DE102021205684A1 - Shut-off valve for hydrogen tank systems, hydrogen tank system and use of a shut-off valve in a hydrogen tank system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Absperrventil (1) für Wasserstofftanksysteme, umfassend ein Hauptventil (2) und ein Steuerventil (3) zur Steuerung des Hauptventils (2), wobei das Hauptventil (2) einen in einem Ventilgehäuse (4) hin und her beweglich aufgenommenen Ventilkolben (5) aufweist, der mit einem im Ventilgehäuse (4) ausgebildeten Ventilsitz (6) zusammenwirkt, und wobei das Steuerventil (3) einen koaxial zum Ventilkolben (5) angeordneten hin und her beweglichen Steuerkolben (7) aufweist, der mit einem im Ventilkolben (5) ausgebildeten Dichtsitz (8) zum Freigeben und Verschließen einer im Ventilkolben (5) ausgebildeten Ablaufdrossel (9) zusammenwirkt, so dass über die Bewegungen des Steuerkolbens (7) ein Steuerdruck in einem Steuerraum (10) veränderbar ist, der von dem Ventilkolben (5) begrenzt wird.
Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil (1) sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Absperrventils (1) in einem Wasserstofftanksystem.
The invention relates to a shut-off valve (1) for hydrogen tank systems, comprising a main valve (2) and a control valve (3) for controlling the main valve (2), the main valve (2) having a valve piston accommodated so that it can move back and forth in a valve housing (4). (5) which interacts with a valve seat (6) formed in the valve housing (4), and wherein the control valve (3) has a reciprocating control piston (7) which is arranged coaxially with the valve piston (5) and which has a control piston in the valve piston (5) formed sealing seat (8) to release and close an outlet throttle (9) formed in the valve piston (5), so that via the movements of the control piston (7) a control pressure in a control chamber (10) can be changed, which is controlled by the valve piston (5) is limited.
The invention also relates to a hydrogen tank system with a shut-off valve (1) according to the invention and the use of a shut-off valve (1) according to the invention in a hydrogen tank system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme. Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Absperrventils in einem Wasserstofftanksystem.The invention relates to a shut-off valve for hydrogen tank systems. Furthermore, the invention relates to a hydrogen tank system with a shut-off valve according to the invention and the use of a shut-off valve according to the invention in a hydrogen tank system.
Stand der TechnikState of the art
Wasserstofftanksysteme dienen der Bevorratung von Wasserstoff, beispielsweise an Bord eines Fahrzeugs, insbesondere an Bord eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Wasserstofftanksysteme umfassen hierzu in der Regel mehrere Druckgasbehälter, die mit Hilfe einer Rahmenstruktur zusammengefasst und am Fahrzeug, üblicherweise unterhalb des Chassis, befestigt werden. Da die Druckgasbehälter unter hohem Druck stehen, sind bestimmte Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Diese sehen unter anderem ein Absperrventil vor, mittels dessen der Druckgasbehälter, beispielsweise im Falle eines Unfalls, separat abgesperrt werden kann, um den Austritt von Gas zu verhindern.Hydrogen tank systems are used to store hydrogen, for example on board a vehicle, in particular on board a fuel cell vehicle. For this purpose, hydrogen tank systems generally comprise several pressurized gas containers which are combined using a frame structure and attached to the vehicle, usually underneath the chassis. Since the compressed gas tanks are under high pressure, certain safety requirements must be met. Among other things, these provide for a shut-off valve, by means of which the pressurized gas container can be shut off separately, for example in the event of an accident, in order to prevent gas from escaping.
Aus der
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme anzugeben, das die hohen Sicherheitsanforderungen erfüllt und zugleich große Volumenströme ermöglicht.Proceeding from the prior art mentioned above, the present invention is based on the object of specifying a shut-off valve for hydrogen tank systems that meets the high safety requirements and at the same time enables large volume flows.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Absperrventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus werden ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Absperrventils in einem Wasserstofftanksystem vorgeschlagen.To solve the problem, the shut-off valve with the features of claim 1 is specified. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. In addition, a hydrogen tank system with a shut-off valve according to the invention and the use of a shut-off valve according to the invention in a hydrogen tank system are proposed.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Das für Wasserstofftanksysteme vorgeschlagene Absperrventil umfasst ein Hauptventil und ein Steuerventil zur Steuerung des Hauptventils. Das Hauptventil weist dabei einen in einem Ventilgehäuse hin und her beweglich aufgenommenen Ventilkolben auf, der mit einem im Ventilgehäuse ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt. Das Steuerventil weist einen koaxial zum Ventilkolben angeordneten hin und her beweglichen Steuerkolben auf, der mit einem im Ventilkolben ausgebildeten Dichtsitz zum Freigeben und Verschließen einer im Ventilkolben ausgebildeten Ablaufdrossel zusammenwirkt, so dass über die Bewegungen des Steuerkolbens ein Steuerdruck in einem Steuerraum veränderbar ist, der von dem Ventilkolben begrenzt wird.The shutoff valve proposed for hydrogen tank systems includes a main valve and a control valve for controlling the main valve. The main valve has a valve piston which is accommodated in a valve housing so that it can move back and forth and which interacts with a valve seat formed in the valve housing. The control valve has a control piston that is arranged coaxially to the valve piston and can be moved back and forth, which interacts with a sealing seat formed in the valve piston to release and close an outlet throttle formed in the valve piston, so that the movements of the control piston can be used to change a control pressure in a control chamber that the valve piston is limited.
