DE102011121467A1

DE102011121467A1 - Druckrückhalteventil und integriertes ventil für ein tanksystem

Info

Publication number: DE102011121467A1
Application number: DE201110121467
Authority: DE
Inventors: Jürgen Thyroff; Oliver Maier
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2031-12-17
Also published as: US20120160335A1; CN102537437B; DE102011121467B4; CN102537437A; US8459286B2

Abstract

Es ist ein Druckrückhalteventil mit integriertem Ventil offenbart. Das Druckrückhalteventil mit integriertem Ventil umfasst ein Gehäuse; einen Außenkolben, der in dem Gehäuse positioniert ist; eine Hauptdichtung zwischen dem Außenkolben und dem Gehäuse; einen Innenkolben, der in dem Außenkolben positioniert ist, wobei der Innenkolben eine Bohrung aufweist, die ein Ventil enthält; eine Feder zwischen dem Gehäuse und einem Oberteil des Außenkolbens; eine Umgebungsbohrung in dem Gehäuse oberhalb der Hauptdichtung; einen Auslass in dem Gehäuse unterhalb der Hauptdichtung; und eine Gefäßverbindung in dem Gehäuse benachbart der Bohrung des Innenkolbens. Es sind auch Verfahren zum Liefern von Kraftstoff an ein Gas verbrauchendes System unter Verwendung des Druckrückhalteventils beschrieben.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Hochdrucktanksystem und insbesondere ein Hochdrucktanksystem mit einem Druckrückhalteventil mit einem integrierten Ventil.
Das Tankgefäß ist eine Schlüsselkomponente in einem Hochdruckspeichersystem. Hochdruckspeichersysteme werden in einer breiten Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich Fahrzeuganwendungen, wie Fahrzeugen, die durch Wasserstoff oder Druckerdgas (CNG von engl.: ”compressed natural gas”) betrieben werden. Es ist erwünscht, Faserverbundstoffgefäße (bekannt als Gefäße vom ”Typ 4”) für den Tank zu verwenden, da sie ein gutes Verhältnis von Speicherung zu Gewicht aufweisen. Gefäße vom Typ 4 besitzen zwei Schichten: eine Außenschicht, die beispielsweise aus einer Kohlefasermatrix besteht und derart ausgelegt ist, die mechanische Last zu tragen; und eine Innenschicht oder Auskleidung, die aus einer Blase aus Kunststoff oder Aluminium hergestellt und derart ausgelegt ist, eine Leckage zu verhindern.
Um sicherzustellen, dass die Auskleidung fest durch die Außenschicht gestützt wird, sollte stets ein minimaler Druck in dem Tank beibehalten werden. Wenn die Druckbeaufschlagung von einem Anfangsdruck unterhalb des minimalen Drucks startet, kann die Auskleidung reißen, und die Inhalte würden durch die Außenschicht an die Umgebung strömen.
Herkömmliche Gastanksysteme verwenden ein elektrisches Drucksensorsignal, um den minimalen Druck beizubehalten. Das Signal wird in einem Fahrzeugcontroller bewertet. Wenn der minimale Druck erreicht ist, wird das/werden die Tankventil(e) geschlossen. Dieses System ist ein aktives System, das einen Controller, einen Drucksensor, einen Algorithmus sowie elektrische Leistung zur Steuerung des minimalen Drucks erfordert. Die restliche nicht verwendbare Gasmenge hängt von der Genauigkeit des Drucksensors ab. Jedoch besitzen die Drucksensoren eine Toleranzbegrenzung, die berücksichtigt werden muss, und bei geringem Druck besitzen sie keine gute Genauigkeit. Zusätzlich kann mit der Zeit eine Drift des Sensorsignals auftreten. Aufgrund der hohen Abweichung in dem Niederdruckbereich muss zu dem nominellen Minimalbetriebsdruck eine signifikante Drucksicherheitsspanne addiert werden. Dies führt zu einer Reduzierung der Menge an nutzbarer Wasserstoff-/Gasmasse und somit zu einer geringeren Reichweite für das Fahrzeug.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der Erfindung ist ein Druckrückhalteventil mit integriertem Ventil. Bei einer Ausführungsform weist das Druckrückhalteventil mit integriertem Ventil ein Gehäuse; einen Außenkolben, der in dem Gehäuse positioniert ist; eine Hauptdichtung zwischen dem Außenkolben und dem Gehäuse; einen Innenkolben, der in dem Außenkolben positioniert ist, wobei der Innenkolben eine Bohrung aufweist, die ein Ventil enthält; eine Feder zwischen dem Gehäuse und einem Oberteil des Außenkolbens; eine Umgebungsbohrung in dem Gehäuse oberhalb der Hauptdichtung; einen Auslass in dem Gehäuse unterhalb der Hauptdichtung; und eine Gefäßverbindung in dem Gehäuse benachbart der Bohrung des Innenkolbens auf.
