DE102014016976A1 - Check valve for high pressure gas applications - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil (9) für Hochdruckgasanwendungen mit einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil (10.1, 10.2), welche zusammen ein Ventilgehäuse (10) ausbilden, mit einem Ventilsitz (16) in dem Ventilgehäuse (10) und einer in dem Ventilgehäuse (10) gegen die Kraft einer Feder (23) beweglichen Ventilkörper (20). Das erfindungsgemäße Rückschlagventil ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Gehäuseteilen (10.1, 10.2) eine metallische Abdichtung (28) vorgesehen ist.The invention relates to a check valve (9) for high-pressure gas applications with a first and a second housing part (10.1, 10.2) which together form a valve housing (10), with a valve seat (16) in the valve housing (10) and one in the valve housing (10). 10) against the force of a spring (23) movable valve body (20). The check valve according to the invention is characterized in that a metallic seal (28) is provided between the two housing parts (10.1, 10.2).
Description
Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil für Hochdruckgasanwendungen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Rückschlagventils.The invention relates to a check valve for high-pressure gas applications according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art also relates to the use of such a check valve.
Rückschlagventile sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie weisen typischerweise einen Ventilkörper auf, welcher durch die Kraft eines Federelements gegen einen Ventilsitz gepresst wird, und welcher durch die Strömung in eine Richtung gegen die Kraft der Feder von dem Ventilsitz abgehoben wird, und dabei einen Durchströmungsquerschnitt freigibt. Insbesondere für Hochdruckgasanwendungen müssen derartige Rückschlagventile verschiedene Anforderungen erfüllen, welche in der Regel zu sehr komplexen Lösungsansätzen führen und die Rückschlagventile entsprechend teuer, kompliziert und schwer machen. Insbesondere für die Anwendung bei Hochdruckwasserstoff, also Wasserstoffanwendungen mit einem Nenndruck von mehr als 50 MPa, insbesondere dem derzeit üblichen Nenndruck von 70 MPa, sind Rückschlagventile aufwändig und komplex.Check valves are known from the general state of the art. They typically have a valve body which is pressed by the force of a spring element against a valve seat, and which is lifted by the flow in a direction against the force of the spring from the valve seat, thereby releasing a flow cross-section. In particular, for high-pressure gas applications such check valves must meet various requirements, which usually lead to very complex approaches and make the check valves accordingly expensive, complicated and difficult. In particular, for use in high-pressure hydrogen, ie hydrogen applications with a nominal pressure of more than 50 MPa, in particular the currently common nominal pressure of 70 MPa, check valves are complex and complex.
Zum weiteren Stand der Technik kann für eine andere Anwendung beispielswiese auf die
Außerdem kann auf die
Ferner ist aus der
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Rückschlagventil für Hochdruckgasanwendungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches einfach und effizient aufgebaut werden kann, und welches eine sehr gute Abdichtung des Ventilgehäuses gegenüber der Umgebung über einen sehr großen Betriebsbereich – hinsichtlich Drücken und Temperaturen – hinweg gewährleistet.The object of the present invention is now to provide a check valve for high-pressure gas applications according to the preamble of claim 1, which can be constructed easily and efficiently, and which is a very good sealing of the valve housing from the environment over a very large operating range - in terms of pressures and Temperatures guaranteed.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Rückschlagventil mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 12 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung für das Rückschlagventil angegeben.According to the invention this object is achieved by a check valve having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon. In
