WO2024028020A1

WO2024028020A1 - Tankventil und verfahren zum herstellen eines tankventils

Info

Publication number: WO2024028020A1
Application number: PCT/EP2023/068374
Authority: WO
Inventors: Marco Stieber; Jens-Peter Nagel
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2023-07-04
Publication date: 2024-02-08
Also published as: DE102022208068A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Tankventil (1) für einen Drucktank (2), mit einem Führungskörper (3) und mit einem durch eine Schließfeder (22) in eine Schließstellung vorgespannten Ventilkolben (4), der in einer Führungsausnehmung (5) des Führungskörpers zwischen der Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegbar geführt ist, wobei ein konischer Dichtsitz des Tankventils eine erste und eine zweite konische Dichtfläche umfasst, die dichtend aneinander in Anlage kommen, wenn der Ventilkolben (4) seine Schließstellung einnimmt. Um das Tankventil im Hinblick auf eine gute Abdichtung des konischen Dichtsitzes im Betrieb bei stark variierenden Drücken zu verbessern, umfasst mindestens eine der Dichtflächen mindestens zwei kreisringartige Dichtabschnitte, die in Abhängigkeit von dem in der gleichen Richtung wie die Vorspannkraft der Schließfeder (22) auf den Ventilkolben (4) wirkenden Tankinnendruck in Kontakt mit der anderen konischen Dichtfläche kommen.

Description

Beschreibung

Titel

Tankventil und Verfahren zum Herstellen eines Tankventils

Die Erfindung betrifft ein Tankventil für einen Drucktank, in welchem ein Druckgas gespeichert wird, wobei ein Tankinnendruck unter anderem in Abhängigkeit von einem Füllzustand zwischen einem hohen Druckwert und einem niedrigen Druckwert variiert, mit einem Führungskörper und mit einem durch eine Schließfeder in eine Schließstellung vorgespannten Ventilkolben, der in einer Führungsausnehmung des Führungskörpers zwischen der Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegbar geführt ist, wobei ein konischer Dichtsitz des Tankventils eine erste konische Dichtfläche und eine zweite konische Dichtfläche umfasst, die dichtend aneinander in Anlage kommen, wenn der Ventilkolben seine Schließstellung einnimmt.

Stand der Technik

Die Abdichtung von Anschlüssen und Komponenten an wasserstoffführenden Behältnissen, wie beispielsweise Drucktanks, sowie Ventilen, insbesondere bei verhältnismäßig hohen Drücken, stellt für die Konstrukteure eine besonders große Herausforderung dar. Insbesondere bei bewegten Komponenten, wie beispielsweise Ventilen, ist es wichtig sicherzustellen, dass nur ein geringer Teil des im Behältnis gespeicherten Gases, wie beispielsweise Wasserstoff, unkontrolliert, beispielsweise nach Außen in die Atmosphäre, entweicht.

Gängige Methoden zur Abdichtung sind hier Klebe- oder Schweißverbindungen als nicht-lösbare Abdichtungen. Um Komponenten sowie Baugruppen zu Fügen oder bewegliche Komponenten abzudichten, kommen üblicherweise Elastomerdichtungen, wie beispielsweise O-Ringe in Kombination mit Stützringen zum Einsatz. Um bereits gefüllte oder teilgefüllte Drucktanks zu entleeren oder zu spülen, was beispielsweise im Servicefall notwendig ist, müssen bestimmte sicherheitsrelevante Bedingungen erfüllt sein. Das Gas darf nicht unkontrolliert in einer Werkstatt freigesetzt werden. Eine Methode ist hier, das Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, ins Freie entweichen zu lassen, womit dieses verloren ist. Dies kann beispielsweise über einen normalen Entnahmepfad geschehen, was je nach Füllmenge aufgrund der jeweiligen Drosselquerschnitte viel Zeit in Anspruch nehmen kann. Eine Alternative hierzu ist das Lösen einer Verschlussschraube, wodurch das Gas schlagartig aus dem Drucktank entweichen kann. Eine derartige Schnellentlüftung des Drucktanks ist üblicherweise nur mit einer sehr aufwändigen Vorrichtung realisierbar.