Ein anderer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Liefern von Kraftstoff an ein Gas verbrauchendes System. Bei einer Ausführungsform weist das Verfahren die Bereitstellung eines Tankgefäßes, wobei das Gas verbrauchende System mit dem Tankgefäß durch ein Rohr verbunden ist, einer Auftankleitung, die mit dem Rohr zwischen dem Tankgefäß und dem Gas verbrauchenden System verbunden ist, und eines Druckrückhalteventils mit integriertem Ventil auf, das mit dem Rohr zwischen dem Tankgefäß und der Auftankleitungsverbindung verbunden ist, wobei das Druckrückhalteventil umfasst: ein Gehäuse; einen Außenkolben, der in dem Gehäuse positioniert ist; eine Hauptdichtung zwischen dem Außenkolben und dem Gehäuse; einen Innenkolben, der in dem Außenkolben positioniert ist; wobei der Innenkolben eine Bohrung aufweist, die ein Ventil enthält; eine Feder zwischen dem Gehäuse und einem Oberteil des Außenkolbens; eine Umgebungsbohrung in dem Gehäuse oberhalb der Hauptdichtung; einen Auslass in dem Gehäuse unterhalb der Hauptdichtung; und eine Gefäßverbindung in dem Gehäuse benachbart der Bohrung des Innenkolbens; Auswählen eines minimalen Betriebsdrucks für das Tankgefäß; wobei, wenn ein Tankgefäßdruck größer als der minimale Druck ist, der Tankgefäßdruck den Innenkolben von einem Unterteil des Gehäuses anhebt und einen Pfad von der Gefäßverbindung zu dem Auslass öffnet, wobei ein Oberteil des Innenkolbens in Kontakt mit dem Außenkolben bleibt und den Außenkolben anhebt, und Kraftstoff an das Gas verbrauchende System geliefert wird; und wobei, wenn der Tankgefäßdruck kleiner als der minimale Druck ist, der Tankgefäßdruck nicht ausreichend ist, um den Innenkolben von dem Unterteil des Gehäuses anzuheben, oder nicht ausreichend ist, um den Innenkolben in der angehobenen Position beizubehalten, der Pfad von der Gefäßverbindung zu dem Auslass geschlossen wird, wobei das Oberteil des Innenkolbens in Kontakt mit dem Außenkolben bleibt, und die Lieferung von Kraftstoff zu dem Gas verbrauchenden System beendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Tanksystems mit dem Druckrückhalteventil mit einem integrierten Rückschlagventil.
2 ist eine Darstellung einer Ausführungsform eines Druckrückhalteventils mit einem integrierten Rückschlagventil und seines Betriebs, wenn der minimale Druck erreicht ist.
3 ist eine Darstellung des normalen Betriebs des Druckrückhalteventils mit dem in 2 gezeigten integrierten Rückschlagventils.