Das erfindungsgemäße Rückschlagventil für Hochdruckgasanwendungen besteht ähnlich wie vergleichbare Ventile aus dem Stand der Technik aus zwei Gehäuseteilen, welche zusammen das Ventilgehäuse ausbilden. Darin befindet sich ein Ventilsitz und ein in dem Ventilgehäuse gegen die Kraft einer Feder beweglicher Ventilkörper, welcher dafür ausgebildet ist, mit dem Ventilsitz dichtend zusammenzuwirken und welcher gegen die Kraft der Feder von dem Ventilsitz abgehoben werden kann. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass zwischen den beiden Gehäuseteilen eine metallische Abdichtung vorgesehen ist. Eine solche metallische Abdichtung zwischen den Gehäuseteilen ermöglicht eine sehr gute und effiziente Abdichtung bei sehr wenig Bauteilen und hat nicht die Gefahr, dass Dichtungselemente durch eine fehlerhafte Montage beschädigt werden könnten, was bei der Verwendung von elastomeren Dichtelementen eine durchaus nicht zu unterschätzende Gefahr darstellt. Außerdem kann eine metallische Abdichtung über sehr große Temperaturbereiche hinweg eine hohe Dichtheit sicherstellen. Insbesondere bei Fahrzeuganwendungen des Rückschlagventils müssen Temperaturbereiche zwischen –50°C und +100°C abgedeckt werden. Typischerweise eingesetzte elastomere Dichtungen, welche beispielsweise gegen Wasserstoff als Gas der Hochdruckgasanwendung eine hohe Dichtheit aufweisen, haben typischerweise eine eher hohe Glasübergangstemperatur, sodass derartige Dichtelemente bei niedrigen Temperaturen sehr schnell verspröden und hart werden. Sie sind dann für eine ausreichende Abdichtung häufig nicht mehr geeignet. Durch den Einsatz einer metallischen Abdichtung zwischen den Gehäuseteilen werden diese Probleme umgangen und es wird ein Aufbau bereitgestellt, welcher auch über einen großen Anwendungsbereich hinsichtlich der Temperatur und des Drucks hinweg außerordentlich dicht montiert werden kann.The check valve for high pressure gas applications according to the invention consists, similar to similar valves of the prior art of two housing parts, which together form the valve housing. Therein is a valve seat and a valve body movable against the force of a spring valve body which is adapted to cooperate sealingly with the valve seat and which can be lifted against the force of the spring from the valve seat. According to the invention, it is now so that a metallic seal is provided between the two housing parts. Such a metallic seal between the housing parts allows a very good and efficient seal with very few components and does not have the risk that sealing elements could be damaged by incorrect assembly, which is a not to be underestimated danger when using elastomeric sealing elements. In addition, a metallic seal over a very large temperature ranges ensure high tightness. Especially in vehicle applications of the check valve temperature ranges between -50 ° C and + 100 ° C must be covered. Typically used elastomeric gaskets, which have a high density, for example, against hydrogen as the gas of high pressure gas application, typically have a rather high glass transition temperature, so that such gaskets become brittle and hard very quickly at low temperatures. They are then no longer suitable for adequate sealing. The use of a metallic seal between the housing parts obviates these problems and provides a structure which can be mounted extremely tightly over a wide range of applications in terms of temperature and pressure.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rückschlagventils kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die metallische Abdichtung durch eine einteilig mit den Gehäuseteilen ausgebildete umlaufende keglige Nut einerseits und einem kugeligen Oberflächenabschnitt andererseits besteht. Insbesondere diese einteilige Integration einer Nut in das eine Gehäuseteil und eines überstehenden im Querschnitt kugeligen Abschnitts in das andere Gehäuseteil ermöglicht eine außerordentlich einfache Montage, da die entsprechenden für die Abdichtung notwendigen Elemente in die Gehäuseteile bereits integriert sind. Die Gehäuseteile müssen dann nur noch, typischerweise mit dem vorgegebenen Anzugsmoment, miteinander verbunden, typischerweise verschraubt werden, um so eine sichere und zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten. Hierfür sind keine zusätzlichen Bauelemente, wie eine eingelegte Dichtung oder dergleichen, notwendig. According to a very advantageous development of the check valve according to the invention, it can now also be provided that the metallic seal consists of a one-piece formed with the housing parts circumferential tapered groove on the one hand and a spherical surface portion on the other. In particular, this one-piece integration of a groove in the one housing part and a projecting cross-section spherical portion in the other housing part allows an extremely simple installation, since the corresponding necessary for the sealing elements are already integrated into the housing parts. The housing parts then only have to be connected to one another, typically with the specified tightening torque, typically by screwing in order to ensure a secure and reliable sealing. For this purpose, no additional components, such as an inserted seal or the like, necessary.