CN112689729A - 用于存储气态介质的箱设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于存储气态介质、尤其是的箱设备(1)，所述箱设备具有阀装置(2)和箱(10)，其中，所述阀装置(2)具有带有纵轴线(11)的阀壳体(20)。在所述阀壳体(20)中构造有内室(7)，在所述内室(7)中布置有能够沿所述纵轴线(11)运动的主阀元件(16)，所述主阀元件(16)与第一阀座(40)共同作用并且因此构成主阀(43)。相对于所述主阀元件(16)轴向地布置有能够沿着所述纵轴线(11)运动的操控阀元件(18)，所述操控阀元件(18)为了打开和关闭进入开口(160)与第二阀座(41)共同作用并且因此构成操控阀(44)。所述阀装置(2)还包括电磁线圈(14)。此外，所述进入开口(28)相对于排出开口(30)轴向地布置在所述阀壳体(20)中，由此，能够相对于所述纵轴线(11)轴向地流入或流出所述阀装置(2)，并且所述电磁线圈(14)布置在所述阀壳体(20)中并且包围所述阀壳体元件(16)和所述操控阀元件(18)。

Description

用于存储气态介质的箱设备
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池箱的箱设备，尤其用于存储氢，例如用于应用在具有燃料电池驱动装置的车辆中。
背景技术
未预先公开的DE 10 2018 209 057 A说明了一种用于对燃料电池箱进行温度压力卸载的箱设备，其中，所述箱设备包括具有不同阀、例如截止阀的箱容器，所述阀确保例如燃料电池系统的正常的工作方式。
用于这样的箱设备的安全装置是标准化的。在此，每个箱设备必须具有这样的截止阀。因此，截止阀可以在由于具有燃料电池驱动装置的车辆发生事故而引起的箱设备损坏时或在箱设备的管线断裂时关闭箱容器，使得没有气体可以从存储单元中逸出。
通常，这样的截止阀具有气体供应部和气体排出部，它们由结构类型决定地彼此具有约90度的角度。此外，由于其结构方式，所述气体供应部和气体排出部具有大的质量和大的外部尺寸，这在事故的情况下由于在截止阀本身和在其与箱容器的连接上出现大的加速力和变形而可能导致截止阀的不密封性或甚至导致截止阀的断裂。
发明内容
与此相对地，根据本发明的具有权利要求1特征部分的特征的箱设备具有以下优点：通过截止阀的旋转对称结构，该截止阀集成到箱设备中，提高了箱设备的鲁棒性。
为此，用于存储气态介质、例如氢的箱设备具有阀装置和箱。阀装置具有带有纵轴线的阀壳体，在该阀壳体中构造有内室。在该内室中布置有可沿着纵轴线运动的主阀元件，该主阀元件与第一阀座共同作用并且因此构成主阀。与主阀元件同轴地布置有可沿着纵轴线运动的操控阀元件，该操控阀元件为了打开和关闭进入开口而与第二阀座共同作用并且因此构成操控阀。阀装置还包括电磁线圈。此外，进入开口与排出开口同轴地布置在阀壳体中，由此能够相对于纵轴线轴向地流向或流出阀装置。此外，电磁线圈布置在阀壳体中并且包围主阀元件和操控阀元件。
因此，能够以结构上简单的方式通过材料最小化实现成本节约。此外，由此可以减小阀装置的尺寸和质量。这导致阀装置的更高的密封性和鲁棒性，尤其是在事故的情况下。
在第一有利的扩展方案中设置，第二阀座构造在主阀元件上。有利地，第一阀座构造在阀壳体上。
因此，主阀元件和操控阀元件能够以结构上简单的方式集成到阀装置中。
在本发明的另一构型中有利地设置，操控阀元件至少部分地接收在主阀元件的凹槽中。因此，可以结合小的结构空间需求实现整个阀装置的最优的工作方式。
在一个有利的扩展方案中设置，第一阀座上的通流横截面大于第二阀座上的通流横截面。因此，能够以简单的方式通过电磁线圈操控操控阀元件，而不需要大的磁力。如果第二阀座打开，则可以通过减小在箱中与布置在箱设备外的系统中的压力差确保在没有附加的外力的情况下容易地打开第一阀座。
在本发明的另一构型中设置，所述箱具有颈部区域，在该颈部区域中构造有贯通开口并且该贯通开口通到箱内室中，其中，所述阀装置布置在所述贯通开口中。因此，可以确保整个箱设备的鲁棒性，因为通过将阀装置集成到箱中能够实现高稳定性。即使在发生事故的情况下，阀装置也被保护免受外部影响。