Standardmäßige Entlüftungsventile für Wasserstoffanwendungen beinhalten u.a. Elastomer- oder andere Kunststoff-Dichtungen, welche aufgrund Relativbewegung beispielsweise zu metallischen Komponenten, verschleißen können. Beispiele hierfür sind bewegte Radialdichtungen in Bohrungen, wie beispielsweise O-Ringe, Stützringe oder dergleichen, oder auch Abrieb bei Kegeldichtungen aufgrund einer relativen Rotation der Dichtungspartner. Kleinste Beschädigungen an den Dichtungen, welche bei Wasserstoff-Anwendungen üblicherweise „FKM“, oder auch „EPDM“ aufweisen, können zu einer Leckage am Tanksystem führen. Dies kann bedeuten, dass sich nach Wochen oder sogar einigen Tagen der Tank selbstständig entleert. Im schlimmsten Fall hat dies zur Folge, dass sich der entwichene Wasserstoff in einem geschlossenen Raum, beispielsweise einem Innenraum eines Kraftfahrzeugs oder einer Garage, mit dem Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu einem explosionsfähigen Gas mischt. Konventionelle Entlüftungsventile können daher häufig nicht mehrfach verwendet werden und müssen nach Gebrauch aus voranstehenden Gründen mit neuen Dichtungen bestückt werden.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Tankventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 im Hinblick auf eine gute Abdichtung des konischen Dichtsitzes im Betrieb bei stark variierenden Drücken zu verbessern. Die Aufgabe ist bei einem Tankventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass mindestens eine der Dichtflächen mindestens zwei kreisringartige Dichtabschnitte umfasst, die in Abhängigkeit von dem in der gleichen Richtung wie die Vorspannkraft der Schließfeder auf den Ventilkolben wirkenden Tankinnendruck in Kontakt mit der anderen konischen Dichtfläche kommen. Bei dem Druckgas handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff. Bei dem Drucktank handelt es sich vorzugsweise um einen Wasserstofftank, in welchem Wasserstoff gespeichert wird, der als Brennstoff in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird. Ein weiterer Anwendungsfall ist beispielsweise die Wasserstoffdirekteinspritzung. Dabei ist es wichtig, zum einen bei hohen Drücken sicherzustellen, dass nur möglichst wenig Druckgas, insbesondere Wasserstoff, aus dem Drucktank unkontrolliert nach außen in die Umgebung, insbesondere in die Atmosphäre, entweicht. Mit zunehmender Entnahme von Druckgas aus dem Drucktank sinkt der Tankinnendruck. Deshalb ist es auch wichtig, bei einem geringen Füllstand sicherzustellen, dass bei dem damit verbundenen geringen Tankinnendruck möglichst wenig Druckgas entweicht. Bei dem Tankventil handelt es sich zum Beispiel um ein Tankentlüftungsventil oder um ein Tankablassventil. Der konische Dichtsitz umfasst vorteilhaft einen Innenkonus und einen Außenkonus. Die konischen Dichtflächen haben vorzugsweise jeweils die Gestalt eines Kegelstumpfmantels.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Tankventils ist dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringartigen Dichtabschnitte aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Die unterschiedlichen Materialien umfassen vorzugsweise ein Metall und einen Kunststoff. Bei dem Metall handelt es sich zum Beispiel um Stahl. Bei dem Kunststoff handelt es sich zum Beispiel um ein Polyimid. In Abhängigkeit von dem Druckbereich, in welchem der Drucktank betrieben werden soll, kann es sich bei dem Kunststoffmaterial aber zum Beispiel auch um ein Elastomer handeln. Das Metall, insbesondere der Stahl, liefert den Vorteil, dass hohe Kräfte übertragen werden können. Das Kunststoffmaterial übernimmt in dem damit ausgestatteten Dichtabschnitt vorzugsweise bei niedrigen Drücken die Dichtfunktion. Bei hohen Drücken wird die Abdichtung unter Zuhilfenahme einer mit dem Metall, insbesondere mit dem Stahl, ausgeübten Stützfunktion realisiert. Mit dieser Stützfunktion wird eine irreversible Deformation des Kunststoffmaterials verhindert Bei dem Kunststoffmaterial, aus dem der kreisringartige Dichtabschnitt für die niedrigen Drücke gebildet ist, wird vorteilhaft eine reversible Deformation zur Darstellung der Dichtfunktion zugelassen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Tankventils ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden konischen Dichtflächen Konuswinkel mit einer Winkeldifferenz aufweisen, aus der sich zwischen den konischen Dichtflächen ein Dichtspalt ergibt, der sich, ausgehend von einem kreislinienförmigen Kontaktbereich radial nach innen erweitert. Dieser Dichtspalt verkleinert sich mit zunehmendem Tankinnendruck bis gegen Null. Die Winkeldifferenz beträgt vorzugsweise nur einige Grad.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Tankventils ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste konische Dichtfläche einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner als ein Zusatzaußendurchmesser eines äußeren kreisringartigen Dichtabschnitts der zweiten konischen Dichtfläche ist. Dadurch wird auf einfache Art und Weise die Darstellung des vorab beschriebenen kreislinienförmigen Kontaktbereichs zwischen einer Außenkante der ersten konischen Dichtfläche und dem äußeren kreisringartigen Dichtschnitt der zweiten konischen Dichtfläche ermöglicht.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Tankventils ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzinnendurchmesser zwischen dem äußeren kreisringartigen Dichtabschnitt und einem inneren kreisringartigen Dichtabschnitt der zweiten konischen Dichtfläche größer als ein Innendurchmesser der ersten konischen Dichtfläche ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der äußere kreisringartige Dichtabschnitt, der vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, komplett mit der ersten konischen Dichtfläche abgedeckt werden kann. Der innere kreisringartige Dichtabschnitt, der vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, gebildet ist, ermöglicht die vorab beschriebene Stützfunktion.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Tankventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der ersten konischen Dichtfläche größer als ein Hauptinnendurchmesser der zweiten konischen Dichtfläche ist.