Das vorgeschlagene Absperrventil ist demnach als zweifachschaltendes bzw. als indirekt gesteuertes Ventil ausgeführt. Dies ermöglicht eine Vergrößerung der bei geöffnetem Hauptventil freigegebenen Abströmquerschnitte und/oder eine Vergrößerung des Hubs des Ventilkolbens, so dass große Volumenströme realisierbar sind. Die zur Betätigung des Steuerventils benötigte Aktorkraft bleibt davon unbeeinflusst. Zugleich erfordert die Betätigung des Steuerkolbens einen vergleichsweise kleinen Aktor, so dass ein kompaktbauendes Absperrventil geschaffen wird.The proposed shut-off valve is therefore designed as a double-switching or indirectly controlled valve. This enables an increase in the outflow cross-sections released when the main valve is open and/or an increase in the stroke of the valve piston, so that large volume flows can be implemented. The actuator force required to actuate the control valve remains unaffected. At the same time, the actuation of the control piston requires a comparatively small actuator, so that a shut-off valve of compact construction is created.
Durch Betätigen des Steuerkolbens ändert sich der Steuerdruck im Steuerraum und damit das am Ventilkolben des Hauptventils anliegende Druckverhältnis. In entsprechender Weise ändert sich das Verhältnis zwischen schließender und öffnender pneumatischer Kraft, die auf den Ventilkolben wirkt. Sinkt der Steuerdruck im Steuerraum soweit ab, dass die öffnende Kraft überwiegt, hebt der Ventilkolben vom Ventilsitz ab und gibt eine Auslassöffnung frei, über die Wasserstoff aus dem Wasserstofftanksystem abströmt.Actuating the control piston changes the control pressure in the control chamber and thus the pressure ratio on the valve piston of the main valve. The ratio between closing and opening pneumatic force acting on the valve piston changes accordingly. If the control pressure in the control chamber falls so far that the opening force prevails, the valve piston lifts off the valve seat and opens an outlet opening through which hydrogen flows out of the hydrogen tank system.
Um die bei geöffnetem Steuerventil über die Ablaufdrossel abströmende Menge nach dem Schließen des Steuerventils wieder ersetzen zu können, ist vorzugsweise der Steuerraum über eine Zulaufdrossel mit einem Ventilraum verbunden, in dem ein Tankdruck pT herrscht. Die Zulaufdrossel kann hierbei durch einen Führungsspalt zur Führung des Ventilkolbens des Hauptventils ausgebildet sein. Des Weiteren kann zur Reduzierung der Genauigkeitsanforderungen an den Führungsspalt ein Dichtelement im Bereich der Führung angeordnet sein. Die Zulaufdrossel ist in diesem Fall über eine fluidische Verbindung, beispielsweise in Form einer Drosselbohrung, zwischen dem Ventilraum und dem Steuerraum ausgebildet.In order to be able to replace the quantity flowing out via the outlet throttle when the control valve is open after the control valve has closed, the control chamber is preferably connected to a valve chamber via an inlet throttle, in where a tank pressure p T prevails. The inlet throttle can be formed here by a guide gap for guiding the valve piston of the main valve. Furthermore, a sealing element can be arranged in the area of the guide in order to reduce the accuracy requirements for the guide gap. In this case, the inlet throttle is formed via a fluidic connection, for example in the form of a throttle bore, between the valve chamber and the control chamber.
