DE102006020388B4

DE102006020388B4 - Sicherheitsventil eines Hochdruckspeichers, insbesondere eines Wasserstoffspeichers

Info

Publication number: DE102006020388B4
Application number: DE200610020388
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Maus Steffen; Dipl.-Ing- ETH Wenger David
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2014-09-11
Anticipated expiration: 2026-04-29
Also published as: US7677262B2; DE102006020388A1; US20070261734A1

Abstract

Sicherheitsventil für ein Druckgasspeicher (12) mit einem Abblaskanal (16, 18), der zur Fluidverbindung mit einem Innenraum (14) des Druckgasspeichers (12) vorgesehen ist, und einem Verschlussteil (22), das den Abblaskanal (16, 18) abdichtet, wobei ein Haltemittel (24) das Verschlussteil (22) im Normalzustand arretiert und in sicherheitskritischen Zuständen einen Strömungsquerschnitt (30) so freigibt, dass der Abblaskanal (16, 18) nach außen freigeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil (22) mit einem Einstellmittel (26) verbunden ist, das im sicherheitskritischen Zustand den Strömungsquerschnitt (30) des Abblaskanals (16, 18) in Abhängigkeit von einem innenraumseitigen Vordruck federkraftbasiert einstellt, und dass ein Anschlag vorgesehen ist, der die Freigabe eines minimalen Strömungsquerschnitts sicherstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil eines Hochdruckspeichers, insbesondere eines Wasserstoffspeichers, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Lagerung von Wasserstoff ist es bekannt, diesen entweder gasförmig in Druckspeichertanks mit mehreren hundert bar Überdruck zu speichern. Vorteilhaft bei Druckgasspeichern ist deren relativ niedriges Gewicht bei vorgegebenem Speichervolumen.
Aus der EP 0 394 673 A1 ist ein Ventil bekannt, bei dem ein Ausströmen eines zu hohen Massenstroms aus einer Gasflasche verhindert wird, indem eine Ausströmöffnung mit einer Kugel verschlossen wird. Ein weiteres Ausströmen kann dann nur noch über eine Leckageleitung mit kleinem Querschnitt erfolgen.
In der Offenlegungsschrift DE 102 25 003 A1 ist ein Sicherheitsventil für Gasbehälter offenbart, das ein Scheibenventil umfasst, welches durch einen Stellmotor bewegbar ist.
Bei Druckgasspeichern sind Sicherheitsventile üblich, die ein Abblasen des Inhalts in sicherheitskritischen Situationen ermöglichen, beispielsweise im Brandfall. In solchen Fällen werden Haltemittel in Form von Schmelzsicherungen gelöst und ein Abblaskanal freigegeben, der im Normalzustand fest verschlossen ist. Solche Haltemittel können beispielsweise Ringe sein, die bei unzulässig hohen Temperaturen schmelzen, wodurch ein Verschlussteil gelöst und der Abblaskanal freigegeben wird. Im Brandfall kann der dadurch auftretende hohe Massenfluss kritisch sein.
Aus der EP 1 582 788 A1 ist ein Überdruckventil bekannt, welches eine Steuereinheit zur Einstellung eines Strömungsquerschnitts eines Abblaskanals in Abhängigkeit von einem Innenraumdruck umfasst. Dabei umfasst das Überdruckventil als Einstellmittel ein magnetisch betätigbares Federkraftelement, das über die Steuereinheit den Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit von einem gemessenen Innenraumdruck variiert. Das dort beschriebene Überdruckventil ist aufwändig und kostenintensiv und bedarf durch die Verwendung von einer Steuereinheit, eines Drucksensors und eines magnetisch betätigbaren Federkraftelementes viel Bauraum.
Aus der US 2005/0229977 A1 , der FR 2 796 701 A1 und der DE 834 144 C sind weitere Überdruckventile bekannt, welche in einfacher Art und Weise einen Strömungsquerschnitt in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz federkraftbasiert ändern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sicherheitsventil für einen Gasbehälter anzugeben, das im Auslösefall nur einen kontrollierbaren Massenstrom an Gas freisetzt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Sicherheitsventil für einen Druckgasspeicher, insbesondere einen Wasserstoffdruckgasspeicher, weist einen Abblaskanal auf, der zur Fluidverbindung mit einem Innenraum des Druckgasspeichers vorgesehen ist, und ein Verschlussteil, das den Abblaskanal abdichtet, wobei ein Haltemittel das Verschlussteil im Normalzustand arretiert und in sicherheitskritischen Zuständen einen Strömungsquerschnitt so freigibt, dass der Abblaskanal nach außen freigeben ist. Das Verschlussteil ist mit einem Einstellmittel verbunden, das den Strömungsquerschnitt des Abblaskanals in Abhängigkeit von einem innenraumseitigen Vordruck im Druckgasspeicher einstellt.
Im Brandfall ergibt sich der Vorteil, dass das Gas, insbesondere der Wasserstoff, mit einem konstanten und definierten Massenstrom freigesetzt wird. Die Freisetzung des Wasserstoffs erfolgt kontrolliert, insbesondere räumlich kontrolliert. Eine lokale Überhöhung der Wasserstoffkonzentration wird vermieden, Es kann jeweils immer nur soviel Wasserstoff freigesetzt werden, dass die Explosionsgrenze des Wasserstoffs zuverlässig unterschritten bleibt.
Der Strömungsquerschnitt wird vorzugsweise entsprechend der Gasmasse im Druckgasspeicher und einer angestrebten Entleerungszeit auf einen definierten Restdruck im Druckgasspeicher gewählt. Die Entleerungszeit hängt dabei im Wesentlichen vom Strömungsquerschnitt und vom Speicherinnendruck ab. Durch den sinkenden Innendruck im Verlauf der Entleerung würde sich der Massenstrom ohne das erfindungsgemäße Sicherheitsventil stark verändern.
Das Einstellmittel kann als Druckfeder ausgebildet sein, welche einer Öffnungsbewegung des Verschlussteils Widerstand entgegensetzt.
Alternativ kann das Einstellmittel als Zugfeder ausgebildet sein, welche einer Öffnungsbewegung des Verschlussteils Widerstand entgegensetzt.
