DE102015218231A1 - Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einem Auslöseelement - Google Patents

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Sicherheitsventil 100 für einen Druckbehälter 200 mit einem Auslöseelement 120, das sich von einer Druckentlastungseinheit 110 weg erstreckt; wobei das Auslöseelement 120 mechanisch an die Druckentlastungseinheit 110 gekoppelt ist; wobei das Auslöseelement 120 zumindest bereichsweise aufschmelzbar ausgeführt ist; und wobei das Auslöseelement 120 ausgebildet ist, die Druckentlastungseinheit 110 auszulösen, wenn das Auslöseelement 120 zumindest bereichsweise aufgeschmolzen ist.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einem Auslöseelement sowie einen Druckbehälter mit einem solchen Sicherheitsventil. Insbesondere betrifft die Technologie einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug.
  • Bei Druckbehältern besteht bei Einwirken eines thermischen Ereignisses (z.B. ein Fahrzeugbrand) auf den Druckbehälter die Gefahr des Berstens. Die Vorschriften (z.B. EC79 oder GTR (Global Technical Regulation ECE/TRANS/WP.29/2013/41)) fordern daher die Installation von mindestens einem thermischen Druckentlastungsventil (auch Thermal Pressure Release Device oder TPRD genannt) pro Druckbehälter. Bei Hitzeeinwirkung auf diese Sicherheitsventile (z.B. durch Flammen) wird das im Druckbehälter gespeicherte Medium in die Umgebung abgelassen. Die Sicherheitsventile lassen das Medium ab, sobald die Auslösetemperatur am Sicherheitsventil überschritten wird.
  • Das TPRD ist in der Regel an einem Ende eines Druckbehälters angeordnet. Bei langen Druckbehältern (> 1,65 m) sind mindestens zwei TPRDs vorgeschrieben. Sie sind i.d.R. in Längsrichtung des Druckbehälters angeordnet. Die Verwendung mehrerer Sicherheitsventile steigert die Herstellkosten und den Platzbedarf. Trotzdem können die wenigen Ventile entlang der großen Druckbehälter jeweils nur ein räumlich stark begrenztes Einzugsgebiet berücksichtigen. Eine kleine lokale Flamme, die zwischen zwei Ventilen auf den Tank einwirkt, kann den Druckbehälter daher stark schädigen, ohne dass die Sicherheitseinrichtung aktiviert wird. Die durch die Hitzeeinwirkung einer lokalen Flamme entstehende Schädigung des Druckbehälters, bspw. die Schädigung des lasttragenden Faserverbundwerkstoffes, kann zum Versagen und im Extremfall zum Bersten des Druckbehälters führen. An manchen kritischen Stellen kann eventuell kein TPRD vorgesehen werden, da hier nicht genügend Bauraum vorhanden ist (z.B. zwischen Tank und Mitteltunnel).
  • Aus der DE 10 2011 114 725 A1 ist ein Druckbehälter mit einer Ventileinrichtung bekannt, die eine Sicherheitsvorrichtung aufweist. Die Sicherheitsvorrichtung umfasst eine Auslöseleitung, die in einem den Druckbehälter umgebenden Gefahrenbereich angeordnet ist. Durch eine Druckänderung an der Auslöseleitung wird die Sicherheitsvorrichtung betätigt. Die Auslöseleitung ist aus Metall ausgebildet und mit einem Medium gefüllt. Der Druckanstieg in dem Medium soll die Sicherheitsvorrichtung betätigen. Eine weitere Vorrichtung ist aus der EP 1 655 533 B1 bekannt.
  • Nachteilig an den vorbekannten Lösungen ist, dass es zu Leckagen kommen könnte. Findet das thermische Ereignis nicht unmittelbar an der Auslöseleitung statt, sondern in einem gewissen Abstand oder handelt es sich um einen vergleichsweise geringen Wärmestrom, kann die Wärmeeinwirkung auf das Medium evtl. nicht ausreichen, um die vergleichsweise große Menge an Medium ausreichend zu erwärmen. Die Sicherheitsvorrichtung löst dann nicht aus, obwohl der Druckbehälter durch das lokale thermische Ereignis beschädigt wird. Wird nur in einem relativ kleinen Bereich eine hohe (den Behälter schädigende) Temperatur eingebracht, so verteilt das Metallrohr und das Medium die eingebrachte Wärmemenge aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit auf eine relativ große Fläche. Das Rohr kann in den von der Wärmequelle entfernteren Bereichen die eingebrachte Wärmemenge dann wieder an die Umgebung abgeben.
