CN109416128A - 储罐阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可安装在压缩气体容器(3)上的储罐阀(4)，所述储罐阀包括基体(5)、数个用于为所述压缩气体容器(3)装填、用于从所述压缩气体容器(3)提取气体以及用于实现安全和操作功能的功能亚组，其中所述功能亚组中的一者构建为提取阀(6)，且其中所述功能亚组中的至少另一者构建为止回阀(14、17)。本发明的储罐阀的特征在于，所述提取阀(6)和所述至少一个止回阀(14、17)均各自具有包含阀座(21)的阀座载体(22)以及阀体(19)，其中所述阀座载体(22)的与所述阀体(19)配合作用的部分具有沿轴向突出的密封唇(23)作为所述阀座(21)的一部分。

Description

储罐阀

技术领域

本发明涉及一种权利要求1前序部分中详细定义的类型的储罐阀。本发明还涉及这种储罐阀的应用。

背景技术

由一般现有技术已知可安装在压缩气体容器上的储罐阀。这样一种储罐阀的英文名称为On-Tank-Valve，简称OTV。其中，储罐阀是一种包含基体的结构，该基体具有实现储罐阀功能所需要的所谓的功能亚组。这类功能亚组例如可包括提取阀、止回阀、安全阀、(手动)关断阀、过滤器、用于装填和/或提取的气体接头或类似之物。

关于这种储罐阀，应例示性地参考JP 2009-168165 A，该案以高压阀这一名称披露储罐阀。其他阀例如由US 2009/0146094 A1揭示，或者以先导阀的设计也由EP 1 682801B1揭示。

这类配置的不足之处一方面在于以下事实：特别是作为提取阀的先导阀区域的密封以及止回阀区域的密封要求较高的压力差才能可靠地发挥作用。储存众所周知容易挥发的氢气时，尤为如此。另一缺点是这类储罐阀的成本较高，因为这样一个储罐阀内部需要非常多的不同部件，而其中的部分部件的形状极为复杂。

由US 8 087 642 B2作为进一步的一般现有技术还已知一种用于二氧化碳储存器的装填阀。其中，在该装填阀的实施变体中可设置密封唇，该密封唇构建为阀座或阀体的一部分以改善密封。

发明内容

本发明的目的是提供一种非常简单且成本上有利的储罐阀，这种储罐阀在密封方面的功能极为可靠。

根据本发明，这个目的通过一种具有权利要求1特征部分中的特征的储罐阀而达成。有利的技术方案和进一步方案可从从属权利要求中获得。此外，权利要求10涉及这种储罐阀的特别优选的应用。

如同从一般现有技术中已知的那样，本发明的储罐阀具有提取阀和至少一个止回阀。根据本发明，所述提取阀和所述至少一个止回阀均各自具有包含阀座的阀座载体以及阀体。其中，所述阀座载体的与所述阀体配合作用的部分具有沿轴向突出的密封唇作为所述阀座的一部分。这样一个沿轴向突出于阀座载体的材料的密封唇能够实现阀座在这个密封唇区域内的高弹性。借此实现阀座与阀体的良好贴靠，进而实现极佳的密封。通过借助密封唇而实现的弹性以及由此而得到改善的密封，即使在涉及易挥发气体(例如氢气)的情况下也能取得很好的密封效果。在提取阀区域和止回阀区域内均是如此。特别地，即使在其中一侧与另一侧之间的压力差较小的情况下(这在特别是可构建为先导阀的提取阀的循环操作过程中经常发生并且在止回阀工作时偶尔发生)，也能实现很好的密封。

