DE102008018494A1

DE102008018494A1 - Drosseleinrichtung und Brennstoffzellensystem oder Kraftstoffversorgungssystem mit einer Drosseleinrichtung

Info

Publication number: DE102008018494A1
Application number: DE102008018494A
Authority: DE
Inventors: Steffen Dipl.-Phys. Maus; Eberhard Dr. rer. nat. Schmidt-Ihn; David Dipl.-Ing. Wenger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-04-11
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-10-15
Also published as: WO2009124621A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drosseleinrichtung (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (36) oder ein Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse (11), welches einen ersten und einen zweiten Anschluss (12, 13) zur Zufuhr und/oder zum Auslass eines Fluids aufweist, mit einem im Gehäuse (11) angeordneten Rückschlagelement (19), und mit einem federnden oder anders rückstellenden Halteelement (21), mittels welchem das Rückschlagelement (19) bei Abwesenheit eines Strömungsdrucks des Fluids und/oder bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses (12) in einer Ausgangsstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids zumindest überwiegend gesperrt ist, gehalten und bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses (13) zum Durchlassen des Fluids verstellbar ist, wobei das Rückschlagelement (19) eine Durchgangsbohrung (22) zum gedrosselten Durchlassen des Fluids in der Ausgangsstellung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drosseleinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem oder ein Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse, welches einen ersten und einen zweiten Anschluss zur Zufuhr und/oder zum Auslass eines Fluids aufweist, mit einem im Gehäuse angeordneten Rückschlagelement, und mit einem federnden oder anders rückstellenden Halteelement (z. B. über Magnetkraft), mittels welchem das Rückschlagelement bei Abwesenheit eines Strömungsdrucks des Fluids und/oder bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses in einer Ausgangsstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids zumindest überwiegend gesperrt ist, gehalten und bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses zum Durchlassen des Fluids verstellbar ist. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem oder Kraftstoffversorgungssystem mit einer derartigen Drosseleinrichtung.
Das Interesse gilt vorliegend einer Drosseleinrichtung, bei welcher im Wesentlichen zwei unterschiedliche Massenströme eines Fluids flussrichtungsabhängig ermöglicht werden. Eine derartige, von der Anmelderin stammende Drosseleinrichtung ist in 1 schematisch dargestellt. Die Drosseleinrichtung 1 gemäß 1 umfasst dabei ein Rückschlagventil 2 sowie eine zum Rückschlagventil 2 parallel geschaltete Drosselblende 3. Die bekannte, schematisch dargestellte Drosseleinrichtung 1 gemäß 1 weist ferner einen ersten und einen zweiten Anschluss 4, 5 auf, welche zum Zuführen und/oder Auslassen eines Fluids ausgebildet sind. Zur Funktionsweise: Wird die Drosseleinrichtung 1 mit einem Strömungsdruck eines Fluids von Seiten des ersten Anschlusses 4 beaufschlagt, so wird das Rückschlagventil 2 aufgrund der Kraftbeaufschlagung durchlässig und das Fluid kann von dem ersten Anschluss 4 zu dem zweiten Anschluss 5 hindurchströmen. Wird hingegen die Drosseleinrichtung 1 mit einem Strömungsdruck von Seiten des zweiten Anschlusses 5 beaufschlagt, so wird der Fluss des Fluids mittels des Rückschlagventils 2 gesperrt, wobei das Fluid von dem zweiten Anschluss 5 über die Drosselblende 3 hin bis zum ersten Anschluss 4 gedrosselt hindurchströmt.
Eine derartige Drosseleinrichtung ist ebenfalls aus der Druckschrift DE 203 18 192 U1 bekannt. Sie umfasst zwei Anschlüsse, zwischen denen ein Drosselkanal verläuft, welchem ein Bypasskanal parallel geschaltet ist. Dabei ist dem Bypasskanal ein Rückschlagventil zugeordnet, welches ausgebildet ist, ein Hindurchströmen von Fluid durch den Bypasskanal in einer Richtung zuzulassen, während es eine Strömung in der Gegenrichtung verhindert. Hierzu umfasst das Rückschlagventil eine Rückschlaglippe, welche sich an einer Wand eines Gehäuses derart abstützt, dass das Fluid lediglich in eine Richtung hindurchströmen kann. Ein Nachteil der bekannten Drosseleinrichtung besteht darin, dass sie aufgrund der Rückschlaglippe nur eine beschränkte Druckfestigkeit aufweist, wobei für einen größeren Druck, insbesondere für einen Druck größer 100 bar, wie dies bei einem Wasserstoffhochdruckspeicher der Fall ist, nicht geeignet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Drosseleinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem oder ein Kraftstoffversorgungssystem, zu schaffen, welche zum Betrieb mit hohem Druck, insbesondere mit einem Druck größer 100 bar, geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Drosseleinrichtung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1, durch eine Drosseleinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 14, sowie durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 16, gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine Drosseleinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem oder ein Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftwagens, gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse, welches einen ersten und einen zweiten Anschluss zur Zufuhr und/oder zum Auslass eines Fluids aufweist. Die Drosseleinrichtung umfasst ein im Gehäuse angeordnetes Rückschlagelement sowie ein federndes oder anders rückstellendes Halteelement, mittels welchem das Rückschlagelement bei Abwesenheit eines Strömungsdrucks des Fluids und/oder bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses in einer Ausgangsstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids zumindest überwiegend gesperrt ist, gehalten und bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses zum Durchlassen des Fluids feststellbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Rückschlagelement eine Durchgangsbohrung zum gedrosselten Durchlassen des Fluids in der Ausgangsstellung aufweist.