  • Zudem verringert sich aufgrund der Verteilung der Wärme die absolute Temperaturdifferenz zwischen Medium und Stahlrohr. Die vorgenannten Phänomene können dazu führen, dass das Sicherheitsventil den Druck nicht oder verspätet ablässt.
  • Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die aus dem Stand der Technik resultierenden Nachteile zu verringern oder zu beheben. Es ist ferner eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Sicherheit im Bereich eines Druckbehälters, und hier insbesondere im Bereich eines als Wasserstofftank eingesetzten Druckbehälters in einem Kraftfahrzeug, weiter zu verbessern, insbesondere einfach, effizient, klein und kostengünstig eine sicher und zuverlässig arbeitende thermische Absicherung des Behälters bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier gezeigten Technologie, sicher lokale thermische Ereignisse zu erfassen, die beabstandet von einer Auslöseleitung vorkommen. Auch ist es ein Bestreben der hier gezeigten Technologie, dass bei einem thermischen Ereignis das Sicherheitsventil schneller und/oder präziser als vorbekannte Lösungen reagiert. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Die Aufgabe wird insbesondere gelöst von einem Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einem Auslöseelement, das sich von einer Druckentlastungseinheit weg erstreckt, sowie von einem Druckbehältersystem mit mindestens einem Druckbehälter und mit einem hier offenbarten Sicherheitsventil. Das Sicherheitsventil ist insbesondere ein thermisches bzw. thermisch aktivierbares Druckentlastungsventil, also ein TPRD.
  • Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehältersysteme sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff oder Druckmedium dauerhaft bei einem Druck von über ca. 350 barü, ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern.
  • Das kryogene Druckbehältersystem umfasst einen kryogenen Druckbehälter. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegt, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i.d.R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für Speicherdrücke bis ca. 350 barü, bevorzugt bis ca. 500 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 700 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig.
  • Die Druckentlastungseinheit ist die Einheit, die ausgebildet ist, abhängig von einer Krafteinwirkung des nachstehend erläuterten Auslöseelementes direkt oder indirekt den Durchfluss von Brenngas oder Druckmediums aus dem Druckbehälter freizugeben. Zweckmäßig handelt es sich bei der Druckentlastungseinheit um ein Ventil, dass nach dem Öffnen der Einheit im offenen Zustand verweilt, ohne dass es sich wieder verschließt, wenn die lokale Temperatur an der Stelle des thermischen Ereignisses wieder auf einen Wert unterhalb der lokalen Grenztemperatur sinkt. Eine solche Druckentlastungseinheit ist beispielsweise in der DE 10 2011 114 725 A1 (vgl. 2 und 3 sowie deren Beschreibung; dort als Sicherheitsvorrichtung bezeichnet) und in der EP 1 655 533 B1 (vgl. 2 und 4 sowie deren Beschreibung; dort als Entlastungsventil bezeichnet). Der Inhalt der DE 10 2011 114 725 A1 und der EP 1 655 533 B1 bzgl. des Prinzips der Druckentlastungseinheit wird hiermit per Referenz hier mit in diese Offenbarung mit aufgenommen.
  • Das Auslöseelement ist mechanisch an die Druckentlastungseinheit gekoppelt. Das Auslöseelement kann ein Element sein, beispielsweise ein Schmelzdraht, Schmelzseil oder eine Druckstange, der bzw. die sich bevorzugt zumindest bereichsweise über die Oberfläche des Druckbehälters erstreckt. Bevorzugt verläuft das Auslöseelement zumindest bereichsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Druckbehälters. Das Auslöseelement kann sich insbesondere zumindest bereichsweise über die Umfangsfläche des Druckbehälters erstrecken, wobei mindestens ein Umlenkmittel vorgesehen sein kann. Das mindestens eine Umlenkmittel kann ausgebildet sein, das Auslöseelement umzulenken, insbesondere derart, dass die Zugspannung vor und hinter dem Umlenkmittel vorhanden ist. Das Auslöseelement kann ferner zickzackförmig, mäanderförmig und/oder helixförmig bzw. spiralförmig über der Oberfläche des Druckbehälters angeordnet sein. Bevorzugt sind benachbarte Abschnitte des Auslöseelementes derart beabstandet, dass ein zwischen diesen benachbarten Abschnitten auftretendes thermisches Ereignis sicher detektiert wird, bzw. dass das Sicherheitsventil das Brenngas oder Druckmedium sicher ablässt bevor der Druckbehälter beschädigt wird. Die Länge (l) des Auslöseelementes beträgt bevorzugt mindestens 25%, mindestens 50%, mindestens 75% oder mindestens 100% der Länge (L) des Druckbehälters.
