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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Offenbarung bezieht sich auf eine Druckentlastungsvorrichtung und insbesondere auf eine Druckentlastungsvorrichtung, die einen thermisch reagierenden Auslösermechanismus enthält.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente und umweltverantwortliche Leistungsquelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen worden. Es können mehrere Brennstoffzellen angeordnet sein, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der ein Elektrofahrzeug mit Leistung versorgen kann. Ein Beispiel der Brennstoffzelle bildet eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle). In der PEM-Brennstoffzelle wird Wasserstoff als ein Brennstoff einer Anode zugeführt und wird Sauerstoff als ein Oxidationsmittel einer Katode zugeführt. Eine übliche Technik ist die Aufbewahrung von Wasserstoff in einem Hochdruckgefäß mit geringem Gewicht, das durchschlagbeständig ist. Hochdruckgefäße, die das komprimierte Wasserstoffgas enthalten, müssen eine erwünschte mechanische Stabilität und Integrität besitzen, die einem Reißen oder Platzen des Druckgefäßes aufgrund des Innendrucks widerstehen. Es ist typischerweise auch wünschenswert, die Druckgefäße in Fahrzeugen leichtgewichtig zu machen, damit sie die Gewichtsanforderungen des Fahrzeugs nicht erheblich beeinflussen.
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Bekannte Hochdruckgefäße umfassen wenigstens ein thermisch aktiviertes Sicherheitsventil oder eine thermisch aktivierte Druckentlastungsvorrichtung (PRD). Die PRD befindet sich an einem Vorsprung oder einem Ende des Hochdruckgefäßes, das verschiedene Ventile, Druckregulatoren, Rohrverbinder, Durchflussbegrenzer und dergleichen enthält, um zu ermöglichen, dass das Druckgefäß mit dem komprimierten Wasserstoffgas gefüllt werden kann. Obwohl sich die PRD auch an einer weiteren Öffnung in dem Druckgefäß befinden kann, ist sie im Allgemeinen an einem oder an beiden Enden des Druckgefäßes angeordnet. Die PRD ist nützlich, wenn das Druckgefäß hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Es können mehr als eine PRD verwendet werden, wenn hohe Temperaturen in einem räumlich begrenzten Bereich entfernt von dem Ort der einzelnen PRD auftreten könnten. Eine bekannte PRD enthält einen lang gestreckten, zerbrechlichen Wulst, der mit einer zündfähigen Schnur gekoppelt ist, die von entfernten Bereichen des Gefäßes Wärme an die PRD überträgt. Wenn der Wulst auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt wird, zerbricht er, um dadurch die Entlüftungsöffnung zu öffnen und die PRD zu betätigen. Die Wärmeübertragung an die PRD durch die zündfähige Schnur ist jedoch in bestimmen Anwendungen nicht geeignet und gelegentlich nicht vorhersagbar, was zu einem unerwünschten Reißen oder Platzen des Druckgefäßes führen könnte. Ferner erfordert der längliche Wulst eine erhebliche Baueinheitsgröße sowie ein erhebliches Volumen eines temperaturempfindlichen Materials, das für die Betätigung der PRD erhitzt werden muss.
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Daher besteht ein fortgesetzter Bedarf an einer PRD, die in einem Hochdruckgefäß für die Verwendung mit einem Brennstoffzellenstapel installiert werden kann. Es ist erwünscht, dass die PRD einen Auslösermechanismus enthält, der die Baueinheitsgröße, die Herstellungskosten und eine Aktivierungsperiode der PRD minimal macht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß und in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Druckentlastungsvorrichtung (PRD), die einen Auslösermechanismus enthält, der eine Baueinheitsgröße, die Herstellungskosten und eine Aktivierungsperiode der PRD minimal macht, entdeckt worden.