Ein wesentlicher Gedanke bei der Drosseleinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass das Rückschlagelement mit einer Durchgangsbohrung versehen ist, wodurch erreicht wird, dass bei einem Strömungsdruck des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses ein gedrosseltes Hindurchströmen des Fluids ermöglicht wird.
In vorteilhafter Weise wird hierdurch eine Drosseleinrichtung geschaffen, bei welcher flussrichtungsabhängig zwei unterschiedliche Massenströme des Fluids erreicht werden. Besonders vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Drosseleinrichtung in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem, bei welchem ein Hauptdruckspeicher, insbesondere eine Druckgasflasche, mit einem zusätzlichen Hilfsdruckspeicher, insbesondere einem Metallhydridspeicher, ergänzt wird, welcher neben seiner Speicherfunktion das Thermomanagement des Brennstoffzellensystems oder eines dieses aufweisenden Kraftwagens verbessert, kann die Drosseleinrichtung in vorteilhafter Weise zwischen dem zusätzlichen Hilfsdruckspeicher, insbesondere dem Metallhydridspeicher, und einer den Hauptdruckspeicher mit einer eigentlichen Brennstoffzelleneinheit verbindenden Fluidleitung angeordnet werden. Denn ein zu großer Fluss kann bei einer Rückbeladung des zusätzlichen Hilfsdruckspeichers zu einem Auslösen einer Rohrbruchsicherung in den beiden Druckspeichern führen. Dieser Problematik wird durch die erfindungsgemäße Drosseleinrichtung, insbesondere dadurch, dass in Richtung des zusätzlichen Hilfsdruckspeichers, insbesondere des Metallhydridspeichers, ein begrenzter Fluss und in Richtung der eigentlichen Brennstoffzelleneinheit ein freier Fluss ermöglicht wird, Rechnung getragen.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Drosseleinrichtung als Kugelrückschlagventil und das Rückschlagelement kugelförmig ausgebildet sind. In bevorzugter Weise ist die Durchgangsbohrung in ihrer Länge gleich dem Durchmesser des kugelförmigen Rückschlagelements. Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine Länge der Durchgangsbohrung kleiner ist als der Durchmesser des kugelförmigen Rückschlagelements.
In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass ein sich zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss erstreckender Innenraum des Gehäuses eine Verengung aufweist, welche mittels des kugelförmigen Rückschlagelements durch eine von dem federnden oder anders rückstellenden Halteelement bewirkte Kraft in die Ausgangsstellung verschließbar ist. Insbesondere kann das kugelförmige Rückschlagelement derart ausgestaltet sein, dass ein Quotient aus einem Durchmesser der Durchgangsbohrung zu einem Durchmesser einer durch die Verengung des Innenraums des Gehäuses ausgebildeten Durchgangsöffnung kleiner 1 ist, bevorzugt kleiner 0,5, noch bevorzugter kleiner 0,1 ist. Hierdurch wird erreicht, dass ein deutlich unterschiedlicher Fluss in beiden Richtungen ermöglicht wird.
Bevorzugt ist das federnde Halteelement als Schraubenfeder ausgebildet, wobei das kugelförmige Rückschlagelement durch eine von der Schraubenfeder bewirkte Kraftbeaufschlagung in der Ausgangsstellung festlegbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Schraubenfeder an einer dem ersten Anschluss zugewandten Seite des kugelförmigen Rückschlagelements angeordnet ist und sich einerseits an dem kugelförmigen Rückschlagelement und andererseits an einem Abstützelement abstützt, wobei das kugelförmige Rückschlagelement durch ein von der Schraubenfeder bewirktes Drücken in der Ausgangsstellung gehalten wird. Alternativ kann die Schraubenfeder an einer von dem ersten Anschluss abgewandten und dem zweiten Anschluss zugewandten Seite des kugelförmigen Rückschlagelements angeordnet sein, wobei das kugelförmige Rückschlagelement durch die Schraubenfeder in die Ausgangsstellung gezogen wird. Die Rückstellung kann beispielsweise auch über Magnetkraft erfolgen.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Drosseleinrichtung als Rückschlagklappenventil und das Rückschlagelement als Rückschlagklappe ausgebildet sein.