4 ist eine Darstellung des Betriebs des Druckrückhalteventils mit dem in 2 gezeigten integrierten Rückschlagventil während des Tankens.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung optimiert den Betriebsbereich eines Hochdruckgastanks mit einem minimalen Betriebsdruck. Das Gastanksystem weist ein Druckrückhalteventil mit einem integrierten Ventil auf. Das Ventil dient als ein unabhängiges Tankgefäßabsperrventil, wenn der minimale Druck erreicht ist, und es sieht eine Ventilfunktionalität vor, um ein Betanken des Tanks zuzulassen.
Dies erlaubt ein mechanisches Steuern des minimalen Gefäßdrucks. Es reduziert die Minimaldrucktoleranz im Vergleich zu einem herkömmlichen elektrischen Druckmess- und Absperrsystem. Dies resultiert in einer geringeren Drucksicherheitsspanne für den minimal zulässigen Gefäßdruck und folglich in entweder einer höheren Reichweite oder einem kleineren Tanksystem mit gleicher Reichweite.
Das Druckrückhalteventil mit dem integrierten Ventil reduziert die Komplexität der Steuerung des minimalen Drucks in dem Gefäß, da keine Drucksensoren und damit in Verbindung stehende Verbinder, Verdrahtung, Controller und Software erforderlich sind. Es existieren keine Solenoide oder andere elektrische Komponenten nahe dem Gefäß oder der Betankungsleitung. Der minimale Gefäßdruck kann sogar beibehalten werden, wenn das elektrische System nicht betriebsfähig oder getrennt ist. Es existieren keine Probleme mit elektromagnetischer Kompatibilität. Es reduziert Kosten und erfordert wenig Wartung, da keine Notwendigkeit einer Kompensation einer Drucksensordrift besteht. Es ist zuverlässiger und sicherer als die Steuerung nach dem Stand der Technik.
Die Kombination des Druckrückhalteventils und des Ventils in einem einzelnen Gehäuse reduziert die Anzahl von Teilen und die Anzahl von Verrohrungsverbindungen und Dichtungen zu der Umgebung. Die kochentwickelte Dichtungskonstruktion, die Dichtungen ohne relative Bewegung betrifft, resultiert in einem hochzuverlässigen Ventil mit reduziertem Wartungsbetrieb und sehr geringer Reibung.
1 zeigt ein Zufuhrsystem 10 für ein Gas verbrauchendes System 15, wie eine Brennstoffzelle. Das Zufuhrsystem weist ein oder mehrere Tankgefäße 20 auf. Jedes Tankgefäß besitzt ein Absperrventil 25. Das/Die Tankgefäß(e) 20 sind durch ein Rohr 30 mit der Brennstoffzelle 15 verbunden. Im Normalbetrieb läuft die Zufuhrströmung von dem/den Tankgefäß(en) 20 zu der Brennstoffzelle 15. Es existiert ein Rückschlagventil 35, das mit dem Rohr 30 verbunden ist, um ein Tanken des Tankgefäßes/der Tankgefäße 20 zuzulassen. Während des Betankens läuft die Strömung von dem Rückschlagventil 35 zu dem/den Tankgefäß(en) 20. Es existiert auch ein Druckrückhalteventil mit einem integrierten Ventil 40 zwischen dem/den Tankgefäß(en) 20 und der Brennstoffzelle 15.
Das Druckrückhalteventil 40 ist in den 2 bis 4 detaillierter gezeigt. Das Druckrückhalteventil 40 weist ein Gehäuse 45 auf. Das Gehäuse 45 weist einen schmaleren oberen Abschnitt 50 und einen breiteren unteren Abschnitt 55 mit einer Schulter 60 zwischen dem oberen Abschnitt 50 und dem unteren Abschnitt 55, sowie ein Unterteil 65 auf.
