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Die Erfindung betrifft eine Druckregelvorrichtung zum Reduzieren eines Fluiddrucks, insbesondere von Wasserstoff, mit einem Gehäuse, einem Einlass, einem Auslass und einem Druckminderer, wobei der Einlass mit der Eingangsseite des Druckminderers verbunden ist.
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Druckregelvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung werden insbesondere in Kraftfahrzeugen zwischen einem Hochdruckspeicher und Brennstoffzellen als Energiewandler eingesetzt. Für den Betrieb von Brennstoffzellen wird Wasserstoff als gasförmiger Brennstoff benötigt, der in einem Hochdruckspeicher mit einem Speicherdruck von bis zu 700 bar oder mehr gespeichert wird. Für die Versorgung der Brennstoffzellen muss dabei das hoch komprimierte Gas auf einen Systemdruck von ca. 10 bis 20 bar entspannt und anschließend über einen Feindruckminderer auf einen Betriebsdruck von einigen wenigen mbar abgesenkt werden. Problematisch ist dabei, dass bei einem variablen Eingangsdruck zwischen 20 und 700 bar ein bestimmter Massestrom an Gas mit einem bestimmten Druck an der Austrittsseite, d. h. am Auslass der Druckregelvorrichtung, zur Verfügung gestellt werden muss. Zur Zeit am Markt erhältliche Druckminderer können zwar über bestimmte Druckbereiche auf der Eintrittsseite sehr präzise einen geringen Druck auf der Austrittsseite bereit stellen, derartige Druckminderer sind jedoch nicht für derart große Druckbereiche auf der Eintrittsseite geeignet, wie sie bei Hochdruckspeichern für Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen auftreten können.
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Aus der
DE 10 2004 048 862 A1 ist ein Energiewandler mit einer Gasdosiereinheit für die Bereitstellung des wandlerseitigen Gas-Betriebsdrucks bei einer Hochdruck-Gasversorgung bekannt, bei der die Gasdosiereinheit als Hochdruckschaltventil ausgebildet ist. Die Dosierung des Gas-Betriebsdrucks für die Brennstoffzellen als Energiewandler erfolgt dabei durch ein entsprechend schnell getaktetes Öffnen und Schließen des Hochdruckschaltventils, wobei auf einen nachfolgenden Druckminderer oder eine Druckregeleinheit ausdrücklich verzichtet werden soll. Um pro Takt die gleiche Menge Gas in die Brennstoffzellen einzublasen, muss die Öffnungszeit des Hochdruckschaltventils bei hohem Eingangsdruck entsprechend kürzer als bei niedrigem Eingangsdruck sein. Die Verwendung eines Schaltventils, das sehr schnell getaktet wird, hat den Nachteil, dass durch das permanente Öffnen und Schließen des Ventils dieses einem erhöhten Verschleiß unterworfen ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Druckregelvorrichtung zum Reduzieren eines Fluiddrucks zur Verfügung zu stellen, die bei möglichst kompakter Bauform auch bei einem großen variablen Druckbereich auf der Eintrittsseite eine hohe Verfügbarkeit und Sicherheit gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs beschriebenen Druckregelvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass ein Sicherheitsabsperrventil vorgesehen ist, wobei die Ausgangsseite des Druckminderers über eine im Gehäuse ausgebildete Bohrung mit der Eingangsseite des Sicherheitsabsperrventils und die Ausgangsseite des Sicherheitsabsperrventils mit dem Auslass der Druckregelvorrichtung verbunden ist. Die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung weist somit neben einem Druckminderer zusätzlich noch ein – in Strömungsrichtung – nach geschaltetes Sicherheitsabsperrventil auf, wobei die Bauteile des Druckminderers und die Bauteile des Sicherheitsabsperrventils zusammen in einem Gehäuse angeordnet sind. Hierdurch wird sowohl eine kompakte Bauform ermöglicht, als auch sichergestellt, dass im Falle eines Fehlers des Druckminderers eine Abdichtung gewährleistet wird, um einen ungewollten Druckanstieg am Auslass der Druckregelvorrichtung zu verhindern. Hierdurch wird eine Beschädigung eines der Druckregelvorrichtung nach geschalteten Feindruckminderers bzw. eine Beschädigung der Brennstoffzellen verhindert.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie der Druckminderer und das Sicherheitsabsperrventil im Einzelnen ausgebildet sein können. Insbesondere ist dabei sowohl eine aktive als auch eine passive Druckregelung sowohl des Druckminderers als auch des Sicherheitsabsperrventils denkbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Druckminderer einen axial verschiebbar im Gehäuse angeordneten Kegel, einen korrespondierenden Kegelsitz, ein den Kegel mit einer Kraft in Richtung des Kegelsitzes beaufschlagendes Federelement sowie einen axial verschiebbar im Gehäuse angeordneten Kolben, einen Aktuator und eine zwischen dem Kolben und dem Aktuator angeordnete Membran auf. Das dem Kegelsitz zugewandte Ende des Kegels steht dabei mit dem der Membran abgewandten Ende des Kolbens in Berührung, wobei der Aktuator den Kolben entgegengesetzt zur Kraft des Federelements gegen den Kegel drückt. Die Membran dient dabei sowohl zur Übertragung der Kraft des Aktuators auf den Kolben als auch zur Abdichtung zwischen dem Druckraum und dem Aktuator.