在另一构型中设置，阀壳体的内室能够借助进入开口与箱内室连接。因此，阀装置能够以简单的方式将气态介质从箱中输送出或输送到箱中。
在一个有利的扩展方案中设置，内室被主阀元件和操控阀元件分成主阀室和操控阀室，该主阀室和该操控阀室能够借助第一阀座和第二阀座相互连接。有利地，操控阀元件具有至少一个横向孔，操控阀元件的凹槽能够通过该横向孔与操控阀室连接。
在本发明的另一构型中设置，在操控阀元件的凹槽中布置有操控阀弹簧，操控阀元件通过该操控阀弹簧朝第二阀座的方向预紧。
在一个有利的扩展方案中设置，在内室中布置有主阀弹簧，该主阀弹簧对主阀元件加载以朝操控阀元件方向(抵抗操控阀弹簧的力)的力。
在一个有利的扩展方案中，主阀弹簧的力小于操控阀弹簧的力。否则，主阀弹簧会将操控阀弹簧超压(überdrücken)并且第一阀座和第二阀座在没有通过电磁线圈操控的情况下被释放。然而，如果主阀弹簧的力小于操控阀弹簧的力，则确保在第一阀座和第二阀座上的密封性。
在本发明的另一构型中有利地设置，在阀壳体中布置有密封元件，通过所述密封元件将电磁线圈与阀壳体的内室密封。因此，能够实现电磁线圈的最优的工作方式。
所描述的箱设备优选地适用于燃料电池组件中，用于存储用于运行燃料电池的氢。
附图说明
在附图中示出根据本发明的用于存储气态介质、尤其氢的箱设备的实施例。附图示出了：
图1以纵截面示出根据本发明的具有阀装置的箱设备的第一实施例，
图2以纵截面示出图1的阀装置，
图3以纵截面示出在阀装置的区域中的根据本发明的箱设备的第二实施例，
图4以纵截面示出在阀装置的区域中的根据本发明的箱设备的第三实施例，
图5以纵截面示出在阀装置的区域中的根据本发明的箱设备的第四实施例。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的用于气态介质的箱设备1的第一实施例。箱设备1包括箱10和阀装置2。箱10具有箱壳体47，在所述箱壳体中构造有箱内室100。箱壳体47还包括颈部区域6，在该颈部区域中构造有贯通开口4。该贯通开口4在一个端部上通到箱内室100中，在所述箱内室中可以存储气态介质，例如氢。
在颈部区域6的另一端部上，阀装置2布置在箱10的贯通开口4中并且集成到箱10的箱壳体47中。此外，颈部区域6还被护罩元件12包围，使得阀装置2和箱内室100与周围环境50密封。
因此，气态介质、尤其是氢例如可以通过阀装置2从箱内室100经由护罩元件12中的贯通通道80被供应给燃料电池组件中的燃料电池的阳极区域。
图2示出在阀装置2的区域中的图1的放大局部。
阀装置2具有带有纵轴线11的阀壳体20，在该阀壳体中构造有阶梯状的内室7。阀装置2在阀壳体20中具有进入开口28和排出开口30，其中，进入开口28在颈部区域6中通到箱10的贯通开口4中。在此，相对于阀装置2的纵轴线11轴向地流向以及流出阀装置2。
此外，在阀壳体20中接收并集成有电磁线圈14，其中，电磁线圈14借助支撑元件22固定在阀壳体20中并且借助在支撑元件22处的密封元件32相对于内室7密封。
在内室7中布置有可沿着纵轴线11运动的主阀元件16和与该主阀元件同轴的可纵向运动的操控阀元件18。主阀元件16和操控阀元件18将内室7分成主阀室25和操控阀室27。主阀室25在此通到排出开口30中，而操控阀室27通到进入开口28中。
在阀壳体20、主阀元件16和操控阀元件18之间构造有外环形室38，操控阀室27能够通过该外环形室与排出开口30连接。
主阀元件16与阀壳体20上的第一阀座40一起构成主阀43，由此可以打开和关闭主阀室25和操控阀室27之间的连接。此外，主阀元件16具有贯通开口160，该贯通开口通到主阀室25中。
操控阀元件18与构造在主阀元件16上的第二阀座41一起构成操控阀44。通过操控阀44可以打开和关闭主阀室25和操控阀室27之间经由贯通开口160的另一连接。
在此，第一阀座40上的气态介质的通流横截面大于第二阀座41上的气态介质的通流横截面，因为柱形构造的主阀室25的直径大于柱形的贯通开口160的直径。
此外，操控阀元件18具有凹槽45，该凹槽通过横向孔180和开口46与所述操控阀室27连接。此外，在凹槽45中布置有操控阀弹簧26，该操控阀弹簧在一侧支撑在阀壳体20上，而在另一侧支撑在操控阀元件18上，并且操控阀弹簧将操控阀元件18压向第二阀座41的方向。