Dabei hat sich als vorteilhaft gezeigt, dass das federnde Halteelement als federnde Schwenkeinheit ausgebildet ist, und das als Rückschlagklappe ausgebildete Rückelement zwischen der Ausgangsstellung und einer Durchlassstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids freigebbar ist, verschwenkbar ist. Insbesondere durch das als Rückschlagklappe ausgebildete Rückschlagelement wird im Hinblick auf die Fertigung erreicht, dass die Durchgangsbohrung auf technisch einfache Weise beliebig ausgestaltet werden kann.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Rückschlagelement aus Gusseisen und/oder Stahlguss und/oder geschmiedetem Stahl ausgebildet ist. Durch diese bevorzugte Ausführungsform wird im Hinblick auf die Druckfestigkeit erreicht, dass die Drosseleinrichtung auch zum Betrieb mit hohem Druck, insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem oder einem Kraftstoffversorgungssystem, eingesetzt werden kann.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Drosseleinrichtung als Tellerrückschlagventil ausgebildet ist.
Dabei hat sich als vorteilhaft gezeigt, dass das Rückschlagelement einen sich entlang einer Flussrichtung des Fluids erstreckenden stiftartigen Basiskörper und einen an einem Ende des Basiskörpers ausgebildeten plattenförmigen Rückschlagbereich aufweist, welcher sich in der Ausgangsstellung an einer Anlagefläche einer Innenwand des Gehäuses abstützt. Das Rückschlagelement ist bevorzugt T-förmig ausgebildet, wobei der plattenförmige Rückschlagbereich im Wesentlichen senkrecht zum Basiskörper angeordnet ist. In bevorzugter Weise ist ein hülsenartiges Führungselement im Gehäuse vorgesehen, in welches sich der stiftartige Basiskörper des Rückschlagelements bei einem Verstellen des Rückschlagelements aus der Ausgangsstellung hineinerstreckt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Rückschlagelement und das hülsenartige Führungselement an einer dem ersten Anschluss zugewandten Seite der Anlagefläche angeordnet sind, wobei sich das Rückschlagelement, genauer gesagt der Basiskörper des Rückschlagelements, bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses in das hülsenartige Führungselement hineinerstreckt, wodurch der Fluss freigegeben wird.
Bevorzugt weist das Führungselement einen an einem dem Rückschlagelement zugewandten Ende des Führungselements ausgebildeten Flansch auf, an welchem sich das federnde oder anders rückstellende Halteelement abstützt. In bevorzugter Weise ist vorgesehen, dass das federnde Halteelement als eine an einem stiftartigen Basiskörper des Rückschlagelements außenumfänglich angeordnete Schraubenfeder ausgebildet ist. Geht man von einer Abwesenheit eines Strömungsdrucks des Fluids oder von einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses aus, so stützt sich das Rückschlagelement durch die von der Schraubenfeder bewirkte Kraftbeaufschlagung oder durch eine Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses an der Anlagefläche ab, so dass nur ein gedrosseltes Hindurchströmen durch die Durchgangsbohrung stattfindet.
Eine Drosseleinrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem oder ein Kraftstoffversorgungssystems eines Kraftwagens, gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Gehäuse, welches einen ersten und einen zweiten Anschluss zur Zufuhr und/oder zum Auslass eines Fluids aufweist. Die Drosseleinrichtung umfasst ein im Gehäuse angeordnetes Rückschlagelement, welches sich bei Abwesenheit eines Strömungsdrucks des Fluids und/oder bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses in einer Ausgangsstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids zumindest überwiegend gesperrt ist, an einer Anlagefläche eines Innenraums des Gehäuses abstützt. Dabei ist ein federndes oder anders rückstellendes Halteelement vorgesehen, mittels welchem das Rückschlagelement in der Ausgangsstellung gehalten und bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses zum Durchlassen des Fluids verstellbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass an der Anlagefläche des Innenraums und/oder an einer der Anlagefläche zugewandten Seite des Rückschlagelements mindestens ein Abstandselement vorgesehen ist, und ein Drosselkanal zwischen dem Rückschlagelement und der Anlagefläche in der Ausgangsstellung ausgebildet ist.
Ein wesentlicher Gedanke bei der Drosseleinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, das Rückschlagelement und/oder die Anlagefläche des Innenraums des Gehäuses derart auszugestalten, dass mittels eines Abstandselements ein definierter Drosselkanal zwischen dem Rückschlagelement und der Anlagefläche ausgebildet ist, wodurch erreicht wird, dass im Wesentlichen zwei unterschiedliche Massenströme flussrichtungsabhängig ermöglicht werden.
