CN116324262A - 具有阀装置的、用于储存气态介质的罐装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于储存气体介质、尤其是氢气的罐装置(1)，具有阀装置(100)和罐容器(200)，其中，所述阀装置具有阀壳体(102)，所述阀壳体具有在其中可运动的预控制阀元件(24)，所述预控制阀元件(24)与第一密封座(18)共同作用并且因此形成预控制阀(240)，其中，所述预控制阀元件能够通过电磁线圈(32)运动。此外，在所述阀壳体(102)中布置有主阀元件(12)，其中，第二密封座(6)构造为在所述阀壳体(102)上的锥形凸肩(36)。此外，所述预控制阀元件具有垂直于所述罐装置(1)的纵轴线(48)的横向孔(241)，所述预控制阀元件(24)的横向孔(241)通到所述主阀元件(12)的垂直于所述罐装置(1)的纵轴线(48)布置的横向孔(121)中，其中，携动元件(66)至少部分地布置在所述预控制阀元件的横向孔中和在所述主阀元件的横向孔中。

Description

具有阀装置的、用于储存气态介质的罐装置
技术领域
本发明涉及一种具有阀装置的罐装置，尤其用于储存氢气，例如应用于具有燃料电池驱动器的车辆或具有氢气燃烧器作为驱动器的车辆。
背景技术
DE 10 2018 201 055 A1描述了具有至少一个储存单元的罐装置，所述储存单元具有控制阀，所述储存单元通过管路系统与输出管路连接。在此，至少一个储存单元的至少一个控制阀构造为主阀，并且至少一个储存单元的至少一个控制阀构造为辅助阀，其中，主阀和辅助阀不同地构造。
用于这样的罐装置的安全装置是标准化的。在此，每个罐装置都必须有这样的截止阀。因此，在由于例如具有燃料电池驱动器的车辆发生事故而损坏罐装置或在罐装置的管路破裂时，截止阀可以封闭罐容器，使得没有气体能够从罐装置中逸出。
由于对截止阀的高安全性要求和由于例如800bar或更大的高系统压力，这种截止阀在结构设计方面非常具有挑战性的并且具有大的结构空间。这又增加了整个罐装置的总重量，这在例如具有燃料电池驱动器的车辆发生事故时可能导致出现大的加速力和导致阀装置或罐装置的可能变形。
发明内容
与此相对地，根据本发明的具有权利要求1特征部分的特征的罐装置具有以下优点：以简单和节约成本的方式提供罐装置，该罐装置具有紧凑设计的、具有低打开力的安全阀。
为此，用于储存气体介质、尤其是氢气的罐装置具有阀装置和罐容器。阀装置具有阀壳体，在该阀壳体中布置有沿着罐装置的纵轴线可运动的预控制阀元件。预控制阀元件为了打开和关闭通孔而与第一密封座共同作用，因此形成预控制阀。此外，阀装置包括电磁线圈，通过该电磁线圈使预控制阀元件能够沿着罐装置的纵轴线运动。在阀壳体中布置有主阀元件，该主阀元件为了打开和关闭通孔而与第二密封座共同作用，因此形成主阀，其中，第二密封座构造为在阀壳体上的锥形凸肩。此外，预控制阀元件具有垂直于罐装置的纵轴线的横向孔。预控制阀元件的该横向孔通到主阀元件的垂直于罐装置的纵轴线布置的横向孔中。此外，携动元件至少部分地布置在预控制阀元件的横向孔和主阀元件的横向孔中。
因此，可以以简单的方式优化阀装置的效率和工作方式，同时通过使用于打开阀装置所需的磁力最小化来节约成本。此外，通过磁通量的优化设计由于优化的材料选择、横截面尺寸设计和阀装置的表面结构的构型改善磁回路，因此实现紧凑且成本有利的阀装置。
在第一有利的扩展方案中，携动元件销形地构造。携动元件的几何构型相应于所要求的功能地匹配，从而实现整个阀装置的最优工作方式。
在有利的扩展方案中，在预控制阀元件的一端部上布置有永磁体，该永磁体如此布置在阀装置中，使得永磁体的正极元件朝阀装置的壳体盖的方向布置，而永磁体的负极元件朝罐容器的方向布置。此外，永磁体在电磁线圈通电时布置在由电磁线圈产生的永磁场的正极区域中。