Es ist ein Außenkolben 70 mit einem Oberteil 75, Seiten 80 und einem Flansch 85 vorgesehen, der sich auswärts von den Seiten 80 erstreckt. Zwischen der Schulter 60 des Gehäuses 45 und dem Flansch 85 des Außenkolbens 70 ist eine Hauptdichtung 90 vorgesehen. Die Hauptdichtung 90 kann beispielsweise ein O-Ring sein.
Es ist ein Innenkolben 95 mit einem Oberteil 100, Seiten 105 und einem Flansch 110 vorgesehen, der sich auswärts von den Seiten 105 erstreckt. Der Innenkolben 95 weist eine obere Bohrung 115 und eine breitere untere Bohrung 120 auf. Die untere Bohrung 120 enthält eine Rückschlagventilfeder 125 und eine Rückschlagventilkugel 130.
Es existiert eine Dichtung 155 zwischen dem Oberteil 100 des Innenkolbens 95 und der Unterseite des Oberteils 75 des Außenkolbens 70. Es ist eine Dichtung 160 zwischen dem Flansch 110 des Innenkolbens 95 und dem Unterteil 65 des Gehäuses 45 vorgesehen.
Es existiert eine Gefäßverbindung 165 in dem Unterteil 65 des Gehäuses 45, die das Tankgefäß/die Tankgefäße 20 mit dem Druckrückhalteventil 40 verbindet. Die Gefäßverbindung 165 ist mit der unteren Bohrung 120 des Innenkolbens 95 ausgerichtet.
Es ist ein Auslass 170 in der Seite des unteren Abschnittes 55 des Gehäuses 45 vorgesehen. Das Rohr 30 verbindet den Auslass 170 mit der Brennstoffzelle 15 und dem Rückschlagventil 35, was ein Auftanken des Tankgefäßes/der Tankgefäße zulässt.
Es ist eine Umgebungsbohrung 175 in der Seite des oberen Abschnittes 50 des Gehäuses 45 vorgesehen.
Die Hauptfeder 180 in dem oberen Abschnitt 50 des Gehäuses 45 übt einen Druck auf die Oberseite des Oberteils 75 des Außenkolbens 70 aus. Die Einstellschraube 185 wird zum Einstellen der Hauptfeder 180 verwendet.
2 zeigt den Betrieb des Druckrückhalteventils 40, wenn der Minimaldruckzustand erreicht ist (p_tank < p_min). Der Tankdruck übt einen Druck auf die effektive Fläche 195 aus. Jedoch ist die resultierende Kraft zu gering, um den Innenkolben 95 anzuheben. Die entgegengesetzte Schließkraft ist die Summe der Hauptfeder 180 und des auf die obere Fläche 200 pressenden Umgebungsdrucks. Die Hauptdichtung 90 und die Dichtungen 155, 160 weisen ausreichend Vorlast auf, um eine Leckagedichtheit zu garantieren. Die Einstellschraube 185 wird dazu verwendet, die Vorlast der Hauptfeder 180 zu ändern, die den gewünschten Schließdruck p_min des Außenkolbens 70 einstellt. Im Normalbetrieb resultiert das Kraftgleichgewicht zwischen dem Außen- 70 und dem Innenkolben 95 auf Grundlage der Druck- und Federkraft in einem direkten Kontakt zwischen den beiden Kolben. Daher existiert keine Trennung zwischen dem Innenkolben 95 und dem Außenkolben 70, und der Auftankpfad ist durch die Dichtung 155 geschlossen.
3 zeigt den Betrieb des Druckrückhalteventils 40 im Normalbetrieb, d. h. wenn der Tankgefäßdruck größer als der minimale Betriebsdruck ist (p_tank > p_min). Im Normalbetrieb liefert der Tank Wasserstoff an die Brennstoffzelle. Der Tankdruck übt einen Druck auf die effektive Fläche 195 aus, was in einer Kraft resultiert, die den Innenkolben 95 anhebt. Das Oberteil 100 des Innenkolbens 95 steht in Kontakt mit der Unterseite des Oberteils 75 des Außenkolbens 70. Die entgegengesetzte Schließkraft ist die Summe der Hauptfeder 180, des Umgebungsdrucks (des Drucks durch die Umgebungsbohrung 175), der auf die obere Fläche 200 des Außenkolbens 70 presst, und des Quetschens der Hauptdichtung 90. Wenn der Tankdruck hoch genug ist, wird der Innenkolben 95 zusammen mit dem Außenkolben 70 angehoben, und Wasserstoff strömt von der Gefäßverbindung 165 zu dem Auslass 170.