Dadurch kann der Verschleiß im Betrieb des Tankventils wirksam reduziert werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Tankventils ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste konische Dichtfläche an dem Ventilkolben ausgebildet ist, wobei die zweite konische Dichtfläche an dem Führungskörper ausgebildet ist. Der Ventilkolben und der Führungskörper sind beide vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere aus Stahl, gebildet. An dem Führungskörper ist vorteilhaft nur der äußere kreisringartige Dichtabschnitt aus einem nicht-metallischen Material, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, gebildet. So kann auf einfache Art und Weise eine große Spanne des Tankinnendruckbereichs im Betrieb des Drucktanks mit einer höchst effektiven Dichtfunktion abgedeckt werden.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Tankventils ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass ein Dichtkörper vor einer finalen Bearbeitung in eine an dem Führungskörper oder dem Ventilkolben vorgesehene Ringnut eingepresst wird, um einen der zwei kreisringartigen Dichtabschnitte darzustellen, wobei die Ringnut und der Dichtkörper so gestaltet sind, dass der Dichtkörper mit einem zu bearbeitenden Überstand aus der Ringnut herausragt. Die Ringnut ist vorzugsweise in der zweiten konischen Dichtfläche an dem Führungskörper vorgesehen. Der Dichtkörper ist vorzugsweise als Dichtring ausgeführt. Der Dichtring hat im Rohzustand einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Erst bei einer finalen Bearbeitung wird der äußere kreisringartige Dichtabschnitt an dem Dichtring erzeugt. So wird auf einfache Art und Weise eine gewünschte Oberflächenqualität des äußeren kreisringartigen Dichtabschnitts ermöglicht.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper in einer Aufspannung mit einem Führungsdurchmesser innen an dem Führungskörper oder außen an dem Ventilkolben vorzugsweise durch ein spanendes Verfahren bearbeitet wird, um die beiden kreisringartigen Dichtabschnitte fertigzustellen. Alternativen wären zum Beispiel ein glättendes Verfahren, wie Polieren. Dabei wird der vermeintliche Nachteil in Kauf genommen, dass der vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gebildete äußere kreisringartige Dichtabschnitt mit Spänen in Kontakt kommt, die bei der spanenden Bearbeitung des vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl, gebildeten inneren kreisringartigen Dichtabschnitts anfallen. Die spanende Bearbeitung erfolgt zum Beispiel durch Schleifen. Fertigungsversuche haben gezeigt, dass bei der ausgewählten Werkstoffpaarung die Metallspäne sich nicht negativ auf die Kunststoffoberfläche ausgewirkt haben.

Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Ventilkolben und/oder einen Führungskörper für ein vorab beschriebenes Tankventil. Der Ventilkolben und der Führungskörper sind separat handelbar.