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung sieht es dabei vor, dass der Ventilsitz durch ein in eines der Gehäuseteile eingepressten Körper ausgebildet ist. Ein solcher in das Ventilgehäuse eingepresster Ventilsitz ermöglicht eine sehr gute innere Abdichtung des Rückschlagventils, da der Ventilsitz außerhalb des Gehäuseteils entsprechend einfach mit vergleichsweise hoher Präzision bearbeitet werden kann und dann in das Gehäuseteil eingepresst wird. Ein einstückig in dem Gehäuseteil gefertigter Sitz wäre aufgrund der beengten Platzverhältnisse im Inneren des Gehäuseteils hinsichtlich der Bearbeitung deutlich aufwändiger sein, insbesondere wenn vergleichbare Qualitäten der Bearbeitung erzielt werden sollen.Another very favorable embodiment provides that the valve seat is formed by a body pressed into one of the housing parts. Such a valve seat pressed into the valve housing allows a very good internal sealing of the check valve, since the valve seat outside the housing part can be correspondingly easily machined with comparatively high precision and then pressed into the housing part. An integrally manufactured in the housing part seat would be due to the cramped space in the interior of the housing part in terms of processing significantly more complex, especially if comparable qualities of the processing to be achieved.
Der eingepresste Körper mit dem Ventilsitz kann dabei eine umlaufende Nut auf der in Durchströmungsrichtung abgewandten Seite des den Ventilsitz aufweisenden Körpers aufweisen. Eine solche umlaufende Nut ermöglicht die Funktion einer Druckaktivierung, was zu einer erhöhten Dichtwirkung des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz führt.The pressed body with the valve seat can have a circumferential groove on the side facing away from the flow direction in the body having the valve seat. Such a circumferential groove allows the function of a pressure activation, which leads to an increased sealing effect of the valve body on the valve seat.
Der Ventilkörper bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung durch eine in Richtung des anströmenden Gases stromlinienförmige Ausbildung eines Kolbens gebildet sein. Ein solcher in Richtung des anströmenden Gases stromlinienförmig ausgebildeter Kolben ermöglicht einen geringen Durchströmungswiderstand des Rückschlagventils, wenn dieses entsprechend aufgedrückt und von dem unter Hochdruck stehenden Gas durchströmt wird. Andererseits ermöglicht die Kolbenform eine sehr gute Führung innerhalb des Rückschlagventils, sodass einem Verkanten effizient entgegengewirkt wird, wobei dennoch ein geringerer Strömungswiderstand realisiert werden kann, als dies beispielsweise bei einer Kugel der Fall wäre. Idealerweise ist die stromlinienförmige Ausgestaltung des Kolbens dabei in der Art einer Delfinnase ausgebildet, welche einen bekannten stromlinienförmigen Querschnitt darstellt, der außerordentlich günstige Strömungseigenschaften aufweist.The valve body in the check valve according to the invention can be formed according to an advantageous development by a streamlined in the direction of the inflowing gas formation of a piston. Such a streamlined in the direction of the inflowing gas piston allows a low flow resistance of the check valve when it is pressed accordingly and flows through the gas under high pressure. On the other hand, the piston shape allows a very good guidance within the check valve, so that a tilting is counteracted efficiently, yet a lower flow resistance can be realized, as would be the case for example with a ball. Ideally, the streamlined configuration of the piston is designed in the manner of a dolphin nose, which represents a known streamlined cross-section, which has extremely favorable flow characteristics.