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In einer Ausführungsform enthält eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRB): ein hohles Gehäuse mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, die eine Fluidströmung durch das Gehäuse zulassen; ein bewegliches Element, das in dem Gehäuse angeordnet ist und zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position beweglich ist, wobei wenigstens ein Abschnitt des beweglichen Elements das erste Ende des Gehäuses abdichtet, wenn sich das bewegliche Element in der geschlossenen Position befindet; einen Halter, der in dem Gehäuse fest angeordnet ist; und einen Auslösermechanismus, der zwischen dem beweglichen Element und dem Halter angeordnet ist, wobei der Auslösermechanismus einen Körper aufweist, in dem ein temperaturempfindliches Material angeordnet ist, wobei sich das temperaturempfindliche Material bei einer Zunahme der Temperatur räumlich ausdehnt und wobei der Auslösermechanismus eine Bewegung des beweglichen Elements aus der geschlossenen Position in die geöffnete Position zulässt, wenn eine vorgegebene Temperatur des temperaturempfindlichen Materials erreicht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD): ein hohles Gehäuse mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, die eine Fluidströmung durch das Gehäuse zulassen; ein bewegliches Element, das in dem Gehäuse angeordnet ist und zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position beweglich ist, wobei das bewegliche Element einen Verschlussabschnitt und eine Anordnung von darin gebildeten Bohrungen aufweist, die eine Fluidströmung durch ihn ermöglichen, wobei der Verschlussabschnitt konfiguriert ist, um mit einem Abdichtungselement zusammenzuwirken, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem beweglichen Element und dem Gehäuse zu bilden, die das erste Ende des Gehäuses abdichtet, wenn sich das bewegliche Element in der geschlossenen Position befindet; einen Halter, der in dem Gehäuse fest angeordnet ist, wobei der Halter eine in ihm ausgebildete Mittelbohrung besitzt, die eine Strömung von Fluid durch ihn zulässt; und einen Auslösermechanismus, der zwischen dem beweglichen Element und dem Halter angeordnet ist, wobei der Auslösermechanismus einen im Wesentlichen sphärisch geformten Körper mit einem darin angeordneten temperaturempfindlichen Material enthält, wobei sich das temperaturempfindliche Material bei einer Zunahme der Temperatur räumlich ausdehnt, und wobei der Auslösermechanismus eine Bewegung des beweglichen Elements aus der geschlossenen Position in die geöffnete Position ermöglicht, wenn eine vorgegebene Temperatur des temperaturempfindlichen Materials erreicht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform enthält eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) für ein Hochdruckgefäß: ein wärmeleitendes hohles Gehäuse mit einem ersten Ende, in dem eine erste Öffnung gebildet ist, und einem zweiten Ende, in dem eine zweite Öffnung gebildet ist, wobei die Öffnungen eine Fluidströmung durch das Gehäuse zulassen, wobei das erste Ende des Gehäuses mit einem Ventil eines Hochdruckgefäßes gekoppelt ist und das zweite Ende des Gehäuses mit einem Entlüftungsrohr gekoppelt ist; ein bewegliches Element, das in dem Gehäuse angeordnet ist und zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position beweglich ist, wobei das bewegliche Element einen im Wesentlichen T-förmigen Verschlussabschnitt und eine Anordnung von darin ausgebildeten Bohrungen, die eine Fluidströmung durch ihn zulassen, enthält, wobei der Verschlussabschnitt konfiguriert ist, um mit einem Abdichtungselement zusammenzuwirken, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem beweglichen Element und dem Gehäuse zu bilden, die die erste Öffnung abdichtet, wenn sich das bewegliche Element in der geschlossenen Position befindet; einen Halter, der in dem Gehäuse fest angeordnet ist, wobei der Halter eine in ihm gebildete Mittelbohrung besitzt, die eine Fluidströmung durch ihn ermöglicht; und einen Auslösermechanismus, der zwischen dem beweglichen Element und dem Halter angeordnet ist, wobei der Auslösermechanismus einen im Wesentlichen sphärisch geformten Glaskörper enthält, in dem ein temperaturempfindliches Material angeordnet ist, wobei wenigstens ein Abschnitt des Körpers in einer in dem beweglichen Element gebildeten Vertiefung sitzt und wenigstens ein weiterer Abschnitt des Körpers in der Mittelbohrung des Halters sitzt, und wobei sich das temperaturempfindliche Material bei einer Zunahme der Temperatur räumlich ausdehnt, bis eine vorgegebene Temperatur erreicht ist und ein Bruch des Körpers erfolgt, um eine Bewegung des beweglichen Elements aus der geschlossenen Position in die geöffnete Position zu ermöglichen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden für den Fachmann auf dem Gebiet anhand der folgenden genauen Beschreibung ohne Weiteres deutlich, insbesondere, wenn sie im Lichte der später beschriebenen Zeichnungen gelesen wird.
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1 ist ein fragmentarischer Seitenaufriss im Querschnitt einer thermischen Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der einen Auslösermechanismus als Ganzes und einen Hauptkolben in einer geschlossenen Position zeigt;
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2 ist eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten TPRD längs einer Schnittlinie 2-2;
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3 ist ein fragmentarischer Seitenaufriss im Querschnitt der TPRD, der den betätigten Auslösermechanismus und den Hauptkolben in einer geöffneten Position zeigt; und
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4 ist eine Querschnittsansicht der in 3 gezeigten TPRD längs einer Schnittlinie 4-4.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende genaue Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, dem Fachmann auf dem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung zu machen und zu verwenden, sie sollen jedoch den Schutzbereich der Erfindung auf keine Weise einschränken.
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Die 1–4 zeigen eine thermische Druckentlastungsvorrichtung (TPRD) 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die gezeigte TPRD 10 enthält ein zylindrisches Gehäuse 12. Selbstverständlich kann das Gehäuse 12 irgendeine gewünschte Form und Größe haben. Es ist ferner selbstverständlich, dass das Gehäuse 12 aus irgendeinem geeigneten Material wie etwa beispielsweise aus einem wärmeleitenden Material gebildet sein kann. Das Gehäuse 12 enthält eine erste Öffnung 14 und eine zweite Öffnung 16. Die erste und die zweite Öffnung 14, 16 sind konfiguriert, um einem (nicht gezeigten) Fluid zu ermöglichen, durch das Gehäuse 12 zu strömen. Beispielsweise kann das Fluid von einem (nicht gezeigten) Hochdruckgefäß durch die TPRD 10 zu der Atmosphäre strömen, wenn die TPRD 10 betätigt ist. Wie in den 1 und 3 gezeigt ist, ist ein erstes Ende 17 des Gehäuses 12 mit einem tankeigenen Ventil (OTV) 18 über eine Schraubverbindung 19 gekoppelt. Das OTV 18 kann an dem Hochdruckgefäß montiert sein und kann zusätzliche Komponenten wie etwa ein automatisches Abschaltventil, ein manuelles Ventil, einen Temperatursensor und einen Drucksensor enthalten. Andere geeignete Mittel, um die TRPD 10 in Fluidkommunikation mit dem Hochdruckgefäß zu bringen, können ebenfalls verwendet werden. Ein zweites Ende 20 des Gehäuses 12 ist mit einem Entlüftungsrohr 22 durch eine Schraubverbindung 23 gekoppelt. Ein durch das Entlüftungsrohr 22 gebildeter Durchlassweg 24 ist konfiguriert, um dem Fluid zu ermöglichen, von der TPRD 10 zu der Atmosphäre zu strömen. Wie gezeigt ist, sind das OTV 18, die TPRD 10 und das Entlüftungsrohr 22 in einer geradlinigen Konfiguration angeordnet, obwohl andere Konfigurationen verwendet werden können.