其中，所述阀体和/或所述阀座可一方面构建为球形部件且另一方面构建为截球面。球形部件与锥形阀座之间的组合也是可行的。而根据特别有利的技术方案，通过以下方式能够取得特别好的密封效果：所述提取活塞的用作阀体的部分呈锥形，并且所述锥形阀体与锥形阀座配合作用，其中所述阀体和所述阀座的锥体的张角彼此不同。在此情况下，这样一个锥形阀体就可以理想地与锥形阀座配合作用。其中，本发明所称的“锥形”可理解为一种又被称作截锥侧面的形状。其中，本发明所称的“锥形”不仅包括单独一个截锥的侧面，而是也可包括具有不同张角的不同截锥的数个彼此相接的侧面。也就是说，规定形状的截锥可包括数个不同张角的轴向部分。这样的截锥能实现极佳密封，尤其是在以下情况下：根据上述思路，锥形阀体在其接触锥形阀座的区域内相比阀座具有更小或更大的截锥张角。阀体和阀座这两个锥形配合元件的截锥的彼此不同的张角中的这个区别能使阀体基本上呈线形地环周贴靠阀座。借此达到相应高的单位面积接触压力，进而实现极佳密封，尤其在涉及氢气的情况下，这在密封性方面能够实现决定性优势。

其中，根据本发明储罐阀的非常有利的技术方案，可如下设置：所述提取阀中和所有止回阀中的所述阀座载体是相同部件。通过将用于储罐阀基体内部的所有止回阀和提取阀的包含密封唇的阀座载体构建为全同件，可增加同类型部件的数量。这使得这些部件中的每一者均通过规模效应而变得成本更低，从而总体上也能相应地降低储罐阀的成本。

根据本发明储罐阀的另一非常有利的技术方案，可进一步如下设置：所述阀座载体抗扭地固定在所述基体中，并且承载或具有所述阀体的阀体载体被构建为通过至少一个导引元件而相对所述阀座载体为抗扭。这个结构例如可以通过导引销或者阀体载体和用于阀体载体的导引开口的非旋转对称形状而实现，这个结构防止阀座和阀体工作时相对于彼此扭转。工作时，阀开启和关闭，因而在开启位置上，阀座与阀体分离，而在关闭位置上，阀体贴靠阀座。因此，随着工作时间的增加和启闭循环的增加，两个部件的表面之间无论如何都会发生——至少轻微的——机械适应。在此情况下，阀体和/或阀座中最低程度的变形将有助于进一步改善这两个部件的表面贴靠，进而提高密封效果。也就是说，通过防止部件在工作过程中相对于彼此旋转，最终能提升密封性。

根据所述储罐阀的一个非常有利的进一步方案，可以在使用密封唇的情况下如下设置：在所述密封唇周围设置激活容积，所述激活容积与处于所述关闭位置上的所述阀体和所述阀座处的压力下的气体连通。当阀体处于关闭位置时，这个激活容积位于阀座的密封唇的远离阀体的一侧，其使得：处于过压下的气体的作用于这个激活容积区域的压力将相对具有弹性的密封唇推向阀体。也就是说，处于过压下的气体的压力帮助将密封唇尽可能固定且密封地压到阀体上。亦即，气体自行帮助改善密封，因而可称之为压力激活。

根据特别有利的技术方案，所述提取阀可构建为电磁致动的先导阀，其中包含所述阀座的所述阀座载体以及所述阀体形成所述先导阀的主密封部。这种将提取阀构建为先导阀的技术方案在例如用于储存氢气或压缩天然气的高压气体储存器领域中基本上是已知的。对这种先导阀的控制通常以电磁方式进行并且在第一次激活后由气体的压力自行支持，从而可以通过这种先导阀实现非常可靠且效果良好的定量。这个先导阀可在其主密封部区域内具有带密封唇的阀座，因而即使在涉及密封要求严格的气体(例如氢气)的情况下，也能实现很好的密封。

根据所述储罐阀有利的进一步方案，可进一步地如下设置：所述至少一个止回阀构建为装填管道中的止回阀且/或构建为提取管道中的止回阀。止回阀常用于储罐阀领域。特别是设于装填管道区域的止回阀是普遍已知且常见的。应用于装填管道时，止回阀被装填时流入压缩气体容器的气体推开，并且在装填结束后被存在于压缩气体容器内部的压力可靠地封闭。也就是说，用密封唇密封的技术方案在此总能在正好不装填时确保装填路径的可靠密封。