因此，可以以简单的方式实现磁通量的优化形成。此外，两级的打开过程仅需要用于打开阀装置的很小的磁力。因此实现低的电流和能量需求和从而实现正的能量平衡。
在本发明的另外的构型中有利地设置，阀装置在电磁线圈通电时能够朝罐容器的方向打开。因此，实现了结构设计简单且成本有利的罐装置。该构型还允许将电动导向件以及磁体从介质冲刷的区域移除，而不必应用复杂的密封方案。
在本发明的另外的构型中有利地设置，在阀壳体和主阀元件的成型部之间形成节流通道，该成型部为了打开和关闭通孔而与第二密封座共同作用，所述节流通道与第二密封座的方向相反地具有锥形扩宽部，由此形成节流作用。
在本发明的有利的扩展方案中设置，通孔在阀壳体中构造在节流通道的高度上并且通到节流通道中。有利地，在阀壳体中形成腔室，该腔室借助通孔与节流通道连接。因此，以结构设计上简单的方式有利于阀装置的打开过程。
在本发明的有利的扩展方案中有利地设置，阀装置布置在罐装置的颈部区域中并且在颈部区域内压抵着罐底部。由于阀装置在颈部区域内的结构设计，实现较小的压力作用面，这导致较小的轴向压力。在高压下，较小的压力作用面构成在构件负载方面的高卸载，这反映在较低的变形、更少的磨损和密封性影响以及整个罐装置和阀装置的提高的使用寿命中。
在本发明的另外的构型中有利地设置，在罐底部中形成取出开口，该取出开口将罐容器内部空间和腔室相互流体连接。以结构设计上简单的方式，阀装置的内部因此可以与罐装置的罐内部空间连接。
在本发明的有利扩展方案中设置，预控制阀元件具有凸肩，在该凸肩上支撑有弹簧，并且该弹簧对预控制阀元件朝预控制阀元件的一端部的方向加载力。
在本发明的有利扩展方案中设置，主阀元件借助弹簧朝罐容器内部空间的方向加载力，由此，主阀元件朝第一密封座的方向并且与第二密封座的方向相反地被加载力。
在本发明的另外的构型中有利地设置，在阀壳体中形成内部空间，该内部空间被主阀元件划分为第一子内部空间和第二子内部空间。
在本发明的有利扩展方案中设置，第一子内部空间借助在阀壳体中形成的溢流通道与流入管路连接，该流入管路能够与消耗装置系统的流入区域连接。
由此，可以有利于阀装置的打开过程，该打开过程需要小的磁力，因为打开过程由于阀装置的结构设计通过气动力支持。
所描述的罐装置优选适用于燃料电池系统中，该罐装置用于储存用于运行燃料电池的氢气。
所描述的用于储存用于运行燃料电池的氢气的罐装置还有利地适用于燃料电池运行的车辆。
所描述的用于储存氢气的装置还有利地适用于氢气运行的车辆，即适用于具有氢气燃烧器作为驱动器的车辆。
附图说明
在附图中示出根据本发明的用于储存气态介质、尤其是氢气的罐装置的一个实施例。附图示出了：
图1以纵截面示出具有阀装置的根据本发明的罐装置的一个实施例。
具体实施方式
图1以纵截面和简化的视图示出根据本发明的具有纵轴线48的罐装置1的一个实施例，其中，罐装置1围绕纵轴线48旋转对称地构造。
罐装置1具有罐容器200和阀装置100，其中，阀装置100部分地接收在罐容器200中。罐容器200具有罐容器壳体202，在该罐容器壳体中形成罐容器内部空间201。
此外，罐容器200具有颈部区域203，阀装置100部分地接收在该颈部区域中。在此，阀装置100支撑在罐底部140上，该罐底部布置在颈部区域203和罐容器内部空间201之间，并且因此，罐容器内部空间201与颈部区域203分离。
阀装置100包括阀壳体102，在所述阀壳体中布置有电磁线圈32，该电磁线圈借助电接头30供给电流。在此，电接头30的贯穿引导部构造在可磁化的壳体盖28中。
在预控制阀元件24的一端部42上布置有永磁体17，其具有正极元件170和负极元件171。在此，永磁体17的正极元件170指向阀装置100的壳体盖28的方向布置，而永磁体17的负极元件171指向罐容器200的方向布置。此外，永磁体17如此布置在阀装置100中，使得该永磁体在电磁线圈32通电时布置在由电磁线圈32产生的永磁场52的正极区域51中。