4 zeigt den Betrieb des Druckrückhalteventils 40 während des Auftankens (p_anode > p_tank). Der Betankungsdruck an dem Auslass (oder Anode) ist höher als der Tankdruck, und wird auf die effektive Fläche 205 aufgebracht. Somit bewegt sich der Außenkolben 70 aufwärts und trennt sich von dem Innenkolben 95. Die Dichtung 155 sieht aufgrund des Raums zwischen dem Außenkolben 70 und dem Innenkolben 95 keine Abdichtung vor, und die Druckdifferenz über die Rückschlagventilfeder 125 und die Rückschlagventilkugel 130 öffnet den Auftankpfad. Der Auftankpfad bleibt so lange offen, wie die Auftankdruckkraft auf die effektive Fläche 205 größer als die Summe des Umgebungsdrucks, der auf die obere Fläche 200 aufgebracht ist, der Hauptfeder 180 und der Hauptdichtung 90 ist.
Es sei angemerkt, dass Begriffe wie ”bevorzugt”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hier nicht dazu verwendet sind, den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für den Aufbau oder die Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sind diese Begriffe lediglich dazu bestimmt, alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, jedoch nicht müssen.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff ”Vorrichtung” hier dazu verwendet ist, eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten ungeachtet dessen zu repräsentieren, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind. Beispielsweise kann eine ”Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, etc. umfassen.
Für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung sei angemerkt, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hier dazu verwendet ist, den inhärenten Grad an Unsicherheit anzugeben, der einem quantitativen Vergleich, einem Wert, einer Messung oder einer anderen Darstellung zu eigen ist. Der Begriff ”im Wesentlichen” wird hier auch dazu verwendet, den Grad zu repräsentieren, um den eine quantitative Darstellung von einer festgelegten Referenz abweichen kann, ohne in einer Änderung der Grundfunktion des betreffenden Gegenstandes zu resultieren.
Nach der detaillierten Beschreibung der Erfindung und durch Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben wird offensichtlich, dass Abwandlungen und Variationen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung, der in den angefügten Ansprüchen definiert ist, möglich sind. Genauer ist, obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft festgestellt sind, es denkbar, dass die vorliegende Erfindung nicht unbedingt auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.

Claims

Druckrückhalteventil mit integriertem Ventil, umfassend: ein Gehäuse; einen Außenkolben, der in dem Gehäuse positioniert ist; eine Hauptdichtung zwischen dem Außenkolben und dem Gehäuse; einen Innenkolben, der in dem Außenkolben positioniert ist, wobei der Innenkolben eine Bohrung aufweist, die ein Ventil enthält; eine Feder zwischen dem Gehäuse und einem Oberteil des Außenkolbens; eine Umgebungsbohrung in dem Gehäuse oberhalb der Hauptdichtung; einen Auslass in dem Gehäuse unterhalb der Hauptdichtung; und eine Gefäßverbindung in dem Gehäuse benachbart der Bohrung des Innenkolbens.
Druckrückhalteventil nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse einen oberen Abschnitt, einen breiteren unteren Abschnitt und eine Schulter zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt besitzt.
Druckrückhalteventil nach Anspruch 2, wobei die Hauptdichtung zwischen einem sich auswärts erstreckenden Flansch an einem Unterteil des Außenkolbens und der Schulter des Gehäuses vorgesehen ist.