替代性或补充性地，所述止回阀也可以形成在所述提取管道中。在实际操作中，提取阀(尤其是当其构建为先导阀时)在反向于该提取阀的常规通流方向作用的高差压下并不或者说并不总是可靠地关闭。因此，为了防止气体贯穿提取阀而流入，可在提取管道中设置止回阀。其中，这个止回阀按以下方式布置：止回阀在提取气体时开启，在装填时相应地关闭，以防气体在装填过程中通过提取管道。良好的密封在此也很重要，因此用密封唇进行上述意义上的密封，对于这个止回阀而言也特别有利。

根据本发明储罐阀的特别有利的进一步方案，所述阀座载体和/或所述阀体可由高性能塑料形成，特别是可由高性能热塑性塑料形成。高性能塑料如PEEK(聚醚醚酮)、PI(聚酰亚胺)、PAI(聚酰胺酰亚胺)或其他高性能塑料的这种使用是特别有利的。这些高性能塑料具有高于工作时通常所产生的温度的玻璃化转变温度和熔化温度。如此一来，在提取阀工作时所处的整个温度范围内均存在均匀且一致的材料特性。此外，高性能塑料在机械形状稳定的同时具有一定的、特别是约为3％的剩余弹性。这足以在阀座与阀体之间确保密封效果极好的贴靠。其中，上述塑料可以按期望的方式很好地被加工。举例而言，可以通过注射压缩成型或烧结来进行加工，特别是在密封唇的形成激活容积的底切区域内进行机械后处理。此外，高性能塑料具有很好的滑动性能、较高的耐磨性和极佳的机械特性。因此，高性能塑料能够理想地用来构建根据本发明的阀座和/或阀体。特别是与密封唇一体成型的阀座，通过采用这类高性能塑料能够实现非常简单而有效的结构。举例而言，阀座连同其密封唇可用PEEK或PI制成。在此情况下，该阀座将会理想地与一体安装在提取活塞上的阀座配合作用，而这个阀座则由提取活塞的材料(例如钢材，特别是1.4016IM、1.4435或SUSF316L)制成，或者同样由上述高性能塑料中的一种制成。

本发明的储罐阀的决定性优势在于功能可靠和制造成本下降。这些优点的效果特别体现在部件数很多的车辆应用上。因此，本发明提出一种根据权利要求10所述的储罐阀在压缩气体容器上的应用，所述压缩气体容器在车辆中用于特别是在超过65MPa的标称压力下储存作为燃料的氢气或天然气。

本发明储罐阀及其应用的进一步的有利技术方案还可从进一步的从属权利要求以及下文参照附图所详细说明的实施例中获得。

附图说明

其中：

图1为以原理图形式被示出的车辆，具有用于压缩气体(作为燃料)的储存系统；

图2以气动流程图示出根据本发明的可能的储罐阀的示意图；

图3为处于开启位置的先导阀的密封区域的不按比例的剖面原理图；及

图4为处于关闭位置的止回阀的密封区域的不按比例的剖面原理图。

具体实施方式

图1中纯例示性地示出车辆1。该车辆由气态燃料驱动，例如压缩天然气或压缩氢气。为此，燃料可以在内燃机中，或者特别是在使用氢气的情况下，优选也在燃料电池系统中被转换成用于驱动的功率。为了储存压缩气体，车辆1中存在整体用2标示的储存装置。该储存装置由数个单个的压缩气体容器3组成，这些压缩气体容器中的每一者均具有储罐阀4。这个储罐阀4又称On-Tank-Valve，或者简称为OTV。其中，各压缩气体容器3可连同其储罐阀4一起例如以从前述现有技术中已知的方式通过公共管道彼此相连，以便能在车辆中使用来自储存装置2的气体。其中，特别是在储存氢气的情况下，例如在优选应用于燃料电池系统的情况下，这种带有储罐阀4的压缩气体容器3的标称压力通常处于70MPa的数量级。除了对各压缩气体容器3及其储罐阀4提出安全要求外，还须在密封性方面以及在安全、可靠且低成本地制造压缩气体容器及其储罐阀的可能性方面提出高要求。