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rückschlagventils sieht es ferner vor, dass der Kolben zwischen dem als Ventilkörper ausgebildeten stromlinienförmigen Abschnitt und einem die Feder führenden Abschnitt Durchströmungsöffnungen aufweist. Die Durchströmung erfolgt also nicht entlang des Kolbens, sondern dieser weist hinter dem Ventilkörper entsprechende Öffnungen auf, sodass das Gas, welches den als Ventilkörper dienenden strömungslinienförmigen Abschnitt umströmt hat, in das Innere des Kolbens strömt und von dort weiterströmt. Dies ermöglicht im Gegenzug gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung, dass der Kolben auf seinem in Richtung des stromlinienförmigen Abschnitts liegenden Ende einen Vorsprung z. B. eine Anlagefläche oder Anlagekante als Anschlag oder als Endanschlag für die Feder einerseits und als erste Führung gegenüber dem Ventilgehäuse andererseits aufweist, und dass der Kolben an seinem anderen Ende in der Art einer Gleitdichtung in dem Ventilgehäuse geführt ist. Insbesondere in Kombination mit der Durchströmung des Kolbens in seinem Inneren entsteht so ein Aufbau, welcher eine Feder, beispielsweise eine Spiralfeder, zwischen dem Ventilgehäuse und dem Äußeren des Kolbens sehr gut führt, und damit eine gute Funktionalität bereitstellt, ohne dass die Gefahr eines Verkantens besteht.A further very advantageous embodiment of the check valve according to the invention, it also provides that the piston between the formed as a valve body streamlined portion and a spring leading portion has flow openings. The flow thus does not take place along the piston, but this has corresponding openings behind the valve body, so that the gas which has flowed around the serving as a valve body flow-line portion, flows into the interior of the piston and from there on. This allows in return, according to a very advantageous development that the piston on its lying in the direction of the streamlined portion end a projection z. B. a contact surface or abutment edge as a stop or end stop for the spring on the one hand and as a first guide relative to the valve housing on the other hand, and that the piston is guided at its other end in the manner of a sliding seal in the valve housing. In particular, in combination with the flow through the piston in its interior so creates a structure which a spring, such as a coil spring, between the valve housing and the exterior of the piston performs very well, and thus provides good functionality without the risk of tilting ,
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rückschlagventils sieht es nun außerdem vor, dass das Ventilgehäuse auf seiner in Strömungsrichtung ersten Seite ein Außengewinde und auf seiner zweiten Seite ein Innengewinde als Anschluss aufweist. Diese Ausgestaltung mit einem Innengewinde auf der einen Seite und einem Außengewinde auf der anderen Seite stellt sicher, dass das Rückschlagventil immer richtig herum montiert wird, da eine fehlerhafte Montage aufgrund der dann nicht zusammenwirkenden Gewinde zu seinem Anschluss ausgeschlossen wird. Dieser Aufbau wird auch als „poka yoke design” bezeichnet.A very advantageous development of the check valve according to the invention now also provides that the valve housing on its first side in the flow direction has an external thread and on its second side has an internal thread as a connection. This configuration with an internal thread on one side and an external thread on the other side ensures that the check valve is always mounted in the correct direction, since incorrect assembly due to the then non-co-operating thread is excluded from its connection. This setup is also called "poka yoke design".
Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rückschlagventils sieht es außerdem vor, dass in einem der Gehäuseteile auf der dem Gas abgewandten Seite der metallischen Dichtung eine Verbindungsbohrung zur Umgebung ausgebildet ist. Eine solche Leckagebohrung ist insbesondere bei Wasserstoffanwendungen von entscheidendem Vorteil. Über eine solche Bohrung können eventuell durch die metallische Dichtung hindurchtretende Gasleckagen nach außen abgeführt werden. Die gezielte Abführung in einen bestimmte Bereich im Äußeren des Ventilgehäuses stellt dabei einen Sicherheitsvorteil dar. Außerdem ermöglicht die gezielte Abführung in einen entsprechenden Bereich auch, dass durch eine z. B. manuell geführte Leckagesonde Leckagen im Bereich der metallischen Abdichtung zwischen den Gehäuseteilen des Rückschlagventils schnell und einfach aufgefunden werden können.Another extremely favorable embodiment of the check valve according to the invention, it also provides that in one of the housing parts on the side facing away from the gas of the metallic seal, a connection bore is formed to the environment. Such a leakage bore is particularly advantageous in hydrogen applications. About such a hole may be discharged through the metallic seal gas leaking gas leaks to the outside. The targeted discharge into one certain area in the exterior of the valve housing is a safety advantage. In addition, the targeted discharge into a corresponding area also allows that by a z. B. manually guided leakage probe leaks in the metallic seal between the housing parts of the check valve can be found quickly and easily.