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Die TPRD 10 besitzt ein bewegliches Element 25, das in dem Gehäuse 12 axial verlagerbar angeordnet ist. Selbstverständlich kann das bewegliche Element 25 aus irgendeinem geeigneten Material wie etwa beispielsweise Aluminium oder Edelstahl gebildet sein. Das bewegliche Element 25 ist zwischen einer geschlossenen Position, die in 1 gezeigt ist, und einer geöffneten Position, die in 3 gezeigt ist, beweglich. In einem nicht beschränkenden Beispiel enthält das bewegliche Element 25 eine ringförmige Anordnung von in ihm ausgebildeten Bohrungen 26, um die Strömung des Fluids hindurch zu erleichtern, wenn sich das bewegliche Element 25 in der geöffneten Position befindet. Mehrere Bohrungen 26 verhindern eine Blockade der Strömung des Fluids durch das Gehäuse 12, falls eventuell eine der Bohrungen 26 mit Partikeln, die zusammen mit dem abgeführten Fluid ausgestoßen werden, blockiert ist. Selbstverständlich kann jede der Bohrungen 26 irgendeinen gewünschten Durchmesser haben, um einen gewünschten Massendurchfluss des Fluids durch das Gehäuse 12 zu ermöglichen.
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Wenn ein Verschlussabschnitt 28 des beweglichen Elements 25 in der geschlossenen Position ist, dichtet er die erste Öffnung 14 ab. Obwohl der gezeigte Verschlussabschnitt 28 einen im Wesentlichen T-förmigen Querschnitt besitzt, kann der Verschlussabschnitt 28 selbstverständlich irgendeine gewünschte Form haben. Das bewegliche Element 25 kann wenigstens ein daran angeordnetes Abdichtungselement 30 aufweisen. Das Abdichtungselement 30 bildet eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem beweglichen Element 25 und einer inneren Oberfläche 32 des Gehäuses 12, wenn sich das bewegliche Element 25 in der geschlossenen Position befindet. In einem nicht beschränkenden Beispiel ist das Abdichtungselement 30 ein O-Ring. Das Abdichtungselement 30 kann beispielsweise auch an der inneren Oberfläche 32 des Gehäuses 12, die die erste Öffnung 14 bildet, angeordnet sein. Es können mehr oder weniger Abdichtungselemente 30 als gezeigt verwendet werden, wenn dies gewünscht ist.
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Außerdem sind in dem Gehäuse 12 ein Halter 38 und ein Auslösermechanismus 40 angeordnet. Eine Position in dem Gehäuse 12 des gezeigten Halters 38 wird durch einen anschlagfähigen Eingriff mit dem Entlüftungsrohr 22 aufrecht erhalten. Selbstverständlich kann jedoch die Position des Halters 38 in dem Gehäuse 12 durch andere Mittel aufrecht erhalten werden, wenn dies gewünscht ist, etwa beispielsweise durch eine Schraubverbindung zwischen dem Halter 38 und dem Gehäuse 12. Der Halter 38 weist eine Mittelbohrung 42 auf, die darin ausgebildet ist, um die Strömung des Fluids durch ihn hindurch zu erleichtern, wenn sich das bewegliche Element 25 in der geöffneten Position befindet. Ein Durchmesser der Bohrung 42 ist kleiner als ein Durchmesser des Auslösermechanismus 40, aber so bemessen, dass wenigstens ein Abschnitt des Auslösermechanismus 40 in dem Halter 38 angeordnet sein kann, um ihn zu halten.
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Wie gezeigt, ist der Auslösermechanismus 40 ein im Wesentlichen sphärisch geformter Glaskörper 44, in dem ein temperaturempfindliches Material 46 angeordnet ist. Selbstverständlich kann der Körper 44 aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, wenn dies gewünscht ist. Der Körper 44 ist im Wesentlichen sphärisch geformt, um eine Baueinheitsgröße der TPRD 10 minimal zu machen und um eine Aktivierungsperiode der TPRD 10 minimal zu machen. In einem nicht beschränkenden Beispiel reduziert die im Wesentlichen sphärische Form des Körpers 44 die Baueinheitsgröße der TPRD 10 im Vergleich zu üblicherweise bekannten TRPDs, die andere Körperformen für den Auslösermechanismus verwenden, um etwa 50%. Die Aktivierungsperiode ist typischerweise die Zeitdauer von dem Zeitpunkt, zu dem die TPRD 10 einer übermäßigen Wärme ausgesetzt ist, zu dem Zeitpunkt, zu dem die TPRD 10 betätigt wird. Wegen der sphärischen Form des Körpers 44 ist ein Volumen des temperaturempfindlichen Materials 46, das für die Betätigung der TPRD 10 erhitzt werden muss, minimal. Daher steigt die Temperatur des temperaturempfindlichen Materials 46 schnell an, wenn es Wärme ausgesetzt ist, wodurch die Aktivierungsperiode der TPRD 10 minimal gemacht wird. Wie in den 1 und 3 gezeigt ist, ist wenigstens ein Abschnitt des Auslösermechanismus 40 in einer in dem beweglichen Element 25 gebildeten Vertiefung 48 angeordnet, um eine Position des Auslösermechanismus 40 aufrecht zu erhalten und um ferner die Baueinheitsgröße der TPRD 10 minimal zu machen.
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Ein Durchmesser und eine Wanddicke des Körpers 44 sind so konfiguriert, dass der Körper 44 einer Kompressionskraft von dem beweglichen Element 25, die durch einen Druck des Fluids gegen das bewegliche Element 25 verursacht wird, widerstehen kann. Die Wanddicke des Körpers 44 ist jedoch auch so konfiguriert, dass der Körper 44 bricht, wenn eine vorgegebene Temperatur des temperaturempfindlichen Materials 46 erreicht ist. Das temperaturempfindliche Material 46 dehnt sich bei einer Zunahme der Temperatur räumlich aus. Das temperaturempfindliche Material 46 kann sich je nach Wunsch linear oder nichtlinear ausdehnen. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann das temperaturempfindliche Material 46 ein Material sein, das sich mit der Temperatur linear ausdehnt und sich hauptsächlich innerhalb eines definierten Temperaturbereichs ausdehnt. Das temperaturempfindliche Material 46 kann beispielsweise Glycerin sein. Andere geeignete temperaturempfindliche Materialien 46 können ebenfalls gewählt werden.
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Wenn die TRPD 10 einer übermäßigen Wärme ausgesetzt ist, überträgt das wärmeleitende Gehäuse 12 die Wärme an den darin angeordneten Auslösermechanismus 40. Daher steigt die Temperatur des temperaturempfindlichen Materials 46 im Körper 44 des Auslösermechanismus 40 an, was eine räumliche Ausdehnung des temperaturempfindlichen Materials 46 zur Folge hat. Das temperaturempfindliche Material 46 dehnt sich bis zu einem Punkt aus, an dem der Körper 44 reißt oder bricht, wodurch die TPRD 10 betätigt wird. Der Punkt, an dem der Körper 44 reißt und bricht, ist gleich dem Punkt, an dem die vorgegebene Temperatur des temperaturempfindlichen Materials 46 erreicht ist. Wenn der Körper 44 des Auslösermechanismus 44 bricht, bewirkt ein Druck des Fluids in dem Hochdruckgefäß, dass sich das bewegliche Element 25 aus der geschlossenen Position axial zu dem Halter 38 verlagert, bis sich das bewegliche Element 25 in der geöffneten Position befindet. Wenn das bewegliche Element 25 axial verlagert wird, wird der Verschlussabschnitt 28 des beweglichen Elements dazu veranlasst, sich aus der ersten Öffnung 14 und von ihr weg zu bewegen. Sobald die im Wesentlichen fluiddichte Dichtung zwischen dem beweglichen Element 25 und dem Gehäuse 12 unterbrochen ist, kann das Fluid durch das Gehäuse 12 und die Bohrungen 26, 42 strömen, wodurch das Fluid an die Atmosphäre abgegeben wird oder, wie gezeigt, in das Entlüftungsrohr 22 an eine Stelle entfernt von der übermäßigen Wärme abgeführt wird.
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Obwohl bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, ist für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