图2示出储罐阀4的示意图。其中，储罐阀4包括基体5，该基体主要由两个部分组成。第一基体部分5.1采用在储罐阀4后续完成安装时伸入相应的压缩气体容器3的设计。在此处示出的实施例中，第一基体部分为此而具有图中未示出的螺纹，该螺纹与此处未示出的压缩气体容器3的容置元件中的相应螺纹配合作用。第二基体部分5.2在图2中示出在储罐阀4的下部区域中。这个第二基体部分5.2在储罐阀4完成安装后位于压缩气体容器3外部。其中，第二基体部分5.2具有储罐阀4的数个所谓的功能亚组。其中，第二基体部分5.2中的功能亚组包括电磁致动的先导阀6，作为用于从压缩气体容器3提取气体的提取阀6。该先导阀由用7标示的电磁线圈致动。关于这种先导阀的功能，例如可参考本申请人的DE 102013 019 978 A1中的实施方案。

在图2中可看到整合/集成在第二基体5中的其他功能亚组。这些功能亚组可包括各种功能。下文将对其中的部分功能进行阐述，而附图中不示出功能亚组。然而，鉴于本领域技术人员熟悉这些功能亚组，因而不再加以赘述。图中未示出、但可存在于储罐阀4中的这些功能亚组例如可包括手动关断阀。此外还可存在热触发安全阀作为其他功能亚组。这样的热触发安全阀原则上是已知的一般现有技术。在一般的实施方式中，此处使用具有中央孔洞的螺钉。中央孔洞中设有焊料或用焊料保持的阻挡体。如果储罐阀4或热触发安全阀的区域被加热至超过焊料的熔化温度，螺钉上的通孔就会开通，压缩气体容器内部与螺钉永久连通/接触的气体就能排出。特别是在欧美市场很常用的替代方案是这样一种结构：阀体被装有低沸点液体的玻璃安瓿保持在位置上。玻璃安瓿中的液体的沸点被调整为使得液体在达到热触发安全阀的临界温度时开始沸腾。由于沸腾时体积变大，玻璃安瓿被破坏并且相对阀座释放阀体。由于压缩气体容器中的气体的作用在阀体上的压力，阀体背离阀座而运动至开启位置，使得气体能够从压缩气体容器3排出。

图2中示出气体接头8作为第二基体5区域内的其他功能亚组。这个气体接头用于通过先导阀6从压缩气体容器提取气体以及用于为压缩气体容器3装填。第一过滤器9可整合在气体接头8中。为了装填和提取气体，储罐阀4可通过气体接头8连接至管道系统，该管道系统将配设有储罐阀4的压缩气体容器3与装填管道和用气设备和/或储存装置2的其他压缩气体容器3连接起来。

气体接头8通过管道部分10在基体5中进一步延伸且接着分岔成装填管道11和提取管道12。其中，两个管道具有相同的可通流横截面。这尤其使得一般通过在基体5中钻孔而形成的管道11、12的制造特别简单。装填管道11通向管部13并且具有止回阀14。这个止回阀14在装填过程中克服弹簧的力而被推开，使得装填时气体能够通过管部13而流入压缩气体容器3。流入物在轻微弯曲或轻微弯折的管部13的导引下从温度传感器15旁边经过，使得温度传感器测量的是在压缩气体容器3中形成的气体混合物的温度，而非直接流入的气体的温度。

提取管道12同样穿过基体5并且具有过滤器16。提取管道12具有先导阀6作为提取阀6，该先导阀例如以前述德国申请中所引用的方式发挥作用。此外，提取管道12中设有其他止回阀17。该止回阀在正常情况下受弹簧作用而轻微开启。提取时流向先导阀6的气体在弹簧支持下将该止回阀推开，以便能顺利提取。装填时则是：先导阀6在压力差较高时将允许气体通过。因此，为了防止气体通过先导阀6，止回阀17采用如下实施方式：该止回阀在装填压缩气体容器3时的流动方向下克服弹簧的力而将提取管道12阻断。如此一来，一方面使先导阀6得到保护，另一方面防止气体直接在温度传感器15附近排出，从而非期望地使位于压缩气体容器3中的气体的实测温度失真。

储罐阀4中的提取阀6和两个止回阀14、17均一方面具有阀体且另一方面具有阀座。在图2的示意图中，这些部件没有用具体数字标示。在图3中可以看到提取阀或先导阀6的所谓的主密封部18的示意图。主密封部18一方面由阀体19构成，该阀体在此被图示为所谓的提取活塞(作为先导阀6的阀体载体28)的一部分或尖部。阀体19在中央具有用20标示的孔洞，该孔洞通向提取活塞另一端上的所谓的先导开口。在功能方面，例如本申请人关于先导阀的前述申请中有详细说明，因而不必再进一步展开。功能对于本发明来说也不那么重要。阀体19与阀座21配合作用。其中，图3示出主密封部18的开启位置。在关闭位置上，阀体19和阀座21将相应地彼此接触。其中，阀座21形成在阀座载体22中，该阀座载体密封且抗扭地加工在(例如压入)基体5中。在阀体19在关闭位置上贴靠阀座21的区域内还设有密封唇23，该密封唇朝阀体19方向突出于阀座载体22的基体。

如前所述，本发明所称的“锥形”可理解为一个截锥侧面，或者也可理解为两个或数个彼此相接的——酌情在衔接处倒圆的——具有不同张角的截锥侧面。阀体19同样采用本发明所称的锥形设计。作为替代方案，也可以采用轻微倒圆的锥体或具有相应大小的半径的球形元件。其中，锥体的角度或者(球形元件情况下)阀座21与阀体19之间的接触区域内的切线并不相同，而是彼此不同。其中，阀体19的张角(例如90°)优选小于形成阀座19的、与接触区域相切的锥体的张角(例如100°)。借此确保阀体19与阀座21的线贴靠(Linienanlage)，线贴靠能实现很大的单位面积接触压力，进而取得很好的密封效果。在图4中，这个结构图示在中心线右侧。在图4中的左侧则示出如下结构：形成阀座19的、与接触区域正切的锥体具有与右侧相同的角度，而阀体28则应具有更大的、例如约为110°的角度。

其中，阀座载体22优选用高性能塑料制成，例如PEEK、PI或PAI。整个提取活塞或形成阀体19的区域可例如由钢材形成，或者优选地同样由类似的高性能塑料形成。其中，这些高性能塑料具有以下优点：它们具有高于工作时通常所产生的温度的玻璃化转变温度。如此一来，在储罐阀4工作时所处的整个温度范围内均存在均匀且一致的材料特性。此外，高性能塑料在机械形状稳定的同时具有一定的、特别是约为3％的剩余弹性。这足以在阀座21与阀体19之间确保密封效果极好的贴靠。借此实现提取阀4的主阀座的良好密封，特别是在涉及易挥发气体且标称压力很高的情况下也是如此，例如涉及氢气且标称压力为70MPa，这在实际操作中可能会产生介于一般情况下的10MPa与105MPa之间的压力。

采用此处所示的设计的阀座21还具有密封唇23。这个密封唇23被构建为朝提取活塞方向突出于阀座载体22的材料。在密封唇23与保持环24之间留有空着的空间，该保持环例如用于相对基体5可靠地固定阀座载体22。在关闭位置上，这个空间与处于主密封部18的压力下的气体连通。这个空间形成激活容积25。由此，激活容积25中的处于压力下的气体帮助朝阀体19方向推动密封唇23，从而改善密封。也可称之为压力激活。

其中，提取时气体的主流动方向在图3中以用于说明提取时的流动方向的箭头E表示。

图4以与图3相似的方式示出一个或两个止回阀14、17中的与主密封部类似的结构，只是这次是在关闭位置上。其中，在中心线右侧示出张角小于阀座21的角度的阀体28的结构，在中心线左侧示出在阀座相应具有相同角度的情况下阀体的更大角度。其中，带有阀座21的阀座载体22构造相同且同样具有密封唇23。阀座载体抗扭地连接基体5，例如以压入方式且/或由保持环24相应地保持。唯一的区别在于阀体19，阀体在此不是提取活塞的一部分，因而不具有孔洞20。除此之外，功能基本上是一样的。装填时，气体按照流动方向B由装填管道11输送并且将阀体19推入其开启位置。装填结束后，装填管道11中不再有压力，因此阀体19被压缩气体容器3中的内压推入此处所示的关闭位置。也就是说，压力在这种情况下是处于阀座载体22上方。在此，压力也会扩散到激活容积25中，从而实现与主密封部18一样的功能。其中，阀座载体22在两种应用实例中均实施为全同件/可互换件，因而由于储罐阀4内部需要的部件数较大而能相应地以更低成本制造。

图4中还以纯例示性的方式示出防止阀体19相对阀座载体22扭转的防扭保护。为此，在包含阀体19的阀体载体28上例如开设凹槽26。借助于保持在(例如被压入)基体5中的、与凹槽26对应的销件27，可以没有问题地进行轴向运动，在图4中也就是向上和向下的运动。只是，由于起防扭保护作用的销件27和凹槽26的阻止而无法扭转。也可以采用例如以形状配合方式容置导引元件或类似于这样的替代性技术方案。

Claims (9)

1.一种用于安装在压缩气体容器(3)上的储罐阀(4)，所述储罐阀包括基体(5)、数个用于为所述压缩气体容器(3)进行装填、用于从所述压缩气体容器(3)提取气体以及用于实现安全和操作功能的功能亚组，其中所述功能亚组中的一个构建为提取阀(6)，且其中所述功能亚组中的至少另一个构建为止回阀(14、17)，其特征在于，所述提取阀(6)和至少一个止回阀(14、17)均各自具有包含阀座(21)的阀座载体(22)以及阀体(19)，其中所述阀座载体(22)的与所述阀体(19)配合作用的部分具有沿轴向突出的密封唇(23)作为所述阀座(21)的一部分。

2.根据权利要求1所述的储罐阀(4)，

其特征在于，

所述阀体(19)和所述阀座(21)呈锥形，其中所述阀体(19)和所述阀座(21)的锥体的张角彼此不同。

3.根据权利要求1或2所述的储罐阀(4)；

其特征在于，

所述提取阀(9)中和所有止回阀(14、17)中的所述阀座载体(22)是相同部件。

4.根据权利要求1、2或3所述的储罐阀(4)，

其特征在于，

所述阀座载体(22)中的每一个均抗扭地固定在所述基体(5)中，具有所述阀体(19)的阀体载体(28)被构建为通过至少一个导引元件(26、27)而相对于所述阀座载体(22)不能转动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的储罐阀(4)，

其特征在于，

围绕所述密封唇(23)设置有激活容积(25)，所述激活容积与在压力下作用在位于关闭位置中的所述阀体(19)和所述阀座(21)上的气体相连通。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的储罐阀(4)，

其特征在于，

所述提取阀(6)构建为可电磁致动的先导阀(6)，其中包含所述阀座(21)的所述阀座载体(22)以及所述阀体(19)形成所述先导阀的主密封部(18)。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的储罐阀(4)，

其特征在于，

所述至少一个止回阀(14、17)构建为装填管道(11)中的止回阀(14)且/或构建为提取管道(12)中的止回阀(17)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的储罐阀(4)，

其特征在于，

所述阀座载体(22)和/或所述阀体(19)由高性能塑料形成。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述的储罐阀(4)在压缩气体容器(3)上的应用，所述压缩气体容器用于在车辆(1)中——特别是在超过65MPa的标称压力下——储存作为燃料的氢气或天然气。