Beim Schließen führt die die gemeinsame Schließbewegung von Steuerkolben und Ventilkolben des Hauptventils zu einer Vergrößerung des Volumens des Steuerraums, so dass der Druck im Steuerraum unter den Druck im Ventilraum sinkt. Aufgrund des Druckgefälles wird während der Schließphase dem Steuerraum über die Zulaufdrossel permanent ein Volumenstrom aus dem Ventilraum zugeführt, wodurch ein sicheres Schließen gewährleistet ist. Nach Beendigung der Schließbewegung wird über die Zulaufdrossel das Druckniveau im Steuerraum wieder auf das Druckniveau im Ventilraum angehoben, so dass die Druckkräfte an den schließenden Druckflächen im Steuerraum ansteigen. Diese dichten, insbesondere in einem Fehlerfall, beispielsweise bei einem Leitungsbruch, das Steuerventil und das Hauptventil sicher ab.When closing, the joint closing movement of the control piston and valve piston of the main valve leads to an increase in the volume of the control chamber, so that the pressure in the control chamber falls below the pressure in the valve chamber. Due to the pressure drop, a volume flow from the valve chamber is permanently supplied to the control chamber via the inlet throttle during the closing phase, which ensures reliable closing. After the end of the closing movement, the pressure level in the control chamber is raised again to the pressure level in the valve chamber via the inlet throttle, so that the pressure forces on the closing pressure surfaces in the control chamber increase. These reliably seal the control valve and the main valve, particularly in the event of a fault, for example a line break.
Da in der Regel der Tankdruck oberhalb des Drucks in der Auslassöffnung liegt, kann über die Zulaufdrossel der Steuerdruck im Steuerraum wieder angehoben werden. Entsprechend steigt die auf den Ventilkolben des Hauptventils wirkende schließende Kraft.Since the tank pressure is generally above the pressure in the outlet opening, the control pressure in the control chamber can be increased again via the inlet throttle. The closing force acting on the valve piston of the main valve increases accordingly.
Das Steuerventil des vorgeschlagenen Absperrventils wird vorzugsweise elektromagnetisch betätigt. Die Betätigung des Steuerventils kann demzufolge mit einem vergleichsweise einfach aufgebauten, kostengünstigen Aktor bewirkt werden.The control valve of the proposed check valve is preferably actuated electromagnetically. The actuation of the control valve can therefore be effected with a comparatively simple, inexpensive actuator.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Steuerventil eine Magnetbaugruppe mit einer ringförmigen Magnetspule zum Einwirken auf einen Magnetanker auf. Der Magnetanker kann dabei mit dem Steuerkolben verbunden sein, so dass der Magnetanker und der Steuerkolben getrennte Bauteile ausbilden, die aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein können. Dies ermöglicht einen größeren Freiraum bei der Auswahl der Materialien. Alternativ kann der Magnetanker den Steuerkolben ausbilden, so dass die Bauteilzahl reduziert wird. Ferner kann eine sehr kompakte Anordnung geschaffen werden.According to a preferred embodiment of the invention, the control valve has a magnet assembly with an annular magnet coil for acting on a magnet armature. The magnet armature can be connected to the control piston, so that the magnet armature and the control piston form separate components that can be made from different materials. This allows greater freedom in the choice of materials. Alternatively, the magnet armature can form the control piston, so that the number of components is reduced. Furthermore, a very compact arrangement can be created.
Die mit Hilfe der Magnetbaugruppe erzeugbare Magnetkraft wirkt vorzugsweise in Öffnungsrichtung des Steuerkolbens. Das heißt, dass das Steuerventil mit Hilfe der Magnetbaugruppe aktiv geöffnet wird.The magnetic force that can be generated with the help of the magnet assembly preferably acts in the opening direction of the control piston. This means that the control valve is actively opened with the help of the magnet assembly.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Steuerkolben und/oder der Magnetanker in Schließrichtung von der Federkraft einer Schließfeder beaufschlagt ist bzw. sind. Bei unbestromter Magnetspule hält die Schließfeder das Steuerventil und damit das Hauptventil geschlossen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass in einem Fehlerfall das Absperrventil sicher geschlossen ist und kein Gas aus dem Wasserstofftanksystem entweichen kann.Furthermore, it is proposed that the control piston and/or the magnet armature be acted upon in the closing direction by the spring force of a closing spring. When the solenoid coil is de-energized, the closing spring keeps the control valve and thus the main valve closed. This ensures that in the event of an error, the shut-off valve is securely closed and no gas can escape from the hydrogen tank system.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ventilkolben des Hauptventils in Öffnungsrichtung von der Federkraft einer Öffnungsfeder beaufschlagt ist. Die Öffnungsfeder stellt ein Öffnen des Hauptventils für den Fall sicher, dass der Tankdruck annähernd gleich dem Druck in der Auslassöffnung ist, so dass die auf den Ventilkolben wirkenden pneumatischen Kräfte weitgehend ausgeglichen sind.In a development of the invention, it is proposed that the valve piston of the main valve be acted upon in the opening direction by the spring force of an opening spring. The opening spring ensures that the main valve opens in the event that the tank pressure is approximately equal to the pressure in the outlet opening, so that the pneumatic forces acting on the valve piston are largely balanced.