在主阀室25中布置有主阀弹簧24，该主阀弹簧在一侧支撑在阀壳体20上，而在另一侧支撑在主阀元件16上，并且主阀弹簧对操控阀元件16加载以朝第二阀座41方向的力。
在此，阀壳体20多件式地构造，使得电磁线圈14被接收并集成在多件式的阀壳体20之间。阀壳体20和操控阀元件18由铁磁性材料制造，而主阀元件16和支撑元件22由非铁磁性材料制造。
为了改善气密性，主阀元件16有利地由塑料制造。
在一个替代实施方式中，主阀元件16由金属的非磁性材料制造。
为了改善气密性，在替一个代实施方式中，弹性的密封元件布置在第一阀座40和第二阀座41上。
阀装置的工作方式：
在电磁线圈14不通电时，第一阀座40和第二阀座41通过操控阀弹簧26的力关闭，使得主阀室25和操控阀室27之间的连接关闭。因此，也没有气态介质能够从箱内室100经由进入开口28和排出开口30朝系统、例如燃料电池组件的方向流动。在箱内室100中存在例如700bar的高压。相反地，在燃料电池装置中存在低压。
如果电磁线圈14通电，则在操控阀元件18上产生与阀弹簧26的力方向相反的磁力。这导致，操控阀元件18从第二阀座41抬起并且释放该第二阀座。现在，主阀室25和操控阀室27之间经由贯通开口160和外环形室38的连接释放。现在，气态介质经由第二阀座41从箱内室100朝系统的方向流动(参照图2中的箭头)。由此，系统中的压力上升，这导致主阀元件16上的压力差的减小。
然而，第二阀座41上的通流横截面不足以在所有运行状态下给系统、例如燃料电池组件供应气态介质、在这里是氢。
然而，由于系统中不断升高的压力，该压力几乎与箱内室100中的压力匹配。这导致，借助主阀弹簧24的力将主阀元件16从第一阀座40抬起并且释放该第一阀座。因此，保证了燃料电池的氢供应，因为除经由第二阀座41的介质流外，现在气态介质也可以经由第一阀座40和外环形室38从箱内室100朝系统的方向流动。
如果应中断向燃料电池的氢供应，则不再使电磁线圈14通电，使得磁力下降并且操控阀元件18借助操控阀弹簧26的力又朝第二阀座41的方向运动并且关闭该第二阀座。在此，操控阀元件18作为用于主阀元件16的携动件起作用，使得第一阀座40也再次关闭。这是可能的，因为主阀弹簧24的力小于操控阀弹簧26的力并且主阀弹簧24因此被操控阀弹簧26超压(überdrücken)。
第一阀座40上的直径和主阀元件16的行程有利地这样设计，使得在所有运行状态下向燃料电池供给以足够质量流的氢。此外，由此在以气态介质、在这里是氢充注箱10的情况下，其中，流动方向从排出开口30朝进入开口28的方向延伸，箱10可以在短时间内、例如在几分钟内被充注。
图3示出在阀装置2的区域中的根据本发明的箱设备1的第二实施例。具有相同功能的构件以相同的附图标记标明。
第二实施例在结构和工作方式上很大程度地相应于第一实施例。在此，布置有另一密封元件33，以便将电磁线圈14相对于阀装置2的内室7密封。此外，操控阀元件18具有另一凹槽37，以便在阀座40、41打开时确保高的气动连接。
图4示出在阀装置2的区域中的根据本发明的箱设备1的第三实施例。具有相同功能的构件用相同的附图标记标明。
第三实施例在结构和工作方式上很大程度地相应于第二实施例。在此，操控阀室27的横截面增大，以便增加磁阻并且防止可能的磁短路。因此确保，磁场线不是仅围绕电磁线圈14建立并使磁回路闭合，而是为了形成磁回路而需要操控阀元件18。由此确保阀装置2的正常的工作方式。
图5示出在阀装置2的区域中的根据本发明的箱设备1的第四实施例。具有相同功能的构件以相同的附图标记标明。
第四实施例在结构和工作方式上很大程度地相应于第一实施例。与第一实施例不同，操控阀元件18在此不具有横向孔180。此外，主阀元件16具有凹槽29，操控阀元件18部分地接收在该凹槽中。因此，第二阀座41在此构造在主阀元件16的凹槽29中。
箱设备1不限于在燃料电池组件中的使用，而是也可以在其它系统中，例如在具有低温燃料的车辆中使用。
在图2至图5中以箭头示出氢从箱10的流动方向。以气态介质、在这里是氢对箱10进行充注将氢的流动方向旋转，即该充注与图2至图5中的箭头相反地进行。