此外，壳体盖28在这里由非磁性材料制成，以便引导磁场和从而预控制阀元件24在电磁线圈32通电时朝罐容器内部空间201方向的运动方向。
此外，在阀壳体102中形成内部空间45，在该内部空间中布置有预控制阀元件24和主阀元件12。
预控制阀元件24与纵轴线48同轴地布置并且具有阶梯状的槽口和倒圆的凸肩43，该凸肩在相对的端部上作为台阶430构造。在该台阶430上支撑有弹簧16，该弹簧也支撑在罐底部140上并且对预控制阀元件24朝电磁线圈32的方向-在图1中向上-加载力。
与预控制阀元件24平行地布置有主阀元件12，该主阀元件基本上L形地构造具有成型部37。此外，主阀元件12具有通孔20，通过该通孔能够将第一子内部空间450和第二子内部空间451流体上连接。内部空间45被主阀元件12划分为第一子内部空间450和第二子内部空间451。
主阀元件12被弹簧22预紧并且被该弹簧压抵着倒圆的凸肩43，其中，弹簧22支撑在阀壳体102上。因此，在主阀元件12上形成第一密封座18，该第一密封座与主阀元件12共同作用，用于打开和关闭第一子内部空间450和第二子内部空间451之间的连接和从而用于打开和关闭通孔20，并且因此形成预控制阀240。
通过预控制阀元件24，主阀元件12抵抗弹簧22的力被加载力并且因此以其成型部37压抵着在阀壳体102上锥形地构造的第二密封座6。在此，闭合力通过罐容器内部空间201中的压力和弹簧16的力支持。闭合力在关闭且未通电的情况下负责主阀元件12的安全关闭。由此，主阀元件12为了打开和关闭在阀壳体102中形成的通孔8而与第二密封座18共同作用并且因此形成主阀120。
在阀壳体102和主阀元件12的成型部37之间形成节流通道38，该节流通道与第二密封座6的方向相反地具有锥形扩宽部，由此形成节流作用。
通孔8构造在节流通道38的高度上并且通到节流通道38中。此外，通孔8通到在阀壳体102中形成的腔室35中，该腔室通过在罐底部140形成的取出开口14与罐容器内部空间201连接。
第一子内部空间450借助构造在阀壳体102中的溢流通道2与流入管路40连接，该流入管路能够与消耗装置系统的流入区域连接。在溢流通道2中形成系统压力p1。
此外，预控制阀元件24具有垂直于罐装置1的纵轴线241的横向孔241。同样，主阀元件12具有垂直于纵轴线48布置的横向孔121，该横向孔通到预控制阀元件24的横向孔241中。在预控制阀元件24的横向孔241中和在主阀元件120的横向孔121中布置有销形构造的携动元件66。此外，携动元件66还伸入到第一子内部空间450中。
除销形构造外，携动元件66的几何上另外的实施方式也是可行的，例如横截面上椭圆形、圆柱形或多边形的实施方式。
罐装置1的工作方式如下：在电磁线圈32未通电的状态下，第一密封座18和第二密封座6是闭合的，使得没有气态介质、在这里是氢气能够从罐容器内部空间202通过阀装置100流到流入管路40中，例如朝消耗装置系统的流入区域的方向。
在电磁线圈32经由电接头30通电时形成永磁场52，该永磁场具有正极区域51和负极区域50。在此，永磁体17位于由电磁线圈32产生的永磁场52的正极区域51中。由于永磁体17在永磁场52中彼此排斥的磁力，预控制阀元件24远离壳体盖28运动并且因此压缩弹簧16。通过预控制阀元件24的纵向运动，该预控制阀元件从第一密封座18抬起并且因此释放从第二子内部空间451到第一子内部空间450和通孔20的开口横截面。
通过取出开口14、腔室35、通孔8和节流通道38，第二子内部空间451与罐容器内部空间201流体连接，使得该罐容器内部空间充注氢气。通过氢气朝溢流通道2的方向流出和从而进入到流入管路40中，根据介质取出而定，通过压力系统形成在主阀元件12周围的平衡的压力水平。
通过节流通道38作为节流部的设计构型，在打开过程中，比经由节流通道38补充的更多的介质，在这里是氢气能够经由通孔20流出。以这种方式，额外的打开力作用到主阀元件12上。此外，第二子内部空间451中的压力下降。
在第一密封座18的短暂的打开时间之后，预控制阀元件24进行压力平衡，这导致主阀元件12的压力平衡性。
弹簧22的力辅助第二密封座6的释放，因为该弹簧以打开力挤压主阀元件12，使得主阀元件12从第二密封座6抬起并且释放通孔8和第一子内部空间450之间的开口横截面。因此，氢气现在从罐容器内部空间201经由通孔8朝溢流通道2的方向直接流到第一子内部空间450中并且从而流到流入管路40中。
除了气动的压力关系外，主阀元件12借助机械的携动元件66力锁合地被预控制阀元件24时间延迟地从第二密封座6拉起。
因此，现在第一密封座18和第二密封座6被释放并且氢气通过两个开口横截面从罐容器内部空间201经由阀装置1流到流入管路40中，例如朝消耗装置系统的流入区域的方向。
如果第一密封座18处的开口横截面小于第二密封座6处的开口横截面，则在第一密封座18上仅需要很小的磁力，用于预控制阀元件24的打开过程。
如果电磁线圈32的通电中断，则永磁场52崩溃和从而永磁体17与电磁线圈32的永磁场52的排斥的磁力崩溃，并且作用到预控制阀元件24和主阀元件12上的闭合力通过弹簧16引入。根据在罐容器内部空间201中存在的压力p2，例如15至1000bar而定，闭合力与罐装置1的颈部区域203中的压力一起通过预控制阀元件24和第一密封座18引入至主阀元件12和第二密封座6。
不但第一密封座18而且第二密封座6现在又被截止，使得没有氢气再能够从罐容器内部空间201通过阀装置100例如朝消耗装置系统的流入区域的方向流动。这种自关闭的原理在在电流供应中断时的紧急情况下起作用。然而，在此应注意的是，弹簧22的抵抗所希望的力流的力不能选择得太高并且必须相应地协调。因此，在紧急情况下确保没有氢气能够从罐装置1中逸出。
在加注情况下，溢流通道2通过连接的加注单元，例如加注站供给压力。在此，在溢流通道2中存在的的压力大于阀装置100的其余部分中的压力。由于不同的压力水平，第二密封座6上的压力关系大于在阀装置100的其余部分中的压力关系，使得主阀元件12抵抗弹簧16的力将预控制阀元件24压向罐容器内部空间201的方向。罐装置1现在可以通过释放的第二密封座6和经由通孔8充注，直至加注过程结束。如果加注过程结束，则不再发生进一步的加注，使得在主阀元件12周围的压力平衡。弹簧16的力与由p2>p1产生的压力差一起又负责第一密封座18和第二密封座6的关闭。
除燃料电池运行的车辆外，用于储存气体介质的罐装置1例如也可以在以氢气燃烧器作为驱动器的车辆中用于储存氢气。

Claims (15)

1.一种用于储存气体介质、尤其是氢气的罐装置(1)，具有阀装置(100)和罐容器(200)，其中，所述阀装置(100)包括阀壳体(102)，在所述阀壳体(102)中布置有沿着所述罐装置(100)的纵轴线(48)可运动的预控制阀元件(24)，所述预控制阀元件(24)为了打开和关闭通孔(20)而与第一密封座(18)共同作用并且因此形成预控制阀(240)，其中，所述阀装置(2)包括电磁线圈(32)，通过所述电磁线圈(32)使所述预控制阀元件(24)能够沿着所述纵轴线(48)运动，其中，在所述阀壳体(102)中布置有主阀元件(12)，所述主阀元件(12)为了打开和关闭通孔(8)而与第二密封座(6)共同作用并且因此形成主阀(120)，其中，所述第二密封座(6)构造为在所述阀壳体(102)上的锥形凸肩(36)，其特征在于，所述预控制阀元件(24)具有垂直于所述罐装置(1)的纵轴线(48)的横向孔(241)，所述预控制阀元件(24)的横向孔(241)通到所述主阀元件(12)的垂直于所述罐装置(1)的纵轴线(48)布置的横向孔(121)中，其中，携动元件(66)至少部分地布置在所述预控制阀元件(24)的横向孔(241)中和在所述主阀元件(120)的横向孔(121)中。