Vorzugsweise ist die Federkraft der Öffnungsfeder kleiner als die Federkraft der Schließfeder, so dass weiterhin gewährleistet ist, dass das Absperrventil bei unbestromter Magnetspule schließt.The spring force of the opening spring is preferably smaller than the spring force of the closing spring, so that it is further ensured that the shut-off valve closes when the magnet coil is de-energized.
Bevorzugt weist bzw. weisen der Steuerkolben und/oder der Magnetanker mindestens einen Druckausgleichskanal auf. Der Druckausgleichskanal verbindet ober- und unterhalb des Steuerkolbens und/oder des Magnetankers liegende Steuerraumabschnitte, deren Volumina sich mit der Bewegung des Steuerkolbens und/oder des Magnetankers ändern. Der Druckausgleich über den mindestens einen Druckausgleichskanal stellt sicher, dass der Steuerkolben und/oder der Magentanker Bewegungen ausführen können. Der mindestens eine Druckausgleichskanal kann als Bohrung, beispielsweise als Schräg- oder Radialbohrung, als Nut oder als außenumfangseitiger Anschliff ausgebildet sein.The control piston and/or the magnet armature preferably has or have at least one pressure compensation channel. The pressure compensation channel connects control chamber sections located above and below the control piston and/or the magnet armature, the volumes of which change with the movement of the control piston and/or the magnet armature. The pressure equalization via the at least one pressure equalization channel ensures that the control piston and/or the magnet anchor can move. The at least one pressure compensation channel can be designed as a bore, for example as an inclined or radial bore, as a groove or as a bevel on the outer peripheral side.
Des Weiteren bevorzugt wird der Öffnungshub des Ventilkolbens durch einen Anschlag begrenzt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Steuerventil über den gesamten Öffnungshub des Ventilkolbens des Hauptventils geöffnet bleibt, so dass über die Ablaufdrossel ein Druckausgleich herstellbar ist. Der Anschlag kann insbesondere durch einen Absatz des Ventilgehäuses und/oder ein in das Ventilgehäuse eingesetztes Anschlagelement ausgebildet werden.Furthermore, the opening stroke of the valve piston is preferably limited by a stop. In this way it can be ensured that the control valve remains open over the entire opening stroke of the valve piston of the main valve, so that pressure equalization can be established via the outlet throttle. The stop can be formed in particular by a shoulder of the valve housing and/or a stop element inserted into the valve housing.
Vorteilhafterweise ist der Ventilkolben zur abschnittsweisen Aufnahme des Steuerkolbens zumindest abschnittsweise hohl ausgeführt. Auf diese Weise kann die axiale Baulänge des Absperrventils reduziert werden, so dass der Bauraumbedarf weiter gesenkt wird.Advantageously, the valve piston is designed to be hollow, at least in sections, for the purpose of accommodating the control piston in sections. In this way, the axial length of the barrier valve can be reduced, so that the space requirement is further reduced.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Wasserstofftanksystem zeichnet sich dadurch aus, dass es mindestens einen Druckgasbehälter sowie ein erfindungsgemäßes Absperrventil zum Absperren des Druckgasbehälters umfasst. Bevorzugt weist das Wasserstofftanksystem mehrere Druckgasbehälter auf, von denen jeder mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil ausgestattet ist. Bei einem flaschenartigen Druckgasbehälter kann das Absperrventil insbesondere in einem Halsabschnitt angeordnet sein, über den der Druckgasbehälter an eine Gasleitung anschließbar ist. Durch Schließen des Absperrventils kann dann das Ausströmen von Wasserstoff aus dem Druckgasbehälter in die Gasleitung unterbunden werden. Auf diese Weise werden die an ein Wasserstofftanksystem gestellten hohen Sicherheitsanforderungen erfüllt. In Offenstellung ermöglicht das Absperrventil große Wasserstoffvolumenströme.The further proposed hydrogen tank system is characterized in that it comprises at least one compressed gas tank and a shut-off valve according to the invention for shutting off the compressed gas tank. The hydrogen tank system preferably has a number of compressed gas containers, each of which is equipped with a shut-off valve according to the invention. In the case of a bottle-like compressed gas container, the shut-off valve can be arranged in particular in a neck section, via which the compressed gas container can be connected to a gas line. The outflow of hydrogen from the compressed gas container into the gas line can then be prevented by closing the shut-off valve. In this way, the high safety requirements placed on a hydrogen tank system are met. In the open position, the shut-off valve enables large hydrogen volume flows.