Claims (14)

1.一种用于存储气态介质、尤其是氢的箱设备(1)，所述箱设备具有阀装置(2)和箱(10)，其中，所述阀装置(2)具有带有纵轴线(11)的阀壳体(20)，在所述阀壳体(20)中构造有内室(7)，在所述内室(7)中布置有能够沿着所述纵轴线(11)运动的主阀元件(16)，所述主阀元件(16)与第一阀座(40)共同作用并且因此构成主阀(43)，其中，与所述主阀元件(16)同轴地布置有能够沿着所述纵轴线(11)运动的操控阀元件(18)，所述操控阀元件(18)为了打开和关闭进入开口(160)而与第二阀座(41)共同作用并且因此构成操控阀(44)，其中，所述阀装置(2)包括电磁线圈(14)，其特征在于，所述进入开口(28)与排出开口(30)同轴地布置在所述阀壳体(20)中，由此气态介质能够相对于所述纵轴线(11)轴向地流向或流出所述阀装置(2)，并且所述电磁线圈(14)布置在所述阀壳体(20)中并且包围所述主阀元件(16)和所述操控阀元件(18)。
2.根据权利要求1所述的箱设备(1)，其特征在于，所述第二阀座(41)构造在所述主阀元件(16)上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)，其特征在于，所述第一阀座(40)构造在所述阀壳体(20)上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)，其特征在于，所述操控阀元件(18)至少部分地接收在所述主阀元件(16)的凹槽(29)中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)，其特征在于，所述第一阀座(40)上的通流横截面大于所述第二阀座(41)上的通流横截面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)，其特征在于，所述箱(10)具有颈部区域(6)，在所述颈部区域(6)中构造有贯通开口(4)并且所述贯通开口(4)通到箱内室(100)中，其中，所述阀装置(2)布置在所述贯通开口(4)中。
7.根据权利要求6所述的箱设备(1)，其特征在于，所述阀壳体(20)的内室(7)能够借助所述进入开口(28)与所述箱内室(100)连接。
8.根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)，其特征在于，所述内室(7)被所述主阀元件(16)和所述操控阀元件(18)分成主阀室(25)和操控阀室(27)，所述主阀室(25)和所述操控阀室(27)能够借助所述第一阀座(40)和所述第二阀座(41)相互连接。
9.根据权利要求8所述的箱设备(1)，其特征在于，所述操控阀元件(18)具有至少一个横向孔(180)，所述操控阀元件(18)的凹槽(45)能够通过所述横向孔(180)与所述操控阀室(27)连接。
10.根据权利要求9所述的箱设备(1)，其特征在于，在所述操控阀元件(18)的凹槽(45)中布置有操控阀弹簧(26)，所述操控阀元件(18)通过所述操控阀弹簧(26)朝所述第二阀座(41)的方向预紧。
11.根据权利要求10所述的箱设备(1)，其特征在于，在所述内室(7)中布置有主阀弹簧(24)，所述主阀弹簧(24)对所述主阀元件(16)加载以朝所述操控阀元件(18)方向的力，该力抵抗所述操控阀弹簧(26)的力。
12.根据权利要求11所述的箱设备(1)，其特征在于，所述主阀弹簧(24)的力小于所述操控阀弹簧的力。
13.根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)，其特征在于，在所述阀壳体(20)中布置有密封元件(32,33)，所述电磁线圈(14)通过所述密封元件(32,33)与所述阀壳体(20)的内室(7)密封。
14.具有根据前述权利要求中任一项所述的箱设备(1)的燃料电池组件，所述箱设备用于存储用于运行燃料电池的氢。
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