2.根据权利要求1所述的罐装置(1)，其特征在于，所述携动元件(66)销形地构造。
3.根据权利要求1或2所述的罐装置(1)，其特征在于，在所述预控制阀元件(24)的一端部(42)上布置有永磁体(17)，所述永磁体(17)布置在所述阀装置(100)中，使得所述永磁体(17)的正极元件(170)朝所述阀装置(100)的壳体盖(28)的方向布置，而所述永磁体(17)的负极元件(171)朝所述罐容器(200)的方向布置，其中，所述永磁体(17)在电磁线圈(32)通电时布置在由所述电磁线圈(32)产生的永磁场(52)的正极区域(51)中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的罐装置(1)，其特征在于，所述阀装置(2)在电磁线圈(32)通电时能够朝所述罐容器(200)的方向打开。
5.根据前述权利要求中任一项所述的罐装置(1)，其特征在于，在所述阀壳体(102)和所述主阀元件(12)的成型部(37)之间形成节流通道(38)，所述成型部(37)为了打开和关闭通孔(8)而与所述第二密封座(6)共同作用，所述节流通道(38)与所述第二密封座(6)的方向相反地具有锥形扩宽部，由此形成节流作用。
6.根据前述权利要求所述的罐装置(1)，其特征在于，所述通孔(8)在所述阀壳体(102)中构造在所述节流通道(38)的高度上并且通到所述节流通道(38)中。
7.根据权利要求5或6所述的罐装置(1)，其特征在于，在所述阀壳体(102)中形成腔室(35)，所述腔室(35)借助所述通孔(8)与所述节流通道(38)连接。
8.根据前述权利要求所述的罐装置(1)，其特征在于，所述阀装置(100)布置在所述罐装置(1)的颈部区域(203)中，并且在所述颈部区域(203)内压抵着罐底部(140)。
9.根据前述权利要求所述的罐装置(1)，其特征在于，在所述罐底部(140)中形成取出开口(14)，所述取出开口将罐容器内部空间(201)和所述腔室(35)相互流体连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的罐装置(1)，其特征在于，所述预控制阀元件(24)具有凸肩(43)，在所述凸肩(43)上支撑有弹簧(16)，并且该弹簧对所述预控制阀元件(24)朝所述预控制阀元件(24)的一端部(42)的方向加载力。
11.根据前述权利要求中任一项所述的罐装置(1)，其特征在于，所述主阀元件(12)借助弹簧(22)朝所述罐容器内部空间(201)的方向加载力，由此，所述主阀元件(12)朝所述第一密封座(18)的方向被加载力并且与所述第二密封座(6)的方向相反地被加载力。
12.根据前述权利要求中任一项所述的罐装置(1)，其特征在于，在所述阀壳体(102)中形成内部空间(45)，所述内部空间(45)被所述主阀元件(12)划分为第一子内部空间(450)和第二子内部空间(451)。
13.根据前述权利要求所述的罐装置(1)，其特征在于，所述第一子内部空间(450)借助在所述阀壳体(102)中形成的溢流通道(2)与流入管路(40)连接，所述流入管路(40)能够与消耗装置系统的流入区域连接。
14.一种燃料电池系统，具有根据权利要求1至13中任一项所述的罐装置(1)，所述罐装置用于储存用于运行燃料电池的氢气。
15.一种燃料电池运行的车辆，具有根据权利要求1至13中任一项所述的罐装置(1)，所述罐装置用于储存用于运行燃料电池的氢气。
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