Bevorzugt ist der Strömungsquerschnitt klein, wenn der Vordruck hoch ist, und groß, wenn der Vordruck gering ist. Damit kann vorzugsweise ein konstanter Massenstrom beim Ausströmen des Gases sichergestellt werden. Im Fall von Wasserstoff kann der Massenstrom so eingestellt werden, dass dieser unter der Explosionsgrenze bleibt und beispielsweise definiert abgebrannt werden kann.
Bevorzugt verändert sich der Strömungsquerschnitt so, dass ein ausströmender Massenstrom weitgehend konstant ist.
Dabei kann sich der Strömungsquerschnitt konusförmig erweitern, so dass mit abnehmendem Vordruck des Druckgasspeichers bei zunehmender Entleerung ein größerer Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht, wobei das Einstellmittel den entsprechenden Strömungsquerschnitt einstellt.
Das Einstellmittel kann selbst im Abblaskanal angeordnet sein und seine vordruckabhängige Stellung die Größe des Strömungsquerschnitts einstellen, indem es mit seinem Körper den Strömungsquerschnitt mehr oder weniger ausfüllt. So kann das Einstellmittel durch seinen Körper bei hohem Vordruck einen Großteil des Abblaskanals so ausfüllen, dass effektiv nur ein geringer Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht und bei abnehmendem Vordruck sich verschmälern, so dass effektiv ein größerer Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann der Massenstrom des ausströmenden Gases leicht eingestellt werden.
Zur Vermeidung eines Blockierens des Sicherheitsventils, z. B. bei Versagen des Einstellmittels (z. B. Druck- oder Zugfeder), kann ein Anschlag vorgesehen sein, der die Freigabe eines minimalen Strömungsquerschnitts sicherstellt, so dass eine Freisetzung des Inhalts des Druckgasspeichers auch unter diesen Umständen gewährleistet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von einem in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
Dabei zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine erste bevorzugte Ausgestaltung eines Sicherheitsventils mit einer Druckfeder als Einstellmittel,
2 eine zweite bevorzugte Ausgestaltung eines Sicherheitsventils mit einer Zugfeder als Einstellmittel, und
3a, b; ein bevorzugtes Sicherheitsventil mit hohem Vordruck (a) und mit geringem Vordruck (b).
In den Figuren sind funktionell gleich bleibende Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Die 1 und 2 zeigen zur Erläuterung der Erfindung stark vereinfacht ein Sicherheitsventil 10 für einen Druckgasspeicher 12. Das Sicherheitsventil 10 weist einen aus zwei Teilstücken zusammengesetzten Abblaskanal 16, 18 in einem Ventilgehäuse 20 auf, wobei das erste Teilstück des Abblaskanals 16 in einen Innenraum 14 des Druckgasspeichers 12 und das zweite Teilstück des Abblaskanals 18 nach außen weist.
Ein in den 1 und 2 als liegendes T dargestelltes Verschlussteil 22 dichtet den Abblaskanal 16, 18 ab. Das Verschlussmittel 22 ist im Normalzustand durch ein Haltemittel 24 arretiert. In sicherheitskritischen Zuständen gibt das Haltemittel 24, das vorzugsweise als Schmelzelement ausgebildet ist, das Verschlussteil 22 und damit einen Strömungsquerschnitt 30 so frei, dass Gas aus dem Druckgasspeicher 12 über den Abblaskanal 16, 18 nach außen abgegeben werden kann.
Das Verschlussteil 22 ist weiterhin mit einem Einstellmittel 26 verbunden, das den Strömungsquerschnitt 30 des Abblaskanals 16, 18 in Abhängigkeit von einem innenraumseitigen Vordruck des Druckgasspeichers 12 ändert.
1 zeigt eine Variante, bei der das Einstellmittel 26 als Druckfeder ausgebildet ist, welche einer Öffnungsbewegung des Verschlussteils 22 Widerstand entgegensetzt. Schmilzt das Haltemittel 24 im Brandfall, drückt das Gas im Innenraum 14 das Verschlussteil 22 in der 1 nach rechts und gibt den zweiten Teil des Abblaskanals 18 frei.
2 zeigt eine Variante, bei der das Einstellmittel 26 als Zugfeder ausgebildet ist, welche einer Öffnungsbewegung des Verschlussteils 22, wenn es nicht mehr durch das Haltemittel 24 fixiert ist, Widerstand entgegensetzt.
In beiden Fällen kann durch die Federkraft ein vordruckabhängiger Stellweg des Verschlussteils 22 bewirkt werden. Ist das Ventilgehäuse im Bereich des Abblaskanals geeignet geformt, kann dessen Strömungsquerschnitt dadurch so verändert werden, dass ein ausströmender Massenstrom weitgehend konstant ist.
Die 3a und 3b zeigen ein Beispiel eines bevorzugten Sicherheitsventils 10 bei der Entleerung als Detailansicht. Zwischen dem ersten Teilabschnitt des Abblaskanals 16 und dem zweiten Teilabschnitt des Abblaskanals 18 verjüngt sich der Querschnitt konusförmig in Strömungsrichtung. In der Verjüngung ist ein Element 28 eingefügt, das beispielsweise ein Schaum, ein Gitter, ein Lochblech oder dergleichen sein kann, um in der Art eines Anschlags einen definierten mindest Strömungsquerschnitt darzustellen. Die Strömungsrichtung des austretenden Gases ist durch nach oben gerichtete Pfeile angedeutet.
In 3a ist zu Beginn der Entleerung der Vordruck hoch. Das als Druckfeder ausgebildete Einstellmittel 26 drückt eine Ventilplatte 32 gegen das anströmende Gas. Der für das Gas freigegebene Strömungsquerschnitt 30 ist ringförmig um die Ventilplatte 32 angeordnet und relativ klein.
3b zeigt den Zustand mit fortschreitender Entleerung, wenn der Vordruck abgenommen hat. Das als Druckfeder ausgebildete Einstellmittel 26 kann nunmehr die Ventilplatte 32 weiter öffnen, so dass der Strömungsquerschnitt 30 vergrößert ist und ein verglichen mit dem Beginn der Entleerung im Wesentlichen konstanter Massenstrom durch den zweiten Teil des Abblaskanals 18 austritt.
Bekannte Sicherheitsventile lassen sich recht einfach mit dem bevorzugten Einstellmittel 26 ausrüsten und für diesen Einsatzzweck leicht anpassen. Besonders bevorzugt ist das Sicherheitsventil 10 in einem Druckgasspeicher 12 für Wasserstoff mit mehreren hundert bar Speicherdruck eingesetzt.