In bevorzugter Weise kann vorgesehen sein, dass das Abstandselement als eine Verformung einer Oberfläche des Rückschlagelements und/oder eine Verformung der Anlagefläche ausgebildet ist. Insbesondere kann die Oberfläche des Rückschlagelements und/oder die Anlagefläche derart gezielt verformt werden, dass ein vordefinierter gedrosselter Fluss des Fluids von dem ersten Anschluss hin zu dem zweiten Anschluss durchströmen kann. So kann beispielsweise das Rückschlagelement bzw. die Oberfläche des Rückschlagelements und/oder die Anlagefläche mit einem Noppenelement als Abstandselement versehen sein, so dass über einen Umfang des Noppenelements der Drosselkanal ausgebildet ist. Ist die Drosseleinrichtung als ein Kugelrückschlagventil und das Rückschlagelement kugelförmig ausgebildet, so kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Abstandselement in Form einer radialen Ausdehnung des kugelförmigen Rückschlagelements gestaltet ist. Ist hingegen die Drosseleinrichtung als Tellerrückschlagventil ausgebildet, so kann ein eine Stirnseite des Rückschlagelements darstellender plattenförmiger Rückschlagbereich des Rückschlagelements bevorzugt eine der Anlagefläche zugewandte Schräge aufweisen, so dass gezielt ein Drosselkanal ausgebildet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Drosseleinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der Drosseleinrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung anzusehen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Drosseleinrichtung nach dem ersten oder dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Brennstoffzellensystem kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Hauptdruckspeicher und eine eigentliche Brennstoffzelleneinheit aufweist, wobei eine den Hauptdruckspeicher mit der Brennstoffzelleneinheit verbindende Fluidleitung mit einem zusätzlichen Hilfsdruckspeicher, insbesondere einem Metallhydridspeicher, verbunden ist. Dabei ist die Drosseleinrichtung bevorzugt zwischen der Fluidleitung und dem zusätzlichen Hilfsdruckspeicher, insbesondere dem Metallhydridspeicher, angeordnet, wobei der erste Anschluss der Drosseleinrichtung in bevorzugter Weise der Fluidleitung und der zweite Anschluss der Drosseleinrichtung bevorzugt den zusätzlichen Hilfsdruckspeicher zugewandt sind. Hierdurch wird erreicht, dass ein Auslösen einer Rohrbruchsicherung in den beiden Druckspeichern bei einem zu großen Fluss bei einer Rückbeladung des zusätzlichen Hilfsdruckspeichers vermieden werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Drosseleinrichtung gemäß dem ersten und dem zweiten Aspekt der Erfindung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems anzusehen.
Weiter Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einzelner bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 in schematischer Darstellung ein Rückschlagventil mit einer parallel geschalteten Drosselblende gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Drosseleinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine Drosseleinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Drosseleinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
5 eine Drosseleinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
6 eine Drosseleinrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;
7 eine Drosseleinrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
8 ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die nachstehend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Alle nachstehend beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten Merkmale sind in vielfältiger Weise miteinander kombinierbar.
In den Figuren werden gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine in 2 dargestellte Drosseleinrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst ein Gehäuse 11 sowie einen ersten Anschluss 12 und einen zweiten Anschluss 13. Die Anschlüsse 12, 13 sind zur Zufuhr und/oder zum Auslass eines Fluids ausgebildet. Die Anschlüsse 12, 13 können beispielsweise in Form von Flanschen und/oder in Form von Verschraubungen ausgebildet sein.
Die Drosseleinrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist in Form eines Kugelrückschlagventils ausgebildet. Die Drosseleinrichtung 10 weist einen durch einen Umfang des Gehäuses 11 definierten Innenraum 14 auf, welcher sich zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss 12, 13 erstreckt. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Drosseleinrichtung 10 vorliegend zylinderförmig ausgebildet ist, wobei in 2 ein Schnitt entlang einer Längsachse der zylinderförmigen Drosseleinrichtung 10 dargestellt ist.
An einer dem Innenraum 14 zugewandten Innenseite 15 des Gehäuses 11 ist vorliegend ein Vorsprung 16 ausgebildet, welcher an einer dem ersten Anschluss 12 zugewandten Seite eine Anlagefläche 17 aufweist. Somit weist der Innenraum 14 des Gehäuses 11 eine innere Verengung 18 auf, welche mittels eines kugelförmigen Rückschlagelements 19 von Seiten des ersten Anschlusses 12 verschließbar ist. Hierzu umfasst die Drosseleinrichtung 10 ein Abstützelement 20 sowie ein federndes Halteelement 21, welches vorliegend als Schraubenfeder ausgebildet ist. Die Schraubenfeder 21 stützt sich einerseits an dem kugelförmigen Rückschlagelement 19 und andererseits an dem Abstützelement 20 ab. Somit wird erreicht, dass das kugelförmige Rückschlagelement 19 durch eine Kraftbeaufschlagung der Schraubenfeder 21 an die Anlagefläche 17 des kegelförmigen Vorsprungs 16 hingedrückt wird, so dass die Verengung 18 des Innenraums 14 des Gehäuses 11 verschlossen wird. Ist kein Strömungsdruck eines Fluids in der Drosseleinrichtung 10 vorhanden oder findet eine Beaufschlagung eines Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses 12 statt, so wird das kugelförmige Rückschlagelement 19 in einer in 2 dargestellten Ausgangsstellung mittels der Schraubenfeder 21 oder durch den Strömungsdruck gehalten, so dass ein Durchlass des Fluids überwiegend gesperrt wird. Findet dagegen eine Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des zweiten Anschlusses 13 statt, so wird das kugelförmige Element 19 durch ein Überwinden der Kraft der Schraubenfeder 21 aus der Ausgangsstellung verstellt, so dass das Fluid von dem zweiten Anschluss 13 hin zu dem ersten Anschluss 12 durchströmen kann.