Der Ventilkolben ist vorzugsweise so in dem Führungskörper geführt, dass er sich nur translatorisch in dem Führungskörper hin und her bewegen kann. Durch eine Drehentkopplung des Ventilkolbens wird vorteilhaft sichergestellt, dass sich der Ventilkolben im Betrieb des Tankventils nicht in dem Führungskörper verdrehen kann. Dadurch kann der Verschleiß im Bereich des konischen Dichtsitzes weiter reduziert werden. So kann die Lebensdauer des Tankventils verlängert werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind:

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1 eine Schnittdarstellung eines nicht vorveröffentlichten Tankentlüftungsventils in einer Verschlussstellung;

Figur 2 eine Schnittdarstellung des Tankentlüftungsventils aus Figur 1 in einer Entlüftungsstellung; Figur 3 eine Seitenansicht eines Drucktanks mit zwei Tankventilen;

Figur 4 einen Führungskörper eines Tankventils mit einer Ringnut, in die ein Dichtring mit einem rechteckigen Ringquerschnitt eingepresst ist, vor einer finalen Bearbeitung des Führungskörpers mit dem Dichtring, im Längsschnitt;

Figur 5 den Führungskörper mit dem Dichtring nach einer finalen Bearbeitung, die vorzugsweise spanend erfolgt, zum Beispiel durch Schleifen;

Figur 6 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 5 mit dem bearbeiteten Dichtring;

Figur 7 ein zum Beispiel als Tankentlüftungsventil ausgeführtes Tankventil mit dem Führungskörper aus Figur 5 im Längsschnitt;

Figur 8 einen vergrößerten Ausschnitt mit dem Dichtring aus Figur 7; und

Figur 9 eine nochmals vergrößerte Darstellung des Ausschnitts aus Figur 8, wobei eine Winkeldifferenz zwischen zwei konischen Dichtflächen des konischen Dichtsitzes zur Veranschaulichung vergrößert dargestellt ist

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein als Tankentlüftungsventil ausgeführtes Tankventil 1 in einer Verschlussstellung V schematisch im Längsschnitt dargestellt. Das Tankentlüftungsventil 1 weist einen Grundkörper 3 auf, der sich entlang einer Längsachse L erstreckt und im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Grundkörper 3 wird auch als Führungskörper bezeichnet. In dem Grundkörper 3 ist ein auch als Führungsausnehmung bezeichneter Grundkörperkanal 5 ausgebildet, der sich entlang der Längsachse L durch den gesamten Grundkörper 3 erstreckt. Der Grundkörper ist über ein Gewinde in eine Ventilaufnahme 4 eines nicht weiter dargestellten Drucktanks 2 (vgl. Fig. 3) eingeschraubt. Über zwei Dichtungsvorrichtungen 25 ist der Grundkörper 3 zur Ventilaufnahme 4 abgedichtet. Zwischen den zwei Dichtungsvorrichtungen 25 weist der Grundkörper 3 mehrere sich von einer Außenfläche 13 des Grundkörpers 3 radial nach innen in den Grundkörperkanal 5 erstreckende Querdurchführungen 14 zum Durchleiten des Gases in der Entlüftungsstellung E (vgl. Fig. 2) auf. An einem der Ventilaufnahme 4 abgewandten Endbereich weist der Grundkörperkanal 5 ein Innengewinde 16 auf.

In dem Grundkörperkanal 5 ist ein Verschlusselement 6 angeordnet und linear im Grundkörperkanal 5 geführt. Das auch als Ventilkolben bezeichnete Verschlusselement 6 weist eine Verschlussstirnseite 10 und eine der Verschlussstirnseite 10 entgegengesetzte Tankstirnseite 20 auf, in welcher eine Federaufnahme 21 ausgebildet ist. In der Federaufnahme 21 ist eine Schraubenfeder 22 angeordnet, durch welche das Verschlusselement 6 mit einer Rückstellkraft in Richtung der dargestellten Verschlussstellung V drückbar ist. Die Schraubenfeder 22 ist gegen die Ventilaufnahme 4 abgestützt und wird auch als Schließfeder bezeichnet. Ferner weist das Verschlusselement 6 eine sich entlang der Längsachse L erstreckende Ausnehmung 17 zum Ableiten des Gases auf. Durch die Ausnehmung 17 und die Querdurchführungen 14 ist ein Entlüftungskanal 7 des Entlüftungsventils 1 gebildet. Vorzugsweise weist das Verschlusselement 6 mehrere, beispielsweise zwei, drei oder vier, Ausnehmungen 17 auf. Die Ausnehmungen sind vorzugsweise über den Umfang des Verschlusselements 6 gleichmäßig verteilt angeordnet. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen 17 flächig, beispielsweise plattenförmig, ausgebildet.