Claims

Sicherheitsventil für ein Druckgasspeicher (12) mit einem Abblaskanal (16, 18), der zur Fluidverbindung mit einem Innenraum (14) des Druckgasspeichers (12) vorgesehen ist, und einem Verschlussteil (22), das den Abblaskanal (16, 18) abdichtet, wobei ein Haltemittel (24) das Verschlussteil (22) im Normalzustand arretiert und in sicherheitskritischen Zuständen einen Strömungsquerschnitt (30) so freigibt, dass der Abblaskanal (16, 18) nach außen freigeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussteil (22) mit einem Einstellmittel (26) verbunden ist, das im sicherheitskritischen Zustand den Strömungsquerschnitt (30) des Abblaskanals (16, 18) in Abhängigkeit von einem innenraumseitigen Vordruck federkraftbasiert einstellt, und dass ein Anschlag vorgesehen ist, der die Freigabe eines minimalen Strömungsquerschnitts sicherstellt.
Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel (26) als Druckfeder ausgebildet ist, welche einer Öffnungsbewegung des Verschlussteils (22) Widerstand entgegensetzt.
Sicherheitsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel (26) als Zugfeder ausgebildet ist, welche einer Öffnungsbewegung des Verschlussteils (22) Widerstand entgegensetzt.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt (30) klein ist, wenn der Vordruck hoch ist und groß ist, wenn der Vordruck gering ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt (30) so einstellbar ist, dass ein ausströmender Massenstrom weitgehend konstant ist.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Strömungsquerschnitt (30) konusförmig erweitert.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellmittel (26) im Abblaskanal (16, 18) angeordnet ist und seine vordruckabhängige Stellung die Größe des Strömungsquerschnitts (30) einstellt.
Sicherheitsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsquerschnitt (30) ein Gitter, Schaum, Lochblech oder dergleichen angeordnet ist.