Erfindungsgemäß weist das kugelförmige Rückschlagelement 19 eine Durchgangsbohrung 22 auf, mittels welcher erreicht wird, dass auch in der Ausgangsstellung des kugelförmigen Rückschlagelements 19 ein gedrosseltes Durchlassen des Fluids von dem ersten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 13 ermöglicht wird. Dabei ist das kugelförmige Rückschlagelement 19 derart ausgestaltet, dass ein Durchmesser der Durchgangsbohrung 22 deutlich kleiner ist als die Verengung 18 des Innenraums 14. Vorliegend ist die Durchgangsbohrung 22 ferner derart ausgebildet, dass sie neben einem Mittelpunkt des kugelförmigen Rückschlagelements 19 verläuft, wobei in einer alternativen Ausführungsform vorgesehen sein kann, dass die Durchgangsbohrung 22 über den Mittelpunkt des kugelförmigen Rückschlagelements 19 verläuft. Überdies ist es auch möglich, dass die Durchgangsbohrung 22 gekrümmt ausgebildet ist, wobei die Durchgangsbohrung 22 in ihrer Länge gleich einem Durchmesser des kugelförmigen Rückschlagelements 19 sein kann.
Eine Drosseleinrichtung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Die Drosseleinrichtung 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel umfasst ein Gehäuse 11 sowie einen ersten und einen zweiten Anschluss 12, 13. Auch hier ist die Drosseleinrichtung 10 zylinderförmig ausgebildet, wobei in 3 ein Schnitt entlang einer Längsachse dargestellt ist. Im vorliegenden Beispiel ist die Drosseleinrichtung 10 als Rückschlagklappenventil ausgebildet und umfasst somit ein als Rückschlagklappe ausgebildetes Rückschlagelement 19. Die Rückschlagklappe 19 weist einen Hebelarm 23 auf, über welchen die Rückschlagklappe 19 mit einem vorliegend als federnde Schwenkeinheit ausgebildeten federnden Halteelement 21 gekoppelt ist. Die Rückschlagklappe 19 weist ferner eine an einem Rand der Rückschlagklappe 19 ausgebildete Verdickung 24 auf, über welche sich die Rückschlagklappe in einer Ausgangsstellung an einem Flansch 25 eines von einer Innenseite 15 des Gehäuses 11 abstehenden Vorsprungs 26 abstützt. Findet eine Beaufschlagung eines Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses 12 oder ist kein Strömungsdruck in der Drosseleinrichtung 10 vorhanden, so stützt sich die Rückschlagsklappe 19 an dem Flansch 25 ab, was entsprechend durch den Strömungsdruck oder durch die federnde Schwenkeinheit 21 bewirkt wird. Um in der Ausgangsstellung ein gedrosseltes Hindurchströmen des Fluids von dem ersten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 13 zu gewährleisten, weist die Rückschlagklappe 19 eine Durchgangsbohrung 22 auf, welche einen Drosselkanal darstellt. Somit kann die Rückschlagklappe 19 zwischen der Ausgangsstellung, in welcher ein gedrosseltes Hindurchströmen des Fluids von dem ersten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 13 über die Durchgangsbohrung 22 ermöglicht ist, und einer Durchlassstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids von dem zweiten Anschluss 13 hin zu dem ersten Anschluss 12 freigebbar ist, verschwenkt werden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Rückschlagklappe 19 vorliegend aus Gusseisen und/oder Stahlguss und/oder geschmiedetem Stahl ausgebildet sein kann.