Gemäß einer Weiterführung dieser Idee ist es außerdem vorgesehen, dass die Verbindungsbohrung in einer um das Ventilgehäuse umlaufenden Nut endet, in welcher ein Dichtring unter Vorspannung eingelegt ist. Eine solche Nut mit einem darin eingelegten Dichtring unter Vorspannung ermöglicht eine sehr einfache und effiziente Abdichtung der in der Nut endenden Verbindungsbohrung beispielsweise gegen Feuchtigkeit, Verschmutzung oder dergleichen, da durch den außen eingelegten Dichtring, welcher keinerlei Dichtungsanforderungen gegenüber dem Gas, also insbesondere gegenüber Wasserstoff aufweisen muss, sehr einfach und effizient abgedichtet werden kann. Insbesondere kann hier ein Dichtring aus einem Silikonkautschuk eingesetzt werden, welcher auch bei sehr niedrigen Temperaturen eine hohe Elastizität aufweist und über alle Temperaturen hinweg eine gute Abdichtung gegen Feuchtigkeit, Spritzwasser, Schmutz und dergleichen bietet.According to a continuation of this idea, it is also provided that the connecting hole ends in a circumferential groove around the valve housing, in which a sealing ring is inserted under bias. Such a groove with a sealing ring inserted therein under bias allows a very simple and efficient sealing of the groove ending in the connection hole, for example against moisture, contamination or the like, as by the outside inserted sealing ring, which have no sealing requirements against the gas, ie in particular to hydrogen must be able to be sealed very easily and efficiently. In particular, here a sealing ring made of a silicone rubber can be used, which has a high elasticity even at very low temperatures and over all temperatures provides a good seal against moisture, spray, dirt and the like.
Wie bereits erwähnt kann das erfindungsgemäße Rückschlagventil insbesondere in einem Wasserstoffhochdruck-System eingesetzt werden. Gemäß einer vorteilhaften Verwendung des erfindungsgemäßen Rückschlagventils ist es daher vorgesehen, dass dieses in einem Wasserstoffhochdruck-System eingesetzt wird. Dieses Wasserstoffhochdruck-System kann dabei insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet sein, in welchem besonders hohe Anforderungen an die Dichtheit über einen hohen Temperaturbereich hinweg gestellt werden. Insbesondere für derartige Anwendungen ist das einfache, leichte und dementsprechend kostengünstig herzustellende und zu montierende Rückschlagventil ideal geeignet.As already mentioned, the check valve according to the invention can be used in particular in a high-pressure hydrogen system. According to an advantageous use of the check valve according to the invention, it is therefore intended that this is used in a hydrogen high-pressure system. This high-pressure hydrogen system can be arranged in particular in a vehicle in which particularly high demands are placed on the tightness over a high temperature range. In particular, for such applications, the simple, lightweight and therefore inexpensive to produce and to be mounted check valve is ideally suited.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rückschlagventils und seiner Verwendung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the check valve according to the invention and its use will become apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Das Wasserstoffsystem in dem Fahrzeug
In der Darstellung der
Unter Bezugnahme auf die Darstellung mit diesen zwei Betriebszuständen wird das Rückschlagventil
Das Rückschlagventil
In Strömungsrichtung des Wasserstoffs trifft dieser innerhalb des Ventilgehäuses
Bei diesem Aufbau ist es nun entscheidend, dass die beiden miteinander verschraubten Gehäuseteile
Insbesondere bei Wasserstoff- bzw. Wasserstoffhochruck-Systemen ist es nun so, dass der Dichtheit eine sehr hohe Bedeutung zukommt. Um eine zuverlässige Abdichtung einfach nachprüfen zu können, ist es deshalb bei dem Rückschlagventil
Der Aufbau des beispielhaft beschriebenen Rückschlagventils
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE Owner name: DAIMLER AG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, STUTTGART, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE |