CN110621928B - 具有可变质量流量的泄压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于压力容器(110)的泄压装置(113)，该压力容器用于存储在环境压力下为气态的燃料(125)。该泄压装置(113)构造用于在满足触发条件时打开该泄压装置(113)的压力容器连接元件(214)和该泄压装置(113)的出口(124)之间的通道(303)，从而燃料(125)能够通过通道(303)从连接到压力容器连接元件(214)的压力容器(110)流入压力容器(110)的环境中，以便降低压力容器(110)内部的内部压力。此外，该泄压装置(113)构造用于随着连接到压力容器连接元件(214)的压力容器(110)的内部压力的减小而减小通道(303)的横截面(301)。

Description

具有可变质量流量的泄压装置
技术领域
本发明涉及一种用于压力容器的泄压装置，该泄压装置构造用于改变从压力容器中排出的流体的质量流量。
背景技术
道路车辆可具有燃料电池，该燃料电池基于燃料、如氢产生电能以运行、尤其是驱动车辆。燃料可存储在车辆的一个或多个压力容器或压力罐中，压力容器具有一个或多个压力容器壁，其包围用于容纳燃料的空腔。燃料可通过阀从压力容器引导到车辆的燃料电池。压力容器可设置在车辆的底部上或底部组件中。
用于存储燃料的压力容器通常具有至少一个泄压装置，当检测到压力容器有损坏(特别是破裂)的危险时，燃料可通过泄压装置从压力容器中离开。因此可减小压力容器损坏的风险。另一方面，流出的燃料可能会对压力容器的直接环境构成风险。
发明内容
本文的技术任务在于提供一种用于压力容器的泄压装置，通过该泄压装置可增加压力容器的安全性以及对压力容器环境的安全性。
根据一方面，描述了一种用于压力容器的泄压装置(如温度压力释放装置，TPRD)。压力容器可设计用于存储在环境压力下为气态的燃料(特别是H2)。泄压装置可包括阀。泄压装置可通过压力容器连接元件与压力容器的开口连接，使得该开口在泄压装置的封闭状态中被封闭。例如压力容器连接元件可拧到压力容器的开口上。
泄压装置构造用于在满足触发条件时(例如在达到和/或超过温度阈值时)打开泄压装置的压力容器连接元件和泄压装置的出口之间的通道。通过打开通道，存储在压力容器中的流体、如燃料可通过通道从连接到压力容器连接元件的压力容器流入压力容器的环境中，以便降低压力容器内部空间中的内部压力。通过降低压力容器的内部压力例如可在压力容器的环境发生火灾时降低压力容器突然故障的风险。为了打开通道，可使泄压装置的一个或多个封闭件运动以释放通过泄压装置的一个或多个子通道。
泄压装置还可构造用于随着连接到压力容器连接元件的压力容器的内部压力的减小而减小通道的横截面。在此尤其是可减小对于流过通道的流体的质量流量重要的通道横截面，以减小质量流量。当压力容器连接元件处的压力与出口处的压力之差值减小时，尤其是可减小通道的横截面。
因此，泄压装置可构造用于在压力容器的相对高的内部压力下(即在压力容器连接元件处的相对高的压力下)提供具有相对大的横截面的流出通道。另一方面，在压力容器的相对低的内部压力下可提供具有相对小的横截面的流出通道。横截面的减小在此可随着压力容器内部压力的减小而连续或逐级地进行。因此，在压力容器的相对高的内部压力下可实现从压力容器排出的流体的相对高的质量流量，以便尽可能快地降低压力容器破裂的风险。另一方面，在压力容器的相对低的内部压力下可实现从压力容器排出的流体的相对低的质量流量，以减小排出的流体对压力容器的环境造成的风险(如火灾风险)。因此，在本文中描述的泄压装置允许增加压力容器的安全性(特别是在火灾和/或事故情况下)。
泄压装置可构造用于在内部压力达到或低于压力阈值时减小通道的横截面。在此压力阈值可取决于压力容器的破裂压力。尤其是，压力阈值可取决于在存在压力容器环境的特定条件(如压力容器环境的特定温度)时压力容器的破裂压力。
泄压装置的触发条件例如可以是达到和/或超过泄压装置的温度阈值。尤其是，在达到温度阈值(如110℃)时，泄压装置的触发元件(如玻璃安瓿或低共熔物)可触发，以释放通过泄压元件的通道。压力阈值则可取决于在等于或大于温度阈值的温度下压力容器的破裂压力。通过在设计泄压装置时考虑压力容器的破裂压力可进一步提高压力容器的安全性。
泄压装置可包括两个或更多个不同的隔板，其允许通道的两个或更多个不同的横截面。所述两个或更多个隔板可至少部分地在不同的内部压力下对于燃料而言是可通过的。尤其是，在相对高的内部压力下，至少一个具有相对大的横截面的隔板能够是可通过的。另一方面，在相对低的内部压力下仅一个或多个具有相对小的横截面的隔板能够是可通过的。因此，通过使用不同的隔板可以有效且可靠的方式调整通过泄压装置的通道的横截面。
泄压装置可包括至少一个隔板，其影响通道的横截面,隔板的几何形状(尤其是由隔板引起的横截面)取决于压力容器的内部压力。例如隔板可包括柔性材料，该柔性材料根据压力容器连接元件与出口之间的压力差而不同程度地变形并且由此改变通道的横截面。因此允许有效且可靠地调整通过泄压装置的通道的横截面。
泄压装置通常包括壳体，在该壳体上(在第一侧上)设置压力容器连接元件并且在该壳体上(在不同的第二侧上)设置泄压装置的出口。壳体可构造用于包围压力容器连接元件和出口之间的通道。壳体例如可以是圆柱形的。
泄压装置可构造用于根据内部压力打开(总)通道的通至出口的主通道和/或副通道，以改变(总)通道的横截面。换句话说，在泄压装置的壳体内可提供多个不同的子通道(如主通道和副通道)，它们一起形成具有特定横截面的(总)通道。可根据压力容器的内部压力至少部分选择性地打开子通道，以调整通过泄压装置的(总)通道的横截面。通过提供不同的子通道，这些子通道可根据压力条件选择性地打开或封闭，可以可靠的方式逐级地调整通过泄压装置的(总)通道的横截面。
尤其是，泄压装置可构造用于在满足触发条件时，当内部压力大于压力阈值时，打开通至出口的主通道和副通道。于是(总)通道的横截面包括主通道的横截面和副通道的横截面。此外，泄压装置可构造用于当内部压力达到或低于压力阈值时，再次封闭主通道，而保持继续打开副通道。于是(总)通道的横截面包括副通道的横截面，但不再包括主通道的横截面。
泄压装置可包括由壳体包围的主封闭件(如主锥)，该主封闭件在泄压装置的封闭状态中贴靠在壳体的主座上并且因此封闭主通道。主封闭件可在壳体内运动离开主座以打开主通道或运动至主座以封闭主通道。
此外，泄压装置可包括由主封闭件包围的副封闭件(如副锥)，该副封闭件在泄压装置的封闭状态中贴靠在主封闭件的副座上并且因此封闭副通道。在此副通道至少部分地延伸穿过主封闭件。副封闭件可在副封闭件内运动离开副座以打开副通道或运动至副座以封闭副通道。因此，可以有效方式在泄压装置内提供不同的子通道。
泄压装置可包括弹簧，该弹簧构造用于将主封闭件压靠在主座上。弹簧可构造用于(通过相应的复位力)在内部压力达到或低于压力阈值时将主封闭件压回到主座上，以便再次封闭主通道。因此，当达到压力阈值时，主通道可再次封闭，以减小(总)通道的横截面。
如上所述，泄压装置可包括触发元件(例如以在存在触发条件时破裂的安瓿的形式)。触发元件可构造用于将副封闭件压靠在副座上(并且因此封闭副通道并且必要时也封闭主通道)。此外，触发元件可构造用于在满足触发条件时释放副封闭件，以便打开通过主封闭件延伸至出口的副通道。通过释放副封闭件必要时也可释放主封闭件，从而也打开主通道。例如在满足触发条件时，相对于压力容器连接元件位于副封闭件后面的触发元件可被破坏，从而通过作用在副封闭件上的内部压力将副封闭件压离副座，以打开副通道。另外，也可通过作用在主封闭件上的内部压力将主封闭件压离主座，以打开主通道。
根据另一方面，描述了一种用于控制用于压力容器的泄压装置的方法。该方法例如可由电子控制的泄压装置的电子控制单元执行，该控制单元必要时具有用于确定容器压力的压力传感器。压力容器可设计用于存储在环境压力下为气态的流体、尤其是燃料。该方法包括当满足泄压装置的触发条件时打开泄压装置的压力容器连接元件与泄压装置的出口之间的至少一个通道。在此燃料可通过所形成的通道从压力容器连接元件流入泄压装置的环境中，以便降低与压力容器连接元件连接的压力容器的内部空间中的内部压力。该方法还包括当压力容器连接元件处的压力减小时减小通道的横截面。
根据另一方面，描述了一种用于存储燃料的压力容器，该压力容器包括在本文中描述的泄压装置。
根据另一方面，描述了一种车辆(尤其是道路机动车、如轿车或货车)，其包括在本文中描述的压力容器。
应指出，本文中所描述的方法、装置和系统不仅可单独地而且也可结合其它本文中所描述的方法、装置和系统来使用。另外，本文中所描述的方法、装置和系统的任何方面可以多种方式相互组合。
附图说明
下面参考实施例详细阐述本发明。附图如下：
图1a示出车辆中的一种示例性压力容器组件；
图1b示出一种示例性泄压装置。
图2a、2b和2c示出一种示例性泄压装置的不同状态；
图2d示出图2a的泄压装置的示例性压力/质量流量变化曲线；
图3a、3b示出一种示例性泄压装置的不同状态；和
图4示出用于调整通过泄压装置的质量流量的一种示例性方法的流程图。
具体实施方式
如上所述，本文涉及提供一种用于压力容器的泄压装置，通过该泄压装置可提高压力容器的安全性。在此本文尤其是涉及用于机动车的压力容器系统(尤其是压缩氢存储系统(＝CHS系统))的压力容器。压力容器系统用于存储在环境条件下为气态的燃料。压力容器系统例如可用在借助压缩天然气(CNG)或液化天然气(LNG)或氢气运行的机动车中。
这种压力容器系统包括至少一个压力容器或压力罐。压力容器例如可以是低温压力容器(＝CcH2)或高压气体容器(＝CGH2)。
高压气体容器构造用于大致在环境温度下持久地以约350巴(＝相对于大气压力的过压)、更优选约700巴或更大的标称运行压力(也称为公称工作压力或NWP)存储燃料。低温压力容器适用于也在远低于机动车运行温度的温度下以上述运行压力存储燃料。
图1a示出具有压力罐或压力容器110的一种示例性压力容器组件或一种示例性压力容器系统100，其可用于向车辆的燃料消耗器(如燃料电池)101提供燃料(尤其是氢)。压力容器110通过管线112与燃料消耗器101连接。
压力容器110可在端面上具有端部件111、114，这些端部件可在制造压力容器110时用于保持并且必要时用于旋转压力容器110。此外，可在一个端部件111上提供开口，燃料可通过该开口从压力容器110导出(例如通过阀115至管线112)。通常，在压力容器110的开口处(必要时在两个端部件111、114的开口处)典型地设置有泄压装置113，该泄压装置可在存在特定触发条件时(如在存在特定温度、约110℃时)触发，以便将燃料从压力容器110中排放到压力容器110的环境中，以减小压力容器110中的压力。
压力容器110通常包括至少一个纤维增强层。该纤维增强层可至少区域地、优选完全包围内衬。纤维增强层经常也称为层压层或包套或加固层。作为纤维增强层通常使用纤维增强塑料(也缩写为FVK或FKV)、如碳纤维增强塑料(CFK)和/或玻璃纤维增强塑料(GFK)。纤维增强层适宜地包括嵌入在塑料基质中的增强纤维。
图1b示出一种示例性泄压装置113。在封闭状态中泄压装置113的出口124通过塞子或通过封闭件122封闭，塞子122由安瓿123这样保持，使得出口124保持封闭。安瓿123通常包含液体，该液体在加热时膨胀，使得当满足触发条件时安瓿123破裂。塞子122于是释放出口124，从而燃料125可经由出口124从压力容器110流出(参见箭头121)。安瓿123构成一种示例性触发元件，其构造用于确定是否满足泄压装置113的触发条件。
通过排出燃料125可降低压力容器110内的压力，从而降低压力容器110破裂的风险。另一方面，流出的燃料125可能在距出口124一定距离处着火并且可能引起火灾。在此由流出的燃料125引起的着火风险和/或与火灾相关的热作用和/或风险半径典型地随着排出的燃料125的质量流量增加。此外，通过排出的燃料125可排挤空气中的氧气(尤其是在隧道和/或车库中)，这种排挤效果随着质量流量的增加而增加。因此，通过排出燃料125一方面可降低压力容器110破裂的风险。另一方面，排出的燃料125的相对高的质量流量可对压力容器110的直接环境构成风险。
压力容器110的故障(例如在火灾时)通常主要取决于容器内部压力。对于更高的压力，导致压力容器110破裂(例如因CFK加固层的失效引起)。对于较低的压力，可导致压力容器110泄漏(例如因内衬熔化引起)。因此，燃料125的质量流量在泄压时应取决于压力容器110中的压力。当压力容器110中的压力较大时，质量流量应相对大，并且当压力容器110中的压力较低时，质量流量应相对小。只要压力容器110中的压力仍可能导致压力容器110破裂，压力容器110的泄压尤其是应尽可能快地进行并且质量流量应相对大。
相反，如果压力容器110中的压力小于(必要时考虑到安全余量)可导致压力容器110破裂的压力，则泄压应更慢地进行并且质量流量应更小。
为了降低压力容器110破裂的风险，压力容器110中的压力因此应尽可能快地至少降低到特定压力阈值。这可通过排出的燃料125的尽可能高的质量流量来实现。另一方面，排出的燃料125的质量流量应保持尽可能小(至少在达到或低于特定的压力阈值时)，以降低对压力容器110环境的风险。
原则上，开口124——流体离开其从较高压力流向较低压力——已经具有这样的特点，即压力容器110中的压力越高，流体的质量流量就越高。但在本文中提出，通过调整泄压装置113的几何形状来增强该效果并且相应地控制或调节燃料125的质量流量。通常，仅基于泄压装置113的固定几何形状的流动规律不能实现临界压力阈值以上的足够高的质量流量和/或临界压力阈值以下的足够低的质量流量。
泄压装置113例如可具有多个不同的隔板，这些隔板定义出口124的横截面和/或通至泄压装置113的出口124的通道的横截面。不同的隔板在不同的容器内部压力下至少部分地是可通过的并因此根据容器内部压力改变出口124和/或通道的横截面。因此可根据容器内部压力改变排出的燃料125的质量流量。替代或附加地，泄压装置113的一个或多个隔板的几何形状可根据容器内部压力改变并且因此改变出口124和/或通道的横截面。
压力容器110的泄压装置113因此可构造用于随着压力容器110内的介质压力的减小而减小通过泄压装置113的通道的打开程度。因此，在相对高的容器内部压力下，可提供具有相对高的打开程度的通道，以便通过相对高的质量流量将容器内部压力尽可能快地降低到特定压力阈值(以便降低压力容器110破裂的风险)。另一方面，在相对低的容器内部压力下(例如从压力阈值开始)，可减小通道的打开程度，以便通过相对小的质量流量减小对压力容器110的直接环境的风险。尤其是可在相对低的容器内部压力时避免不必要的大质量流量。从而可提高压力容器110的安全性(例如在火灾中)。
图2a示出用于压力容器110的一种示例性泄压装置113。在所示示例中，泄压装置113通过压力容器连接元件214(例如具有螺纹)与压力容器110、例如与压力容器110的端部件111流体密封地连接。容器内部压力在图2a中以p1表示，环境压力(如大气压)以p3表示，并且泄压装置113主锥205处的背压以p2表示。如已经在图1b中所示，泄压装置113包括触发元件201、如安瓿123，其在存在触发条件时、尤其是在存在特定温度下触发并且因此释放泄压装置113的主锥205和副锥208。如图2b所示，通过主锥205可释放主通道211(必要时具有相对大的横截面)，以便允许相对高的质量流量。另一方面，通过副锥208可释放副通道212(必要时具有相对小的横截面)，以便允许相对低的质量流量。
主锥205和副锥208设置在泄压装置113的壳体202中。图2a示出处于封闭状态的泄压装置113。主锥205在此配合在泄压装置113的主座207上，主座207与壳体202固定连接。主锥205因此封闭主通道211。主锥205通过弹簧203压靠在主座207上。
副锥208被主锥205包围并且在封闭状态中贴靠在设置在主锥205上的副座210上，以便封闭延伸通过主锥205的副通道212。副锥208通过触发元件201压靠在副座210上。图2a还示出主锥205的密封环206和副锥208的密封环209。
在存在触发条件时，触发元件201触发。如图2b所示，当容器内部压力p1大到足以克服弹簧203的复位力时，主通道211和副通道212均被释放，从而在相对高的容器内部压力p1下允许排出的燃料125的相对高的质量流量。弹簧203通常不作用在副锥208上，从而即使在相对低的容器内部压力p1下副通道212也被打开(即使当主通道211不应被打开时)和/或防止泄压装置113完全再次封闭。
当容器内部压力p1减小时，弹簧203的复位力这样作用，使得主锥205(必要时再次)压在主座207上并且在此封闭主通道211。另一方面，副通道212保持继续打开。因此，当容器内部压力p1减小时，允许排出的燃料125的减小的质量流量。燃料125通过泄压装置113的出口124排出。图2a、2b、2c还示出泄压装置113的对流开口204。
图2d示出图2a、2b和2c所示的泄压装置113的示例性压力-质量流量变化曲线图。可以看出，当达到和/或低于特定压力阈值时，排出的燃料125的质量流量骤然减小(通过封闭主通道211)。
图3a和3b示出具有柔性隔板302的一种示例性泄压装置113。在相对高的容器内部压力下，如图3b所示，隔板302弯曲，使得通过泄压装置113的(总)通道303的横截面301相对大并且因此允许相对大的质量流量。另一方面，在相对低的容器内部压力下，隔板302不弯曲或弯曲减小，使得(总)通道303的横截面和因此质量流量减小。
图4示出用于控制用于压力容器110的泄压装置113的一种示例性方法400的流程图，压力容器110例如用于存储在环境压力下为气态的燃料125。该方法400可通过泄压装置113的控制单元117执行(例如在电子控制的泄压装置113中)。这在图1a中示例性示出。尤其是图1a示出可选的控制单元117和可选的压力传感器116。压力传感器116可构造用于检测关于压力容器110的容器内部压力的传感器数据。控制单元117可构造用于根据传感器数据控制泄压装置113的一个或多个致动器以执行方法400。
另一方面，方法400可通过泄压装置113的相应机械设计来执行。
方法400包括在满足泄压装置113的触发条件时打开401泄压装置113的压力容器连接元件214与泄压装置113的出口124之间的通道303。通过打开401通道303允许来自与压力容器连接元件214连接的压力容器110的燃料125能够通过通道303从压力容器连接元件214经由出口124流入泄压装置113的环境中，以便降低压力容器110内部空间中的内部压力。
此外，方法400包括当压力容器连接元件214处的压力减小时减小402通道303的横截面301。通过减小通道303的横截面301可减小流过泄压装置113的燃料125的质量流量。
本发明不限于所示的实施例。尤其是应注意，说明书和附图仅应说明所提出的方法、装置和系统的原理。
附图标记列表
100 压力容器组件
101 燃料消耗器
110 压力容器
111、114 端部件
112 管线
113 泄压装置
115 阀
116 压力传感器
117 控制单元
121 流动方向
122 封闭件(塞子)
123 安瓿
124 出口
125 燃料
201 触发元件
202 壳体
203 弹簧
204 对流开口
205 主封闭件(主锥)
206 主封闭件的密封装置
207 主座
208 副封闭件(副锥)
209 副封闭件的密封装置
210 副座
211 主通道
212 副通道
214 压力容器连接元件
301 横截面
302 隔板
303 通道
400 用于控制泄压装置的方法
401-402 方法步骤

Claims (9)

1.用于压力容器(110)的泄压装置(113)，所述压力容器用于存储在环境压力下为气态的燃料(125)，该泄压装置(113)构造用于
-在满足触发条件时打开该泄压装置(113)的压力容器连接元件(214)和该泄压装置(113)的出口(124)之间的通道(303)，从而燃料(125)能够通过通道(303)从连接在压力容器连接元件(214)上的压力容器(110)流入压力容器(110)的环境中，以便降低在压力容器(110)内部空间中的内部压力；并且