Des Weiteren wird die Verwendung eines erfindungsgemäßen Absperrventils in einem Wasserstofftanksystem mit mindestens einem Druckgasbehälter zum Absperren des Druckgasbehälters vorgeschlagen. In Offenstellung des Ventils können große Wasserstoffvolumenströme bereitgestellt werden. Zugleich werden die an ein Wasserstofftanksystem gestellten Sicherheitsanforderungen erfüllt.Furthermore, the use of a shut-off valve according to the invention in a hydrogen tank system with at least one compressed gas tank for shutting off the compressed gas tank is proposed. When the valve is in the open position, large hydrogen volume flows can be provided. At the same time, the safety requirements placed on a hydrogen tank system are met.
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, a) in Schließstellung, b) bei geöffnetem Steuerventil und c) bei geöffnetem Hauptventil, sowie -
2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
-
1 a schematic longitudinal section through a shut-off valve according to the invention according to a first preferred embodiment, a) in the closed position, b) with the control valve open and c) with the main valve open, and -
2 a schematic longitudinal section through a check valve according to the invention according to a second preferred embodiment.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Das in den
Der Ventilkolben 5 des Hauptventils 2 wirkt mit einem Ventilsitz 6 zusammen, der durch ein Ventilgehäuse 4 ausgebildet wird, in dem der Ventilkolben 5 hin und her beweglich aufgenommen ist. Der Ventilkolben 5 ist abschnittsweise hohl ausgeführt und bildet einen Dichtsitz 8 für einen Steuerkolben 7 des Steuerventils 3 aus, über den eine Ablaufdrossel 9 freigebbar ist, die den Steuerraum 10 mit einer Auslassöffnung 21 des Absperrventils 1 verbindet. Über eine Zulaufdrossel 11 ist der Steuerraum 10 zugleich an einen Ventilraum 12 angebunden, in den eine Einlassöffnung 20 mündet. In der Einlassöffnung 20 liegt ein Tankdruck pT an, der in der Regel höher als ein in der Auslassöffnung 21 herrschender Druck pA ist.The valve piston 5 of the main valve 2 interacts with a
Zum Öffnen des Absperrventils 1 wird zunächst das Steuerventil 3 geöffnet. Hierzu wird eine Magnetspule 13 bestromt, die auf einen Magnetanker 14 einwirkt, der mit dem Steuerkolben 7 des Steuerventils 3 gekoppelt ist. Die Bestromung der Magnetspule 13 führt zur Ausbildung eines Magnetfelds, dessen Magnetkraft den Magnetanker 14 in Richtung der Magnetspule 13 bewegt. Dabei nimmt der Magnetanker 14 den Steuerkolben 7 mit, so dass dieser - entgegen der Federkraft einer Schließfeder 15 - vom Dichtsitz 8 abhebt (siehe
Wird die Bestromung der Magnetspule 13 beendet, stellt die Schließfeder 15 den Magnetanker 14 und den Steuerkolben 7 im Verbund mit dem Ventilkolben 5 des Hauptventils 2 in die jeweilige Ausgangsstellung zurück, so dass das Absperrventil 1 schließt (siehe
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ventilkolben 5 des Hauptventils 2 von der Federkraft einer Öffnungsfeder 16 beaufschlagt. Diese hat die Aufgabe, eine öffnende Kraft auf den Ventilkolben 5 des Hauptventils 2 für den Fall auszuüben, dass in der Einlassöffnung 20 und in der Auslassöffnung 21 annähernd der gleiche Druck herrscht (pT = PA), so dass das Steuerraumprinzip außer Kraft gesetzt ist.In the exemplary embodiment shown, the valve piston 5 of the main valve 2 is acted upon by the spring force of an
Wie ebenfalls den
Der
Alternativ zu einem gehäuseseitigen Absatz 19 kann der Anschlag 18 auch durch ein in das Ventilgehäuse 4 eingesetztes Anschlagelement (nicht dargestellt) realisiert werden.As an alternative to a shoulder 19 on the housing, the stop 18 can also be realized by a stop element (not shown) inserted into the valve housing 4 .
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- DE 102018221602 A1 [0003]DE 102018221602 A1 [0003]
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