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Ist das Ventil des Druckminderers geöffnet, so strömt Gas durch den mit der Eingangsseite des Druckminderers verbundenen Einlass durch den Druckminderer, wobei die Spaltbreite bzw. der Spaltquerschnitt zwischen dem Kegel und dem Kegelsitz durch eine Linearbewegung des Kegels eingestellt wird. Dazu wird der Kegel vom Aktuator über den Kolben mit einer Kraft beaufschlagt, so dass die Position des Kegels relativ zu Kegelsitz einstellbar ist. Der Aktuator kann dabei sowohl mechanisch, d. h. mittels einer Feder, als auch magnetisch oder pneumatisch angetrieben werden. Bei Einsatz eines mechanischen Aktuators stellt sich ein Kräftegleichgewicht zwischen dem vom Federelement beaufschlagten Kegel, dem vom Aktuator beaufschlagten Kolben und der Membran ein, wobei der Solldruck auf der Ausgangsseite des Druckminderers durch den Aktuator vorgegeben werden kann. Steigt der Druck über den Solldruck an, so führt dies dazu, dass die Membran vom Kolben abhebt, so dass der Kegel durch die Kraft des Federelements in den Kegelsitz bzw. in Richtung des Kegelsitzes gedrückt wird.
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Vorzugsweise wird der Aktuator über ein Piezoelement angetrieben, das sich bei Anlegung einer Spannung ausdehnt. Der Vorteil eines Piezoelements zur Steuerung des Aktuators des Druckminderers besteht darin, dass mittels eines Piezoelements sowohl eine sehr schnelle Regelung als auch eine sehr kleine und sehr genaue Wegänderung möglich ist, so dass die Position des Kegels relativ zum Kegelsitz sehr schnell und sehr exakt eingestellt werden kann. Der erforderliche Stellweg kann dabei theoretisch im Nanometerbereich liegen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist auch das Sicherheitsabsperrventil einen axial verschiebbar im Gehäuse angeordneten Kegel, einen korrespondierenden Kegelsitz, ein den Kegel mit einer Kraft in Richtung des Kegelsitzes beaufschlagendes Federelement sowie einen axial verschiebbar im Gehäuse angeordneten Kolben, einen Aktuator und eine zwischen dem Kolben und dem Aktuator angeordnete Membran auf. Das Sicherheitsabsperrventil weist somit im wesentlichen dieselben Bauelemente wie der Druckminderer auf, wobei sowohl der Querschnitt der Bohrung zwischen der Ausgangsseite des Druckminderers und der Eingangsseite des Sicherheitsabsperrventils als auch die Strömungsquerschnitte innerhalb des Sicherheitsabsperrventils vorzugsweise so gewählt sind, dass nach der Ausgangsseite des Druckminderers keine weitere Drosselung des Gases mehr stattfindet.
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Der Aktuator des Sicherheitsabsperrventils ist dabei so ausgewählt, dass er bei dem vorgegebenen Druck an der Ausgangsseite des Druckminderers das Sicherheitsabsperrventil offen hält, d. h. der Kolben wird derart gegen den Kegel gedrückt, dass sich ein ausreichender Spalt zwischen dem Kegelsitz und dem zugewandten Ende des Kegels einstellt.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung wird der Aktuator des Sicherheitsabsperrventils mechanisch, d. h. mittels einer entsprechenden Feder, angetrieben. Übersteigt der an der Eingangsseite des Sicherheitsabsperrventils anstehende Druck einen durch den Aktuator vorgebbaren Grenzwert, so führt dies bei dem Sicherheitsabsperrventil dazu, dass die Membran vom Kolben abhebt, so dass der Kegel durch die Kraft des Federelements in den Kegelsitz gedrückt wird und somit das Sicherheitsabsperrventil schließt.
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Gemäß einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die hier noch kurz erwähnt werden soll, ist der Aktuator des Druckminderers bei einer aktiven Druckregelung über ein Steuersignal regelbar, durch das die Kraft des Aktuators proportional zum Druck des Fluids am Auslass einstellbar ist. Hierzu ist in der Leitung, die am Auslass der Druckregelvorrichtung angeschlossen ist, ein Drucktransmitter eingebaut, der den gemessenen Austrittsdruck an einen elektronischen Regler weiter gibt, der dann in Abhängigkeit vom aktuellen Druck ein Steuersignal für den Aktuator liefert.
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Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Druckregelvorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nach geordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine perspektivische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung, und
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2 die Druckregelvorrichtung gemäß 1, teilweise geschnitten.
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Die Figuren zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckregelvorrichtung 1, wobei 1 eine perspektivische Darstellung der Druckregelvorrichtung 1 zeigt, während in 2 die Druckregelvorrichtung 1 teilweise geschnitten dargestellt ist. Die Druckregelvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, bei dem es sich um ein massives Metallgehäuse handeln kann. Das Gehäuse 2 weist einen Einlass 3 und einen auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten Auslass 4 auf, wobei der Einlass 3 über eine Leitung mit einem Hochdruckbehälter und der Auslass 4 über eine Leitung mit einem nachgeschalteten Feindruckminderer oder direkt mit einer bzw. mehreren Brennstoffzellen verbunden sein kann.
