren des Druckgasspeichers 6 verbunden ist, und einer Abströmkammer 12, welche mit der Druckregel- und Dosiereinheit 8 verbunden ist, angeordnet. Die Dichtungseinrichtung 9 besteht im Wesentlichen aus einem Dichtungselement 13 sowie einem Dichtungshalter 14. Das Dichtungselement 13 weist eine Dichtlippe 15 auf, welche mit einem am Dichtsitz ausbildenden Entnahmekolben 16 zusammenwirkt. Der Entnahmekolben 16 ist dabei, wie es durch den Doppelpfeil angedeutet ist, innerhalb des Ventilgehäuses 17 beweglich ausgebildet und kann so in seiner einen Endposition in dichtendem Eingriff mit dem Dichtungselement 13 bzw. seiner Dichtlippe 15 dafür sorgen, dass die Anströmkammer 10 gegenüber der Abströmkammer 12 abgedichtet ist und kann in einer gegenüber der Darstellung in 2 nach oben verschobenen Position entsprechend dafür sorgen, dass eine Verbindung zwischen der Abströmkammer 12 und der Anströmkammer 10 durch einen Spalt zwischen der Dichtlippe 15 und dem Entnahmekolben 16 entsteht. Der Dichtungshalter 14 der Dichtungseinrichtung 9 ist in dem Ventilgehäuse 17 eingepresst, sodass eine Presspassung zwischen seiner mit 18 bezeichneten größten Umfangsfläche und dem Ventilgehäuse 17 auftritt. Zusätzlich weist er einen Abschnitt mit verringertem Außenumfang auf, welcher in der Darstellung der Figur mit dem Bezugszeichen 19 versehen ist. Dieser Abschnitt 19 des Dichtungshalters 14 steht mit der Anströmkammer 10 einerseits und dem Bereich, in dem die Abdichtung zwischen der Dichtlippe 15 und dem Entnahmekolben 16 auftritt, andererseits über mehrere über seinen Umfang verteilte Öffnungen 20 in Verbindung. In der Darstellung der 2 ist lediglich eine der Öffnungen 20 zu erkennen. In der prinzipmäßigen Schnittdarstellung gemäß der Linie III - III in 3 sind nun mehrere dieser Öffnungen 20 zu erkennen. Auf ihre Größe und Anordnung wird nachfolgend noch näher eingegangen.
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Der Dichtungshalter 14 weist außerdem, wie es in der Darstellung der 2 zu erkennen ist, an seinem der Dichtung abgewandten Ende einen Stift 21 auf, welcher mit einer Öffnung 22 in dem Entnahmekolben 16 korrespondiert. Hierdurch ist beim Einsetzen des Entnahmekolbens 16 eine definierte Winkelstellung des Entnahmekolbens 16 gewährleistet, sodass dieser sich bei seiner axialen Bewegung nicht auch rotatorisch bewegt und somit immer in exakt derselben fixierten Winkellage mit der Dichtlippe 15 des Dichtungselements 13 zusammentrifft. Hierdurch wird eine sichere und zuverlässige Abdichtung gewährleistet.
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Bei der Entnahme von Gas, also bei geöffnetem Entnahmekolben 16, strömt 11 das Gas durch den Leitungsabschnitt in die Anströmkammer 10 ein. In der Darstellung der 3 ist dies durch den mit 11 gekennzeichneten Pfeil bespielhaft angedeutet. Ohne die Öffnungen 20 oder bei gleichmäßig über den Umfang des Abschnitts 19 des Dichtungshalters 14 verteilten Öffnungen 20 würde die Dichtlippe nun unterschiedlich stark von dem strömenden Gas, welches entlang der Dichtlippe von der Anströmkammer 10 in die Abströmkammer 12 strömt, verformt. Hierdurch besteht die Gefahr, dass die Dichtlippe in unerwünschter Weise mit dem Entnahmekolben 16 zusammenwirkt und hierdurch beschädigt wird. Um dies zu verhindern, sind die Öffnungen 20 so angeordnet, wie es in der Darstellung der 3 zu erkennen ist. Je weiter auf dem Umfang entfernt von der Richtung der mit 11 gekennzeichneten Anströmung in der Darstellung der 3 die Öffnungen 20 sind, desto größer wird ihr Öffnungsquerschnitt. Folgt man ausgehend vom Bereich der Anströmung 11 den einzelnen Öffnungen im Uhrzeigersinn, so ist bei der ersten Öffnung 20 ein sehr kleiner Querschnitt, bei der zweiten Öffnung 20 ein mittlerer und bei der dritten Öffnung 20, welche der Anströmung 11 genau gegenüberliegt, ein sehr großer Querschnitt zu erkennen. Durch diese Aufteilung der Öffnungsquerschnitte der Öffnungen 20 wird eine gleichmäßige Anströmung der Dichtlippe 15 bei der Entnahme von Gas erreicht. Eine Beschädigung durch eine ungleiche Anströmung und eine damit einhergehende Verformung der Dichtlippe, sodass es nachfolgend zu einem unerwünschten und die Dichtlippe 15 schädigenden Kontakt mit dem Entnahmekolben 16 kommt, kann so ausgeschlossen werden. Dies wird insbesondere dadurch möglich, da durch das Einpressen des Dichtungshalters 14 in das Ventilgehäuse 17 seine Winkellage vor der Montage bestimmt werden kann und sich dann nicht mehr ändert. Dies gilt auch für die exakte Anordnung des Stifts 21, dessen Winkellage ebenfalls fest vorgegeben ist, und so insbesondere durch den in das Ventilgehäuse 17 eingepressten Dichtungshalter 14 besonders einfach und effizient möglich wird.
