DE102020212066A1

DE102020212066A1 - Absperrventil für einen Druckgasbehälter, Druckgasbehälter

Info

Publication number: DE102020212066A1
Application number: DE102020212066.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Stuke; Olaf Ohlhafer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2022-03-31
Also published as: WO2022063492A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Absperrventil (1) für einen Druckgasbehälter (20), umfassend ein axial bewegliches Schließelement (2) zum Herstellen und Unterbrechen einer Verbindung zwischen einem Ventileinlass (3) und einem Ventilauslass (4), wobei das Schließelement (2) in Schließrichtung durch die Federkraft einer Schließfeder (5) vorgespannt ist, ferner umfassend eine Aktorik (6) zum Öffnen des Schließelements (2) entgegen der Federkraft der Schließfeder (5). Erfindungsgemäß begrenzt das Schließelement (2) in axialer Richtung einen ersten Druckraum (7) und einen zweiten Druckraum (9) und ist von einer die beiden Druckräume (7, 9) verbindenden Axialbohrung (8) durchsetzt, so dass beidseits am Schließelement (2) der gleiche Druck anliegt. Das Schließelement (2) weist dabei eine mit einem ersten gehäuseseitigen Dichtsitz (10) zusammenwirkende erste Dichtfläche (11) und eine mit einem zweiten gehäuseseitigen Dichtsitz (12) zusammenwirkende zweite Dichtfläche (13) zur Verbindung der beiden Druckräume (7, 9) mit einem weiteren Druckraum (14) auf.Die Erfindung betrifft ferner einen Druckgasbehälter (20) mit einem erfindungsgemä-ßen Absperrventil (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Absperrventil für einen Druckgasbehälter mit dem Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Druckgasbehälter mit einem derartigen Absperrventil. Der Druckgasbehälter soll insbesondere zur Bevorratung von Wasserstoff eingesetzt werden können, vorzugsweise in mobilen Anwendungen, beispielsweise in Brennstoffzellen-Fahrzeugen.
Stand der Technik
Brennstoffzellen-Fahrzeuge benötigen zum Betrieb der Brennstoffzellen Wasserstoff und Sauerstoff. Während der Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen werden kann, wird der Wasserstoff in der Regel in Druckgasbehältern an Bord des Fahrzeugs mitgeführt. Der Druck in diesen Behältern liegt üblicherweise über 500 bar.
Die Entnahme von Wasserstoff aus einem Druckgasbehälter erfolgt in der Regel über ein elektrisch ansteuerbares Absperrventil des Druckgasbehälters. Dieses öffnet gegen den Druck im Druckgasbehälter. Da für den notwendigen Durchfluss ein vergleichsweise großer Querschnitt geöffnet werden muss, wird eine hohe initiale Öffnungskraft benötigt. Im Fall eines elektromagnetisch betätigten Absperrventils, das direkt geschaltet wird, bedeutet dies, dass große Magnetkräfte aufgebracht werden müssen. Alternativ kann ein indirekt geschaltetes Absperrventil verwendet werden, das beispielsweise über ein Pilotventil geschaltet wird. Durch Öffnen eines zunächst kleinen Querschnitts kann ein Druckausgleich bewirkt werden, so dass für das anschließende vollständige Öffnen des Absperrventils weniger Kraft benötigt wird.