In der Verschlussstellung V liegt eine als Außendichtkonus ausgebildete zweite Dichtfläche 12 der Verschlussvorrichtung 6 flächig an einer als Innendichtkonus ausgebildeten ersten Dichtfläche 11 des Grundkörpers 3 an. Somit ist eine über den Entlüftungskanal 7 herstellbare Mediumkommunikation zwischen einer Zulaufbohrung 23 des Drucktanks 2 und einer Ablaufbohrung 24 des Drucktanks 2 durch das Tankentlüftungsventil 1 unterbrochen.

Ferner ist in dem Grundkörperkanal 5 ein Betätigungselement 8 angeordnet. Das Betätigungselement 8 weist ein Außengewinde 15 auf, welches mit dem Innengewinde 16 des Grundkörperkanals 5 im Eingriff steht. In dem Betätigungselement 8 ist ein Innensechskant 26 für ein Werkzeug ausgebildet. Alternativ zu einem Innensechskant 26 kann auch eine andere Geometrie, wie beispielsweise ein Schlitz, Kreuzschlitz, Torx oder dergleichen vorgesehen sein. Das Betätigungselement 8 ist über eine Dichtungsvorrichtung 25 zum Grundkörper 3 abgedichtet. Eine konvex gewölbte Betätigungsstirnseite 9 des Betätigungselements 8 ist der Verschlussstirnseite 10 zugewandt und von dieser beabstandet Durch weiteres Einschrauben des Betätigungselements 8 in den Grundkörperkanal 5 ist die Betätigungsstirnseite 9 gegen die Verschlussstirnseite 10 drückbar.

Figur 2 zeigt das Tankentlüftungsventil 1 aus Figur 1 in der Entlüftungsstellung E schematisch in einer Schnittdarstellung. In der Entlüftungsstellung E ist das Betätigungselement 8 derart in den Grundkörperkanal 5 eingeschraubt, dass die Betätigungsstirnseite 9 gegen die Verschlussstirnseite 10 drückt und das Verschlusselement 6 hierdurch translatorisch in die Entlüftungsstellung E verschoben ist. Die Schraubenfeder 22 ist somit gegenüber der Verschlussstellung V weiter gespannt. Durch die Selbsthemmung zwischen dem Innengewinde 16 und dem Außengewinde 15 verbleiben das Betätigungselement 8 und das Verschlusselement 6 auch bei abgesetztem Werkzeug in der Entlüftungsstellung E.

Ferner ist durch die translatorische Verschiebung des Verschlusselements 6 ein Spalt zwischen der ersten Dichtfläche 11 und der zweiten Dichtfläche 12 erzeugt und somit über den Entlüftungskanal 7 eine Fluidkommunikation zwischen der Zulaufbohrung 23 und der Ablaufbohrung 24 hergestellt. Das Gas ist somit aus dem Drucktank 2 über die Zulaufbohrung 23, die Ausnehmung 17 sowie die Querdurchführungen 14 in die Ablaufbohrung 24 strömbar, sodass der Drucktank 2 auf diese Weise gezielt und verschleißarm entlüftet wird. Durch die Dichtvorrichtungen 25 ist vermeidbar, dass das Gas zwischen dem Grundkörper 3 und der Ventilaufnahme 4 sowie durch das Tankentlüftungsventil 1 hindurch in eine Umgebung des Drucktanks 2 strömt.

In Figur 3 ist die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucktanks 2 schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Der Drucktank 2 weist eine Tankwandung 18 auf, durch welche ein Tankinnenraum 19 gebildet ist. An der Tankwandung 18 sind zwei Ventilaufnahmen 4 ausgebildet. In einer der Ventilaufnahmen 4 ist ein erfindungsgemäßes Tankentlüftungsventil 1 angeordnet. An der anderen Ventilaufnahme 4 ist beispielsweise eine Schnittstelle zum Koppeln des Drucktanks 2 an ein Wasserstoffsystem anordenbar. Der Drucktank 2 ist vorzugsweise als Wasserstofftank für ein Kraftfahrzeug ausgebildet.