Eine Drosseleinrichtung 10 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt. Die Drosseleinrichtung 10 umfasst im vorliegenden Beispiel ein Gehäuse 11 sowie einen ersten und einen zweiten Anschluss 12, 13. Die Drosseleinrichtung 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist zylinderförmig ausgebildet, wobei in 4 ein Schnitt entlang einer Längsachse der Drosseleinrichtung 10 dargestellt ist. Das Rückschlagelement 19 ist vorliegend T-förmig ausgebildet und weist einen sich entlang einer Flussrichtung des Fluids bzw. entlang der Längsrichtung erstreckenden stiftartigen Basiskörper 27 sowie einen an einem Ende des Basiskörpers 27 ausgebildeten plattenförmigen Rückschlagbereich 28 auf. Eine Innenwand bzw. eine Innenseite 15 des Gehäuses 11 weist einen Flansch 26 auf, welcher eine Anlagefläche 17 aufweist, an welcher sich eine Stirnseite 29 des Rückschlagbereichs 28 des Rückschlagelements 19 in einer Ausgangsstellung abstützt. Hierzu umfasst die Drosseleinrichtung ein vorliegend als Schraubenfeder ausgebildetes federndes Element 21, welches sich einerseits an einer von der Stirnseite 29 abgewandten Rückseite 30 des Rückschlagbereichs 28 und andererseits an einem Flansch 31 eines hülsenartigen Führungselements 32 abstützt. Dabei ist das hülsenartige Führungselement 32 im Gehäuse 11 angeordnet und weist eine Öffnung 33 auf, in welche sich der stiftartige Basiskörper 27 des Rückschlagelements 19 bei einem Verstellen des Rückschlagelements 19 aus der Ausgangsstellung hineinerstreckt. Ist in der Drosseleinrichtung 10 kein Strömungsdruck vorhanden oder findet eine Beaufschlagung eines Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses 12 statt, so liegt die Stirnseite 29 des Rückschlagbereichs 28 an der Anlagefläche 17 an, was entsprechend durch eine Kraft der Schraubenfeder 21 oder durch den Strömungsdruck des Fluids bewirkt wird. Um ein gedrosseltes Hindurchströmen des Fluids von dem ersten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 13 zu gewährleisten, weist der Rückschlagbereich 28 eine Durchgangsbohrung 22 auf, durch welche ein Drosselkanal ausgebildet ist. Wird die Drosseleinrichtung 10 mit einen Strömungsdruck von Seiten des ersten Anschlusses 12 beaufschlagt, so wird ein gedrosseltes Hindurchströmen des Fluids über die Durchgangsbohrung 22 ermöglicht. Wird hingegen die Drosseleinrichtung 10 mit einem Strömungsdruck von Seiten des zweiten Anschlusses 13 beaufschlagt, so wird das Rückschlagelement 19 aus der Ausgangsstellung verstellt und der Fluss des Fluids freigegeben.
Eine Drosseleinrichtung 10 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel ist in 5 dargestellt. Die Drosseleinrichtung 10 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der Drosseleinrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass vorliegend lediglich auf die Unterschiede näher eingegangen wird. Um ein gedrosseltes Hindurchströmen des Fluids von dem ersten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 13 zu gewährleisten, weist das kugelförmige Rückschlagelement 19 vorliegend ein Abstandselement 34 auf, so dass in der Ausgangsstellung des Rückschlagelements 19 ein Drosselkanal zwischen der Anlagefläche 17 und einer Oberfläche des kugelförmigen Rückschlagelements 19 ausgebildet ist. Im vorliegenden Beispiel ist das Abstandselement 34 als Noppenelement ausgebildet und stellt eine Ausdehnung des Rückschlagelements 19 in einer radialen Richtung des kugelförmigen Rückschlagelements dar.
Eine Drosseleinrichtung 10 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel ist in 6 dargestellt. Die Drosseleinrichtung 10 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der Drosseleinrichtung 10 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, so dass vorliegend lediglich die Unterschiede näher erläutert werden. Um nun einen gedrosselten Fluss des Fluids von dem ersten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 13 sicherzustellen, weist der Flansch 25 des Vorsprungs 26 der Innenwand 15 des Gehäuses 11 ein Abstandselement 34 auf, welches im vorliegenden Beispiel als Noppenelement ausgebildet ist. Wird die Rückschlagklappe 19 durch die federnde Schwenkeinheit 21 oder durch den Strömungsdruck von Seiten des ersten Anschlusses 12 in die Ausgangsstellung, in welcher die Rückschlagklappe 19 an dem Flansch 25 anliegt, gedrückt, so bildet sich aufgrund des Abstandselements 34 über einen Umfang des Abstandselements 34 ein Drosselkanal zwischen dem Flansch 25 und der Rückschlagklappe 19 bzw. der Verdickung 24 der Rückschlagklappe 19 aus. Hierdurch wird ein gedrosseltes Hindurchströmen des Fluids von dem ersten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 13 gewährleistet.
Eine Drosseleinrichtung 10 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 7 dargestellt. Diese entspricht im Wesentlichen der Drosseleinrichtung 10 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 4, so dass vorliegend auf die Unterschiede dazwischen eingegangen wird. Um ein gedrosseltes Hindurchströmen des Fluids von dem ersten Anschluss 12 hin zu dem zweiten Anschluss 13 der Drosseleinrichtung 10 zu erreichen, weist die Stirnseite 29 des Rückschlagbereichs 28 des Rückschlagelements 19 eine Schräge 35 auf, welche eine Verformung einer Oberfläche der Stirnseite 29 des Rückschlagbereichs 28 darstellt. Durch die Schräge 35 wird gewährleistet, dass in der Ausgangsstellung des Rückschlagelements 19 ein Drosselkanal ausgebildet wird.