Indirekt geschaltete Ventile weisen jedoch im Vergleich zu direkt geschalteten Ventilen den Nachteil auf, dass es aufgrund des zunächst herzustellenden Druckausgleichs in der Regel zu einem Zeitverzug kommt. Der Zeitverzug hängt dabei insbesondere vom Volumen stromabwärts des Absperrventils ab, das es zur Herstellung des Druckausgleichs zu befüllen gilt. Aufgrund des Zeitverzugs wird der erforderliche maximale Wasserstoffstrom den Brennstoffzellen verzögert zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Zeitverzug beim Öffnen eines druckausgeglichenen Absperrventils zu minimieren. Zur Lösung der Aufgabe wird das Absperrventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Druckgasbehälter mit einem derartigen Absperrventil angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das für einen Druckgasbehälter vorgeschlagene Absperrventil umfasst ein axial bewegliches Schließelement zum Herstellen und Unterbrechen einer Verbindung zwischen einem Ventileinlass und einem Ventilauslass. Das Schließelement ist in Schließrichtung durch die Federkraft einer Schließfeder vorgespannt. Das Absperrventil umfasst ferner eine Aktorik zum Öffnen des Schließelements entgegen der Federkraft der Schließfeder. Erfindungsgemäß begrenzt das Schließelement einen ersten Druckraum und einen zweiten Druckraum und ist von einer die beiden Druckräume verbindenden Axialbohrung durchsetzt, so dass beidseits am Schließelement der gleiche Druck anliegt. Das Schließelement weist zudem eine mit einem ersten gehäuseseitigen Dichtsitz zusammenwirkende erste Dichtfläche sowie eine mit einem zweiten gehäuseseitigen Dichtsitz zusammenwirkende zweite Dichtfläche zur Verbindung der beiden Druckräume mit einem weiteren Druckraum auf.
In Abhängigkeit von der axialen Lage des Schließelements ist entweder eine Verbindung der beiden Druckräume mit dem weiteren Druckraum hergestellt oder unterbrochen. Das heißt, dass beide Dichtsitze zeitgleich offen oder geschlossen sind.
Über die das Schließelement durchsetzende Axialbohrung ist eine permanente Verbindung zwischen den beiden Druckräumen sichergestellt, so dass am Schließelement ein Druckgleichgewicht herrscht bzw. das Schließelement druckausgeglichen ist. Zum Öffnen des Absperrventils muss im Wesentlichen nur noch die Federkraft der Schließfeder überwunden werden, so dass die zum Öffnen vorgesehene Aktorik entsprechend klein ausgelegt werden kann.
Dadurch, dass am Schließelement ein Druckgleichgewicht herrscht, kann beim Öffnen des Absperrventils der Zeitverzug bis zum Darstellen eines maximalen Massenstroms minimiert werden.
Zur Herstellung des Druckgleichgewichts liegen sich die beiden über die Axialbohrung verbundenen Druckräume am Schließelement gegenüber. Das heißt, dass jeder Druckraum von einer Stirnfläche des Schließelements begrenzt wird.
Bevorzugt sind die beiden Dichtsitze jeweils ringförmig ausgebildet und weisen im Wesentlichen gleich große Sitzdurchmesser auf. Damit gleichen sich die öffnend und schließend auf das Schließelement wirkenden Druckkräfte im Wesentlichen aus.
Des Weiteren bevorzugt sind die beiden Dichtsitze jeweils aus einem Elastomermaterial gefertigt. Auf diese Weise kann die Dichtheit der Dichtsitze optimiert werden. Zugleich können fertigungs- und/oder montagebedingte Längentoleranzen sowie durch Druck- und/oder Temperaturänderungen hervorgerufene Längenänderungen über das Elastomermaterial ausgeglichen werden.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die mit den Dichtsitzen zusammenwirkenden Dichtflächen des Schließelements jeweils eine ringförmige Dichtkontur in Form eines Dichtwulsts oder einer Dichtkante aufweisen. In diesem Fall definiert die ringförmige Dichtkontur den effektiven Sitzdurchmesser des jeweiligen Dichtsitzes. Der effektive Sitzdurchmesser eines Dichtsitzes kann somit genau vorgegeben werden.
Die beiden Dichtflächen sind vorzugsweise jeweils koaxial in Bezug auf eine Längsachse des Schließelements angeordnet. Die Dichtflächen werden somit in Schließstellung des Schließelements gleichmäßig gegen den jeweils zugehörigen Dichtsitz gedrückt. Vorteilhafterweise wird die hierzu erforderliche Kraft durch eine koaxial angeordnete Schließfeder realisiert. Diese kann beispielsweise als eine koaxial zur Längsachse des Schließelements angeordnete Schraubendruckfeder ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht der Ventileinlass mit den beiden Druckräumen in Verbindung, die über die das Schließelement durchsetzende Axialbohrung verbunden sind. Im Ventileinlass und in den beiden Druckräumen herrscht somit der gleiche Druck. Der Ventilauslass ist in diesem Fall mit dem weiteren Druckraum verbunden. Durch Öffnen der beiden Dichtsitze kann somit eine Verbindung des Ventileinlasses mit dem Ventilauslass hergestellt werden. Der Ventilauslass ist vorzugsweise als eine vom weiteren Druckraum abzweigende, im Wesentlichen radial verlaufende Gehäusebohrung ausgebildet. Der Ventilauslass kann somit platzsparend angeordnet werden.
In Verbindung mit einem Druckgasbehälter für ein Medium, wie beispielsweise Wasserstoff, muss das Absperrventil in beide Richtungen durchströmbar sein. Denn einerseits muss Wasserstoff aus dem Druckgasbehälter entnehmbar sein, andererseits muss ein leerer Druckgasbehälter erneut mit Wasserstoff befüllbar sein. Zum erneuten Befüllen bzw. Betanken muss das Absperrventil überdrückt werden, so dass dieses öffnet. Um im Betankungsfall das Öffnen des Absperrventils zu erleichtern, können die Sitzdurchmesser der beiden Dichtsitze geringfügig variieren, so dass die in Öffnungsrichtung auf das Schließelement wirkenden Kräfte überwiegen und das Absperrventil leichter überdrückt werden kann.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Ventilauslass über einen Verbindungskanal und ein Rückschlagventil mit dem zweiten Druckraum verbindbar ist, wobei das Rückschlagventil in Richtung des zweiten Druckraums öffnet. Bei der Entnahme von Wasserstoff aus dem Druckgasbehälter ist das Rückschlagventil geschlossen, so dass der zusätzliche Verbindungskanal die Wirkungsweise des Absperrventils nicht beeinflusst. Im Betankungsfall strömt Wasserstoff zusätzlich über das Rückschlagventil in den zweiten Druckraum, so dass die innerhalb des Sitzdurchmessers des zweiten Dichtsitzes liegende Wirkfläche des Schließelements ebenfalls mit Wasserstoff beaufschlagt wird. In diesem Fall überwiegen die in Öffnungsrichtung auf das Schließelement wirkenden Kräfte deutlich, so dass das Absperrventil noch leichter überdrückt werden kann.
Die Aktorik zum Öffnen des Absperrventils umfasst vorzugsweise eine ringförmige Magnetspule zum Einwirken auf einen Magnetanker. Das heißt, dass das Absperrventil mittels Magnetkraft geöffnet wird. Da die druckausgeglichene Ausführung des Schließelements nur eine geringe Öffnungskraft erfordert, kann die Magnetspule entsprechend klein dimensioniert sein. Der Magnetanker, auf den die Magnetspule einwirkt, kann mit dem Schließelement verbunden sein oder durch das Schließelement ausgebildet werden. Das heißt, dass das Schließelement zugleich als Magnetanker fungieren kann, so dass ein separater Magnetanker entfällt.
Darüber hinaus wird ein Druckgasbehälter zur Bevorratung von Wasserstoff vorgeschlagen, der ein erfindungsgemäßes Absperrventil umfasst. Der Ventileinlass des Absperrventils ist dabei mit einem Speichervolumen des Druckgasbehälters verbunden, so dass im Ventileinlass der gleiche Druck wie im Speichervolumen herrscht. Da der Ventileinlass mit zwei Druckräumen verbunden ist, die sich am Schließelement des Absperrventils gegenüberliegen, herrscht in beiden Druckräumen Speicherdruck. Beidseits am Schließelement liegt somit der gleiche Druck an, so dass das Schließelement druckausgeglichen ist. Das Öffnen des Schließelements kann somit unabhängig vom Speicherdruck im Druckgasbehälter mit minimalem Zeitverzug bewirkt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform in Schließstellung,
2 einen schematischen Längsschnitt durch das Absperrventil der 1 in Offenstellung und
3 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform in Schließstellung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in den 1 und 2 dargestellte Absperrventil 1 für einen Druckgasbehälter 20 weist ein Gehäuse 18 auf, in dem ein Schließelement 2 zum Herstellen und Unterbrechen einer Verbindung zwischen einem Ventileinlass 3 und einem Ventilauslass 4 hubbeweglich aufgenommen ist. Das Schließelement 2 ist in Schließrichtung durch die Federkraft einer Schließfeder 5 vorgespannt, die vorliegend als Schraubendruckfeder ausgeführt und an einer ersten Stirnfläche 2.1 des Schließelements 2 axial abgestützt ist. Die Schließfeder 5 hält das Schließelement 2 in Schließstellung (siehe 1).
Zum Öffnen des Absperrventils 1 ist eine Aktorik 6 vorgesehen, die vorliegend eine im Gehäuse 18 aufgenommene ringförmige Magnetspule 15 umfasst. Bei einer Bestromung der Magnetspule 15 bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft auf einen Magnetanker 16 einwirkt, der vorliegend durch das Schließelement 2 ausgebildet wird. Aufgrund der Magnetkraft, die der Federkraft der Schließfeder 5 entgegengesetzt ist und die zudem größer als die Federkraft der Schließfeder 5 ist, bewegt sich das Schließelement 2 in Richtung eines Innenpolkörpers 17. Da das Schließelement 2 weitestgehend druck- bzw. kraftausgeglichen ist, muss zum Öffnen des Absperrventils 1 im Wesentlichen nur die Federkraft der Schließfeder 5 überwunden werden. In der 2 ist das Absperrventil 1 in der Offenstellung, das heißt bei bestromter Aktorik 6, dargestellt.
Um den Druckausgleich am Schließelement 2 herzustellen, ist jeweils beidseits des Schließelements 2 ein mit dem Ventileinlass 3 in Verbindung stehender Druckraum 7, 9 ausgebildet. Die beiden Druckräume 7, 9 sind über eine das Schließelement 2 durchsetzende Axialbohrung 8 verbunden. Die Axialbohrung 8 erstreckt sich von der ersten Stirnfläche 2.1 bis zu einer zweiten Stirnfläche 2.2 des Schließelements 2. In beiden Druckräumen 7, 9 herrscht somit der gleiche Druck, und zwar der Druck, der auch im Ventileinlass 3 herrscht.
Zwischen den beiden mit dem Ventileinlass 3 verbundenen Druckräumen 7, 9 ist ein weiterer Druckraum 14 angeordnet, der mit dem Ventilauslass 4 in Verbindung steht. Der weitere Druckraum 14 ist in der Schließstellung des Schließelements 2 (siehe 1) von den beiden mit dem Ventileinlass 3 verbundenen Druckräumen 7, 9 getrennt. Die Trennung wird über zwei Dichtflächen 11, 13 des Schließelements 2 bewirkt, die jeweils koaxial in Bezug auf eine Längsachse A des Schließelements 2 angeordnet sind und mit gehäuseseitigen Dichtsitzen 10, 12 zusammenwirken. Zur Ausbildung der Dichtflächen 11, 13 weist das Schließelement 2 an seinen beiden Enden jeweils einen Bundabschnitt 19 auf. Die gehäuseseitigen Dichtsitze 10, 11 werden durch Ringe aus Elastomermaterial ausgebildet.
Das in den 1 und 2 dargestellte Absperrventil 1 ist mit einem Druckgasbehälter 20 verbunden, so dass der Ventileinlass 3 des Absperrventils 1 in Verbindung mit einem Speichervolumen 21 des Druckgasbehälters 20 steht. Im Ventileinlass 3 herrscht somit der Speicherdruck des Speichervolumens 21. Das Öffnen des Absperrventils 1 kann dennoch unabhängig vom Speicherdruck im Druckgasbehälter 20 bewirkt werden, da der Speicherdruck beidseits am Schließelement 2 anliegt, so dass ein Druckgleichgewicht herrscht.
Das in der 3 dargestellte Absperrventil 1 unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen lediglich dadurch, dass der Ventilauslass 4 über einen Verbindungskanal 22 und ein Rückschlagventil 23 mit dem zweiten Druckraum 9 unterhalb des Schließelements 2 verbindbar ist. Das Absperrventil 1 kann somit zum Befüllen bzw. Betanken des Druckgasspeichers 20 leichter überdrückt werden, da die auf das Schließelement 2 wirkenden Öffnungskräfte überwiegen.

Claims

Absperrventil (1) für einen Druckgasbehälter (20), umfassend ein axial bewegliches Schließelement (2) zum Herstellen und Unterbrechen einer Verbindung zwischen einem Ventileinlass (3) und einem Ventilauslass (4), wobei das Schließelement (2) in Schließrichtung durch die Federkraft einer Schließfeder (5) vorgespannt ist, ferner umfassend eine Aktorik (6) zum Öffnen des Schließelements (2) entgegen der Federkraft der Schließfeder (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (2) in axialer Richtung einen ersten Druckraum (7) und einen zweiten Druckraum (9) begrenzt und von einer die beiden Druckräume (7, 9) verbindenden Axialbohrung (8) durchsetzt ist, so dass beidseits am Schließelement (2) der gleiche Druck anliegt, und wobei das Schließelement (2) eine mit einem ersten gehäuseseitigen Dichtsitz (10) zusammenwirkende erste Dichtfläche (11) und eine mit einem zweiten gehäuseseitigen Dichtsitz (12) zusammenwirkende zweite Dichtfläche (13) zur Verbindung der beiden Druckräume (7, 9) mit einem weiteren Druckraum (14) aufweist.
Absperrventil (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtsitze (10, 12) jeweils ringförmig ausgebildet sind und im Wesentlichen gleich große Sitzdurchmesser aufweisen.
Absperrventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtsitze (10, 12) jeweils aus einem Elastomermaterial gefertigt sind.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtflächen (11, 13) jeweils eine ringförmige Dichtkontur in Form eines Dichtwulsts oder einer Dichtkante aufweisen.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtflächen (11, 13) jeweils koaxial in Bezug auf eine Längsachse (A) des Schließelements (2) angeordnet sind.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventileinlass (3) mit den beiden Druckräumen (7, 9) in Verbindung steht und der Ventilauslass (4) mit dem weiteren Druckraum (14) verbunden ist.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilauslass (4) über einen Verbindungskanal (22) und ein Rückschlagventil (23) mit dem zweiten Druckraum (9) verbindbar ist, wobei das Rückschlagventil (23) in Richtung des zweiten Druckraums (9) öffnet.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktorik (6) eine ringförmige Magnetspule (15) zum Einwirken auf einen Magnetanker (16) umfasst, der vorzugsweise mit dem Schließelement (2) verbunden ist oder durch das Schließelement (2) ausgebildet wird.
Druckgasbehälter (20) zur Bevorratung von Wasserstoff, umfassend ein Absperrventil (1) nach einem der Ansprüche, wobei der Ventileinlass (3) des Absperrventils (1) mit einem Speichervolumen (21) des Druckgasbehälters (20) verbunden ist, so dass im Ventileinlass (3) der gleiche Druck wie im Speichervolumen (21) herrscht.