In den Figuren 4 bis 6 ist ein Führungskörper 43 eines in Figur 7 dargestellten Tankventils 41 dargestellt. Bei dem Tankventil 41 handelt es sich zum Beispiel um ein Tankentlüftungsventil, wie es in den Figuren 1 bis 3 dargestellt ist. Bei dem beanspruchten Tankventil 41 geht es im Wesentlichen um einen in den Figuren 8 und 9 vergrößert im Schnitt dargestellten konischen Dichtsitz 50.

Der Führungskörper 43 umfasst eine Führungsausnehmung 45, in welcher ein Ventilkolben 46 entlang einer in den Figuren 4 bis 7 in horizontaler Richtung verlaufenden Längsachse L translatorisch hin und her bewegbar geführt ist. An einem in den Figuren 7 und 8 linken Ende des Ventilkolbens 46 ist ein Schließkörper 47 ausgebildet, der auch als Ventilkolbenkopf bezeichnet werden kann. Der Schließkörper oder Ventilkolbenkopf 47 stellt im Zusammenwirken mit einem Schließende 48 des Führungskörpers 43 den konischen Dichtsitz 50 dar, der auch als Ventilsitz bezeichnet werden kann.

Der konische Dichtsitz oder Ventilsitz 50 umfasst eine an dem Ventilkolben 46 beziehungsweise den Ventilkolbenkopf oder Schließkörper 47 ausgebildete Dichtfläche 51 , die in einem geschlossenen Zustand des Tankventils 41 dichtend an einer Dichtfläche 52 zur Anlage kommt, die an dem Führungskörper 43 beziehungsweise an dem Schließende 48 des Führungskörpers 43 ausgebildet ist. Die an den Ventilkolben 46 ausgebildete Dichtfläche 51 wird auch als erste Dichtfläche 51 bezeichnet. Analog wird die an dem Führungskörper 43 ausgebildete Dichtfläche 52 auch als zweite Dichtfläche 52 bezeichnet. Der Ventilkörper 46 ist aus einem Stahlmaterial gebildet.

Der Führungskörper 43 ist ebenfalls aus einem Stahlmaterial gebildet, aber im Bereich der Dichtfläche 52 mit einem Dichtkörper 57 aus einem Kunststoffmaterial kombiniert. Der Dichtkörper 57 dient zur Darstellung eines Dichtrings und ist in einer Ringnut 56 aufgenommen, die in der Dichtfläche 52 des Führungskörpers 43 ausgebildet ist. Der als Dichtring ausgeführte Dichtkörper 57 dient in der Dichtfläche 52 zur Darstellung eines äußeren Dichtabschnitts 54, der radial außerhalb eines inneren Dichtabschnitts 53 der Dichtfläche 52 angeordnet ist Ein weiterer Dichtabschnitt 55, der jedoch keine Dichtfunktion ausübt, ist radial außerhalb des äußeren Dichtabschnitts 54 angeordnet

Die Dichtabschnitte 53 und 55 sind aus dem Stahlmaterial des Führungskörpers 43 gebildet Der äußere Dichtabschnitt 54 besteht aus einem Kunststoffmaterial, aus welchem der Dichtkörper 57 gebildet ist Bei dem Kunststoffmaterial handelt es sich um ein Polyimid. Je nach Medium, wie Gas, und Druck, könnte auch ein anderer Kunststoff geeignet sein.

Der konische Dichtsitz 50 ist durch eine Schließfeder 62 in seine Schließstellung vorgespannt. In der Schließstellung befinden sich die Dichtflächen 51 und 52 teilweise aneinander dichtend in Anlage.

In Figur 4 ist durch zwei Pfeile 38 und 39 angedeutet, wie ein Kunststoffring, der zur Darstellung des Dichtkörpers 57 an dem Schließende 48 des Führungskörpers 43 dient, in eine Ringnut 56 eingepresst wird. Der Kunststoffring ist aus einem Polyimid gebildet und hat einen rechteckigen Ringquerschnitt. Der Kunststoffring wird fest in die Ringnut 56 eingepresst, die an dem Schließende 48 des Führungskörpers 43 ausgebildet ist.

Im Rahmen einer finalen Bearbeitung des Führungskörpers 43 wird dieser an seinem Schließende 48 mit dem eingesetzten Kunststoff ring spanend bearbeitet, vorzugsweise durch Schleifen. In den Figuren 6 und 8 ist das Ergebnis der spanenden Bearbeitung vergrößert dargestellt.

Der Dichtkörper 57 dient in der Ringnut 56 an dem Schließende 48 des Führungskörpers 43 zur Darstellung eines äußeren Dichtabschnitts 54. Der äußere Dichtabschnitt 54 ist radial außerhalb eines inneren Dichtabschnitts 53 angeordnet. Der Dichtabschnitt 53 ist aus dem Stahlmaterial gebildet, aus welchem der Führungskörper 43 gebildet ist. Ein weiterer Dichtabschnitt 55, der radial außerhalb des äußeren Dichtabschnitts 54 angeordnet ist, ist ebenfalls aus dem Stahlmaterial gebildet, aus welchem der Führungskörper 43 gebildet ist. Die Dichtabschnitte 53 und 55 begrenzen die Ringnut, in welcher der Dichtkörper 57 angeordnet ist. Der Dichtabschnitt 54 ist aus dem Kunststoffmaterial gebildet, das bei der spanenden Bearbeitung zusammen mit den beiden Dichtabschnitten 53 und 55 bearbeitet ist

Bei niedrigen Drücken übernimmt ausschließlich der Dichtkörper 57 aus dem Kunststoffmaterial die Dichtwirkung zwischen dem in Figur 7 dargestellten bewegten Ventilkolben 46 und dem Führungskörper 43. Bei hohen Drücken wird der Ventilkolben 46 zusätzlich durch die Auflage auf dem inneren Dichtabschnitt 53 des aus dem Stahlmaterial gebildeten Führungskörpers 43 gestützt. So wird eine unerwünschte Deformation des Dichtkörpers aus dem Kunststoffmaterial verhindert.

In Figur 9 ist ein Ausschnitt aus Figur 8 noch einmal vergrößert dargestellt, wobei eine Winkeldifferenz 65 zwischen den beiden konischen Dichtflächen 51 , 52 des konischen Dichtsitzes 50 vergrößert dargestellt ist. Die Winkeldifferenz 65 beträgt in der Realität nur ein bis drei Grad oder sogar weniger. Beim Schließen des konischen Dichtsitzes 50 kommen die beiden Dichtflächen 51 und 52 zunächst in einem kreislinienförmigen Kontaktbereich 67 miteinander in Kontakt, und zwar an einem Außendurchmesser 74 des Schließkörpers 47 am Ende des Ventilkolbens 46. Der Kontaktbereich 67 liegt innerhalb des äußeren Dichtabschnitts 54 der Dichtfläche 52. In der vergrößerten Darstellung der Figur 9 sieht man, dass sich daraus ein Dichtspalt 66 ergibt, der sich ausgehend von dem Kontaktbereich 67 radial nach innen erweitert. Alternativ könnte die Winkeldifferenz im Dichtsitz auch umgekehrt sein, das heißt der Schließkörper 47 würde zunächst bei kleinen Drücken den Dichtkörper 57 auf einem kleinen inneren Durchmesser kontaktieren. Bei höheren Drücken würde dann der Dichtbereich 55 eine Stützwirkung haben.

Mit zunehmendem Druck vergrößert sich der Kontaktbereich 67 zwischen den Dichtflächen 51 und 52, wobei sich der Dichtspalt 66 verkleinert, bis der Ventilkolben 46 mit der Dichtfläche 51 komplett dichtend an der Dichtfläche 52 des Führungskörpers 43 zur Anlage oder Auflage kommt. Dann kommt auch der metallische Bereich des Führungskörpers 43 mit dem inneren Dichtabschnitt 53 zum Tragen, der für eine Abstützung der Dichtfläche 51 an der Dichtfläche 52 sorgt und vorteilhaft eine Überbelastung des Dichtkörpers 57 aus dem Kunststoffmaterial in der Ringnut 56 verhindert

In Figur 9 sind durch Pfeile 71 bis 77 ein Hauptinnendurchmesser 71 der Führungsausnehmung 45 für den Ventilkolben 46 in dem Führungskörper 43, ein Innendurchmesser 72 der Dichtfläche 51 , ein Zusatzinnendurchmesser 73 des äußeren Dichtabschnitts 54, der Außendurchmesser 74 der Dichtfläche 51 , ein Zusatzaußendurchmesser 75 des äußeren Dichtabschnitts 54, ein Hauptaußendurchmesser 76 der Dichtfläche 52 und ein Führungskörperaußendurchmesser 77 am Schließende 48 des Führungskörpers 43 angedeutet.

Durch eine gezielte Dimensionierung des Führungskörpers 43 und des Ventilkolbens 46 an dem konischen Dichtsitz 50 mit den Durchmessern 71 bis 77 wird in Kombination mit einer gezielten Auswahl von Einpressmaßen beziehungsweise einer geeigneten Dimensionierung des Dichtkörpers 57 in der Ringnut 56 verhindert, dass der Dichtkörper 57 im Betrieb des Tankventils druckunterwandert wird. Dadurch werden Undichtigkeiten im Betrieb des Tankventils 41 sicher verhindert.

Claims

Ansprüche

1 . Tankventil (1 ;41 ) für einen Drucktank (2), in welchem ein Druckgas gespeichert wird, wobei ein Tankinnendruck unter anderem in Abhängigkeit von einem Füllzustand zwischen einem hohen Druckwert und einem niedrigen Druckwert variiert, mit einem Führungskörper (3;43) und mit einem durch eine Schließfeder (22;62) in eine Schließstellung vorgespannten Ventilkolben (4;46), der in einer Führungsausnehmung (5;45) des Führungskörpers (3;43) zwischen der Schließstellung und einer Öffnungsstellung hin und her bewegbar geführt ist, wobei ein konischer Dichtsitz (50) des Tankventils (1 ;41 ) eine erste konische Dichtfläche (51) und eine zweite konische Dichtfläche (52) umfasst, die dichtend aneinander in Anlage kommen, wenn der Ventilkolben (4;46) seine Schließstellung einnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Dichtflächen (51 ,52) mindestens zwei kreisringartige Dichtabschnitte (53,54) umfasst, die in Abhängigkeit von dem in der gleichen Richtung wie die Vorspannkraft der Schließfeder (22;62) auf den Ventilkolben (4;46) wirkenden Tankinnendruck in Kontakt mit der anderen konischen Dichtfläche (52;51) kommen.

2. Tankventil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die kreisringartigen Dichtabschnitte (53,54) aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind.

3. Tankventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden konischen Dichtflächen (51 ;52) Konuswinkel mit einer Winkeldifferenz (65) aufweisen, aus der sich zwischen den konischen Dichtflächen (51 ,52) ein Dichtspalt (66) ergibt, der sich, ausgehend von einem kreislinienförmigen Kontaktbereich (67) radial nach innen erweitert.

4. Tankventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konische Dichtfläche (51) einen Außendurchmesser (74) aufweist, der kleiner als ein Zusatzaußendurchmesser (75) eines äußeren kreisringartigen Dichtabschnitts (54) der zweiten konischen Dichtfläche (52) ist. Tankventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzaußendurchmesser (73) zwischen dem äußeren kreisringartigen Dichtabschnitt (54) und einem inneren kreisringartigen Dichtabschnitt (54) der zweiten konischen Dichtfläche (52) größer als ein Innendurchmesser (72) der ersten konischen Dichtfläche (51) ist Tankventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (72) der ersten konischen Dichtfläche (51) größer als ein Hauptinnendurchmesser (71) der zweiten konischen Dichtfläche (52) ist Tankventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste konische Dichtfläche (51) an dem Ventilkolben (6;46) ausgebildet ist, wobei die zweite konische Dichtfläche (52) an dem Führungskörper (3;43) ausgebildet ist Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Tankventils (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtkörper (57) vor einer finalen Bearbeitung in eine an dem Führungskörper (43) oder dem Ventilkolben (46) vorgesehene Ringnut (56) eingepresst wird, um einen der zwei kreisringartigen Dichtabschnitte (51 ,52) darzustellen, wobei die Ringnut (56) und der Dichtkörper (57) so gestaltet sind, dass der Dichtkörper (57) mit einem zu bearbeitenden Überstand aus der Ringnut (56) herausragt Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper (57) in einer Aufspannung mit einem Führungsdurchmesser innen an dem Führungskörper (43) oder außen an dem Ventilkolben (46) spanend bearbeitet wird, um die beiden kreisringartigen Dichtabschnitte (51 ,52) fertigzustellen. Ventilkolben (3;43) und/oder Führungskörper (6;46) für ein Tankventil (1 ;41) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.