Ein Brennstoffzellensystem 36 ist in 8 wieder gegeben. Das Brennstoffzellensystem 36 umfasst eine eigentliche Brennstoffzelleneinheit 37, welche mittels einer Fluidleitung 38 mit einem Hauptdruckspeicher 39 verbunden ist. Das Brennstoffzellensystem 36 weist ferner einen zusätzlichen Hilfsdruckspeicher 40, welcher mit der die Brennstoffzelleneinheit 37 mit dem Hauptdruckspeicher 39 verbindenden Fluidleitung 38 über eine Drosseleinrichtung 10 verbunden ist. Die Drosseleinrichtung 10 kann dabei eine Drosseleinrichtung 10 gemäß dem ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften oder sechsten Ausführungsbeispiel sein. Die Drosseleinrichtung 10 umfasst einen ersten Anschluss 12 sowie einen zweiten Anschluss 13. Die Drosseleinrichtung 10 ist derart ausgebildet, dass bei Abwesenheit eines Strömungsdrucks des Fluids und/oder bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses 12 ein Durchlass des Fluids gedrosselt freigebbar ist, und bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses 13 ein Hindurchströmen des Fluids im Wesentlichen vollständig freigebbar ist. Vorliegend sei erwähnt, dass das Brennstoffzellensystem 36 in einem einen Hybridantrieb aufweisenden Kraftwagen angeordnet ist. Im Allgemeinen soll der zusätzliche Hilfsdruckspeicher 40, welcher vorliegend als Metallhydridspeicher ausgebildet ist, unabhängig von einem Druck in dem Hauptdruckspeicher 39 wenn nötig leergefahren werden. In diesem Fall herrscht im Inneren des Metallhydridspeichers 40 derselbe Druck wie in der Brennstoffzelleneinheit 37, beispielsweise 10 bar. Das Brennstoffzellensystem 36 zeichnet sich dadurch aus, dass der Metallhydridspeicher 40 während der Fahrt von dem Hauptdruckspeicher 39 wieder aufgefüllt werden kann. Wird jedoch, um das Fahrzeug weiter betreiben zu können, der Hauptdruckspeicher 39 wieder geöffnet, muss nicht nur das Fluid, insbesondere ein Wasserstoff, an die Brennstoffzelleneinheit 37 geliefert werden, sonder auch der ursprüngliche Druck im Metallhydridspeicher 40 wieder hergestellt werden. Der zu diesem Zwecke auftretende Fluss von Seiten des Hauptdruckspeichers 39 kann dabei sehr groß sein und zum Auslösen einer Rohrbruchsicherung führen. Hierzu zeigt sich die erfindungsgemäße Drosseleinrichtung 10 besonders vorteilhaft. Sie wirkt in Richtung des Metallhydridspeichers 40 als eine Drosselblende, so dass der Fluss des Fluids begrenzt wird, und ermöglicht in Richtung der Brennstoffzelleneinheit 37, also aus dem Metallhydridspeicher 40 heraus, einen freien Fluss. Hierdurch wird die Rohrbruchsicherung geschützt.

10: Drosseleinrichtung
11: Gehäuse
12, 13: Anschlüsse
14: Innenraum
15: dem Innenraum 14 zugewandte Innenseite
16: Vorsprung
17: Anlagefläche
18: Verengung
19: Rückschlagelement
20: Abstützelement
21: Federndes Halteelement
22: Durchgangsbohrung
23: Hebelarm
24: Verdickung am Rand der Rückschlagklappe 19
25, 26, 31: Flansche
27: Basiskörper
28: Rückschlagbereich
29: Stirnseite des Rückschlagbereichs 28
30: Rückseite des Rückschlagbereichs 28
32: Führungselement
33: Öffnung
34: Abstandselement
35: Schräge
36: Brennstoffzellensystem
37: Brennstoffzelleneinheit
38: Fluidleitung
39: Hauptdruckspeicher
40: Metallhydridspeicher

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20318192 U1 [0003]

Claims

Drosseleinrichtung (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (36) oder Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse (11), welches einen ersten und einen zweiten Anschluss (12, 13) zur Zufuhr und/oder zum Auslass eines Fluids aufweist, mit einem im Gehäuse (11) angeordneten Rückschlagelement (19), und mit einem federnden oder anders rückstellenden Halteelement (21), mittels welchem das Rückschlagelement (19) bei Abwesenheit eines Strömungsdrucks des Fluids und/oder bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses (12) in einer Ausgangsstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids zumindest überwiegend gesperrt ist, gehalten und bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses (13) zum Durchlassen des Fluids verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagelement (19) eine Durchgangsbohrung (22) zum gedrosselten Durchlassen des Fluids in der Ausgangsstellung aufweist.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Kugelrückschlagventil und das Rückschlagelement (19) kugelförmig ausgebildet sind.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (22) in ihrer Länge gleich einem Durchmesser des kugelförmigen Rückschlagelements (19) ist.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein sich zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss (12, 13) erstreckender Innenraum (14) des Gehäuses (11) eine Verengung (18) aufweist, welche mittels des kugelförmigen Rückschlagelements (19) durch eine von dem federnden oder anders rückstellenden Halteelement (21) bewirkte Kraft in der Ausgangsstellung verschließbar ist.
Drosseleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Halteelement (21) als Schraubenfeder ausgebildet ist, und das kugelförmige Rückschlagelement (19) durch eine von der Schraubenfeder (21) bewirkte Kraftbeaufschlagung in der Ausgangsstellung festlegbar ist.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Rückschlagklappenventil und das Rückschlagelement (19) als Rückschlagklappe ausgebildet sind.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Halteelement (21) als federnde Schwenkeinheit ausgebildet ist, und das als Rückschlagklappe ausgebildete Rückschlagelement (19) zwischen der Ausgangsstellung und einer Durchlassstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids freigebbar ist, verschwenkbar ist.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagelement (19) aus Gusseisen und/oder Stahlguss und/oder geschmiedetem Stahl ausgebildet ist.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Tellerrückschlagventil ausgebildet ist.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagelement (19) einen sich entlang einer Flussrichtung des Fluids erstreckenden stiftartigen Basiskörper (27) und einen an einem Ende des Basiskörpers (27) ausgebildeten plattenförmigen Rückschlagbereich (28) aufweist, welcher sich in der Ausgangsstellung an einer Anlagefläche (17) einer Innenwand (15) des Gehäuses (11) abstützt.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein hülsenartiges Führungselement (32) im Gehäuse (11) vorgesehen ist, in welches sich der stiftartige Basiskörper (27) des Rückschlagelements (19) bei einem Verstellen des Rückschlagelements (19) aus der Ausgangsstellung hineinerstreckt.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (32) einen an einem dem Rückschlagelement (19) zugewandten Ende des Führungselements (32) ausgebildeten Flansch (31) aufweist, an welchem sich das federnde oder anders rückstellende Halteelement (21) abstützt.
Drosseleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Halteelement (21) als eine an einem stiftartigen Basiskörper (27) des Rückschlagelements (19) außenumfänglich angeordnete Schraubenfeder ausgebildet ist.
Drosseleinrichtung (10), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (36) oder ein Kraftstoffversorgungssystem eines Kraftwagens, mit einem Gehäuse (11), welches einen ersten und einen zweiten Anschluss (12, 13) zur Zufuhr und/oder zum Auslass eines Fluids aufweist, mit einem im Gehäuse (11) angeordneten Rückschlagelement (19), welches sich bei Abwesenheit eines Strömungsdrucks des Fluids und/oder bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks von Seiten des ersten Anschlusses (12) in einer Ausgangsstellung, in welcher ein Durchlass des Fluids zumindest überwiegend gesperrt ist, an einer Anlagefläche (17) eines Innenraums (14) des Gehäuses (11) abstützt, und mit einem federnden oder anders rückstellenden Halteelement (21), mittels welchem das Rückschlagelement (19) in der Ausgangsstellung gehalten und bei einer Beaufschlagung des Strömungsdrucks des Fluids von Seiten des zweiten Anschlusses (13) zum Durchlassen des Fluids verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Anlagefläche (17) des Innenraums (14) und/oder an einer der Anlagefläche (17) zugewandten Seite des Rückschlagelements (19) mindestens ein Abstandselement (34) vorgesehen ist, und ein Drosselkanal zwischen dem Rückschlagelement (19) und der Anlagefläche (17) in der Ausgangsstellung ausgebildet ist.
Drosseleinrichtung (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (34) als eine Verformung einer Oberfläche des Rückschlagelements (19) und/oder eine Verformung der Anlagefläche (17) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (36) mit einer Drosseleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Brennstoffzellensystem (36) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (36) einen Hauptdruckspeicher (39) und eine eigentliche Brennstoffzelleneinheit (37) aufweist, und eine den Hauptdruckspeicher (39) mit der Brennstoffzelleneinheit (37) verbindende Fluidleitung (38) mit einem zusätzlichen Hilfsdruckspeicher (40), insbesondere einem Metallhydridspeicher, verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (36) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (38) über die Drosseleinrichtung (10) mit dem zusätzlichen Hilfsdruckspeicher (40), insbesondere dem Metallhydridspeicher, verbunden ist, wobei der erste Anschluss (12) der Drosseleinrichtung (10) der Fluidleitung (38) zugewandt ist.
Kraftstoffversorgungssystem mit einer Drosseleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.