-随着连接到压力容器连接元件(214)的压力容器(110)的内部压力的减小而减小通道(303)的横截面(301)，所述泄压装置(113)构造用于在内部压力达到或低于压力阈值时减小通道(303)的横截面(301)，并且所述压力阈值取决于压力容器(110)的破裂压力，
其中，
-泄压装置(113)包括壳体(202)，在该壳体(202)上设置该泄压装置(113)的压力容器连接元件(214)和出口(124)，并且该壳体构造用于在压力容器连接元件(214)和出口(124)之间形成所述通道(303)；并且
-泄压装置(113)构造用于根据内部压力打开通道(303)的通至出口(124)的主通道(211)和/或副通道(212)，以改变通道(303)的横截面，
所述泄压装置(113)构造用于，当内部压力大于压力阈值时，打开通至出口的主通道和副通道，并且当内部压力达到或低于压力阈值时，再次封闭主通道而保持继续打开副通道。
2.根据权利要求1所述的泄压装置(113)，其中，
-所述触发条件包括达到和/或超过在泄压装置(113)处的温度阈值；并且
-所述压力阈值取决于压力容器(110)在等于或大于所述温度阈值的温度时的破裂压力。
3.根据权利要求1或2所述的泄压装置(113)，其中，
-泄压装置(113)包括两个或更多个隔板(302)，所述两个或更多个隔板能够实现通道(303)的两个或更多个不同的横截面(301)；并且
-所述两个或更多个隔板(302)至少部分地在不同的内部压力时对于燃料(125)而言是可通过的。
4.根据权利要求1或2所述的泄压装置(113)，其中，
-泄压装置(113)包括至少一个隔板(302)，所述隔板影响通道(303)的横截面(301)；并且
-隔板(302)的几何形状取决于压力容器(110)的内部压力。
5.根据权利要求1或2所述的泄压装置(113)，其中，该泄压装置(113)包括
-由壳体(202)包围的主封闭件(205)，该主封闭件在泄压装置(113)的封闭状态中贴靠在壳体(202)的主座(207)上并且因此封闭主通道(211)；和
-由主封闭件(205)包围的副封闭件(208)，该副封闭件在泄压装置(113)的封闭状态中贴靠在主封闭件(205)的副座(210)上并且因此封闭副通道(212)；副通道(212)至少部分地延伸通过主封闭件(205)。
6.根据权利要求5所述的泄压装置(113)，其中，
-泄压装置(113)包括弹簧(203)，该弹簧构造用于将主封闭件(205)压向主座(207)；并且
-该弹簧(203)构造用于在内部压力达到或低于压力阈值时将主封闭件(205)压回到主座(207)上，以便再次封闭主通道(211)。
7.根据权利要求5所述的泄压装置(113)，其中，
-泄压装置(113)包括触发元件(201)；
-触发元件(201)构造用于将副封闭件(208)压靠在副座(210)上；并且
-触发元件(201)构造用于在满足触发条件时释放副封闭件(208)，以便打开通过主封闭件(205)通向出口(124)的副通道(212)。
8.根据权利要求1或2所述的泄压装置(113)，其中，泄压装置(113)构造用于
-在满足触发条件时，当内部压力大于压力阈值时打开通至出口(124)的主通道(211)和副通道(212)；并且
-当内部压力达到或超过压力阈值时，再次封闭主通道(211)，而副通道(212)保持继续打开。
9.用于控制根据权利要求1至8之一所述的用于压力容器(110)的泄压装置(113)的方法(400)，该压力容器用于存储在环境压力下为气态的燃料(125)；该方法(400)包括：
-当满足泄压装置(113)的触发条件时，打开(401)泄压装置(113)的压力容器连接元件(214)和泄压装置(113)的出口(124)之间的通道(303)；燃料(125)能够通过通道(303)从压力容器连接元件(214)流入泄压装置(113)的环境中，以便降低与压力容器连接元件(214)连接的压力容器(110)的内部空间中的内部压力；并且
-当压力容器连接元件(214)处的压力减小时，减小(402)通道(303)的横截面(301)。
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