Druckrückhalteventil nach Anspruch 2, wobei die Umgebungsbohrung in dem oberen Abschnitt des Gehäuses vorgesehen ist.
Druckrückhalteventil nach Anspruch 1, ferner mit einer Einstellschraube, die sich durch das Gehäuse erstreckt und mit der Feder in Kontakt steht.
Druckrückhalteventil nach Anspruch 1, wobei das Ventil in der Bohrung des Innenkolbens ein Rückschlagventil ist.
Druckrückhalteventil nach Anspruch 1, ferner mit einer Dichtung zwischen einem Oberteil des Innenkolbens und einer Unterseite eines Oberteils des Außenkolbens.
Druckrückhalteventil nach Anspruch 1, ferner mit einer Dichtung zwischen einem Unterteil des Innenkolbens und einem Unterteil des Gehäuses.
Verfahren zum Liefern von Kraftstoff an ein Gas verbrauchendes System, umfassend: Bereitstellen eines Tankgefäßes, wobei das Gas verbrauchende System mit dem Tankgefäß durch ein Rohr verbunden ist, einer Auftankleitung, die mit dem Rohr zwischen dem Tankgefäß und dem Gas verbrauchenden System verbunden ist, und eines Druckrückhalteventils mit integriertem Ventil, das mit dem Rohr zwischen dem Tankgefäß und der Auftankleitungsverbindung verbunden ist, wobei das Druckrückhalteventil umfasst: ein Gehäuse; einen Außenkolben, der in dem Gehäuse positioniert ist; eine Hauptdichtung zwischen dem Außenkolben und dem Gehäuse; einen Innenkolben, der in dem Außenkolben positioniert ist, wobei der Innenkolben eine Bohrung aufweist, die ein Ventil enthält; eine Feder zwischen dem Gehäuse und einem Oberteil des Außenkolbens; eine Umgebungsbohrung in dem Gehäuse oberhalb der Hauptdichtung; einen Auslass in dem Gehäuse unterhalb der Hauptdichtung; und eine Gefäßverbindung in dem Gehäuse benachbart der Bohrung des Innenkolbens; Auswählen eines minimalen Betriebsdrucks für das Tankgefäß; wobei, wenn ein Tankgefäßdruck größer als der minimale Druck ist, der Tankgefäßdruck den Innenkolben von einem Unterteil des Gehäuses anhebt und einen Pfad von der Gefäßverbindung zu dem Auslass öffnet, wobei ein Oberteil des Innenkolbens in Kontakt mit dem Außenkolben bleibt und den Außenkolben anhebt, und Kraftstoff an das Gas verbrauchende System geliefert wird; und wobei, wenn der Tankgefäßdruck kleiner als der minimale Druck ist, der Tankgefäßdruck nicht ausreichend ist, um den Innenkolben von dem Unterteil des Gehäuses anzuheben, oder nicht ausreichend ist, um den Innenkolben in der angehobenen Position beizubehalten, der Pfad von der Gefäßverbindung zu dem Auslass geschlossen wird, wobei das Oberteil des Innenkolbens in Kontakt mit dem Außenkolben bleibt, und die Lieferung von Kraftstoff zu dem Gas verbrauchenden System beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: wenn der Tankgefäßdruck kleiner als der minimale Druck ist, eine Auftanklieferung mit der Auftankleitung verbunden wird, wobei ein Auslassdruck größer als der Tankgefäßdruck ist, wobei der Auslassdruck den Außenkolben von dem Oberteil des Innenkolbens anhebt, während der Innenkolben in einer abgesenkten Position bleibt, so dass der Pfad von der Gefäßverbindung zu dem Auslass geschlossen ist, einen Auftankpfad von dem Auslass zwischen dem Oberteil des Innenkolbens und dem Außenkolben und durch die Bohrung in dem Innenkolben zu der Gefäßverbindung geöffnet wird und das Tankgefäß nachgetankt wird.