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Die Druckregelvorrichtung 1 weist sowohl einen Druckminderer 5 als auch ein nachgeordnetes Sicherheitsabsperrventil 7 auf, wobei der Einlass 3 der Druckregelvorrichtung 1 mit der Eingangsseite 6 des Druckminderers 5 und der Auslass 4 Druckregelvorrichtung 1 mit der Ausgangsseite 11 des Sicherheitsabsperrventils 7 verbunden ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist die Ausgangsseite 8 des Druckminderers 5 über eine Bohrung 9 mit der Eingangsseite 10 des Sicherheitsabsperrventils 7 verbunden, wie dies aus der Schnittdarstellung gemäß 2 erkennbar ist.
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Bei dem in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Druckregelvorrichtung 1 weist der Druckminderer 5 einen im Gehäuse 2 axial verschiebbar angeordneten Kegel 12, einen korrespondierenden Kegelsitz 13 und ein Federelement 14 auf, das derart in einer Bohrung angeordnet ist, dass der Kegel 12 durch das Federelement 14 in Richtung des Kegelsitzes 13 gedrückt wird. Darüber hinaus weist der Druckminderer 5 noch einen ebenfalls im Gehäuse 2 axial verschiebbar angeordneten Kolben 15 auf, dessen Längsachse mit der Längsachse des Kegels 12 zusammenfällt. Der Kolben 15 wird von einem Aktuator 16 mit einer Kraft beaufschlagt, die den Kolben 15 entgegengesetzt zu Kraft des Federelements 14 gegen den Kegel 12 drückt, wobei das dem Kegelsitz 13 zugewandte Ende des Kegels 12 mit dem der Membran 17 abgewandten Ende des Kolbens 15 in Berührung steht. Die Membran 17 dient dabei sowohl zur Übertragung der Kraft des Aktuators 16 auf den Kolben 15 als auch zur Abdichtung des den Kolben 15 umgebenden Druckraumes zum Aktuator 16.
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Eine vom Aktuator 16 auf den Kolben 15 ausgeübte Kraft führt dazu, dass der Kegel 12 entgegen der Kraft des Federelements 14 aus dem Kegelsitz 13 (nach unten) herausgedrückt wird, so dass sich zwischen dem dem Kegelsitz 13 zugewandten Ende des Kegels 12 und dem Kegelsitz 13 ein Ringspalt ergibt, durch den das Gas vom Einlass 3 bzw. von der Eingangsseite 6 des Druckminderers 5 zur Ausgangsseite 8 und dann durch die Bohrung 9 zur Eingangsseite 10 des Sicherheitsabsperrventils 7 strömen kann.
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Erhöht sich der Druck des Gases auf der Eingangsseite 6 des Druckminderers 5 so führt dies dazu, dass – bei Erreichen eines eingestellten Grenzdrucks – die Membran 17 von dem dem Kegel 12 abgewandten Ende des Kolbens 15 abhebt bzw. weggedrückt wird, so dass der Kegel 12 durch das Federelement 14 (nach oben) in Richtung des Kegelsitzes 13 gedrückt wird, was zu einer Verringerung des Spaltquerschnitts oder zum Schließen des Spaltes zwischen dem Ende des Kegels 12 und dem Kegelsitz 13 führt.
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Wie aus 2 erkennbar ist, weist auch das Sicherheitsabsperrventil 7 einen im Gehäuse 2 axial verschiebbar angeordneten Kegel 18, einen korrespondierenden Kegelsitz 19, ein Federelement 20, einen im Gehäuse 2 axial verschiebbar angeordneten Kolben 21 sowie einen Aktuator 22 und eine Membran 23 auf. Bei geöffnetem Ventil strömt somit das vom Druckminderer 5 durch die Bohrung 9 zur Eingangsseite 10 des Sicherheitsabsperrventils 7 strömende Gas durch das Sicherheitsabsperrventil 7 zu dessen Ausgangsseite 11, von wo das Gas durch eine weitere im Gehäuse 2 ausgebildete Bohrung 24 zum Auslass 4 des Gehäuses 2 gelangt.
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Während bei der bevorzugten Ausgestaltung der Druckregelvorrichtung 1 der Aktuator 22 des Sicherheitsabsperrventils 7 mechanisch angetrieben wird, erfolgt der Antrieb des Aktuators 16 des Druckminderers 5 vorzugsweise mittels eines Piezoelements. Über eine Messung des Drucks des Gases am Auslass 4 der Druckregelvorrichtung 1 kann ein dem gemessenen Druck proportionales Steuer- bzw. Stellsignal an den Aktuator 16 bzw. das Piezoelement geliefert werden, so dass in Abhängigkeit vom am Auslass 4 tatsächlich entstehenden Druck des Gases eine aktive Regelung des Aktuators 16 und damit auch des Druckminderers 5 erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004048862 A1 [0003]