  • Das Auslöseelement ist zumindest bereichsweise, bevorzugt vollständig, schmelzbar bzw. aufschmelzbar ausgeführt. Aufschmelzen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Auslöseelement durch das Schmelzen ganz oder zum ganz überwiegenden Teil durchtrennt ist, insbesondere derart, dass die nachstehend erläuterte Gegenkraft vom Auslöseelement nicht mehr aufgebracht werden kann. Bevorzugt kann das Auslöseelement zumindest bereichsweise ein Material aufweisen, das bei einer Schmelztemperatur von unter 300°C, bevorzugt unter 150°C und besonders bevorzugt unter 120°C oder 100°C schmilzt. Zudem liegt die Schmelztemperatur bevorzugt über 80°C, besonders bevorzugt über 90°C. Diese unteren und oberen Grenzwerte können dann vorteilhaft das Auslöse-Temperaturfenster bilden, in dem das Sicherheitsventil auslöst. Bevorzugt kommen als Materialien eine niederschmelzende Metalllegierung (z.B: Bismutlegierungen wie Roses Metall (Bi 50, Pb 28, Sn 22), Orionmetall (Bi 42, Pb 42, Sn 16) oder Blei-Bismut-Eutektikum (Bi 55,5, Pb 44,5;)) oder ein Kunststoff (stark verzweigtes Polyethylen (LD-PE), Polypropylen (PP), etc.) zum Einsatz.
  • Das Auslöseelement ist ausgebildet, die Druckentlastungseinheit auszulösen bzw. zu betätigen, wenn das Auslöseelement zumindest bereichsweise aufgeschmolzen ist.
  • Das Auslöseelement kann zweckmäßig derart ausgebildet und angeordnet sein, dass es im Betrieb des Sicherheitsventils (insbesondere im Wesentlichen) auf Zug beansprucht wird. Alternativ kann das Auslöseelement vorteilhaft derart ausgebildet und angeordnet sein, dass es im Betrieb des Sicherheitsventils (insbesondere im Wesentlichen) auf Druck beansprucht wird. Als Betrieb des Sicherheitsventils wird dabei die Situation verstanden, in der das Sicherheitsventil im Kraftfahrzeug bzw. am oder benachbart zum Druckbehälter montiert ist und kein thermisches Ereignis vorliegt (= Temperatur des Auslöseelementes nicht im Auslöse-Temperaturfenster). Abgesehen von den Zugspannungen oder Druckspannungen könnten im Auslöseelement im Betrieb noch weitere Spannungen in anderen Richtungen als die Längsachse des Auslöseelementes vorkommen, die aber für die Funktion „Auslösen der Druckentlastungseinheit“ vernachlässigbar sind.
  • Das Auslöseelement ist ausgebildet, eine Gegenkraft F2 zu einer Kraft F1 eines Federmittels der Druckentlastungseinheit aufzubringen, solange das Auslöseelement nicht zumindest teilweise aufgeschmolzen ist. Mit anderen Worten wirken in der Druckentlastungseinheit im normalen Betrieb das Federmittel der Druckentlastungseinheit und das Auslöseelement derart zusammen, dass der Brennstoff oder Druckmedium das Sicherheitsventil nicht durchströmt.
  • Der auf Zug belastete Schmelzdraht bzw. das Schmelzseil können beispielsweise als ein Innenzug eines ausgebildet sein, der in einer flexiblen, aber in Zugrichtung druckfesten Hülle aufgenommen ist. Die Hülle kann dabei als mechanische Führung des Zugs und als Gegenlager für die übertragenen Zugkräfte wirken. Vorteilhaft kann kann somit eine gekrümmter Verlauf des Auslöseelementes realisiert werden, beispielsweise in der hier offenbarten Art und Weise um den Druckbehälter. Anstelle einer Übertragung von Zugkraft kann durch das Auslöseelement und der Hülle auch eine Druckkraft übertragen werden. Zwischen Hülle und Schmelzseil/Schmelzdraht kann ein flexibles Gleitrohr (Innenauskleidung, Gleitinnenrohr) aus POM, PE oder Teflon eingebracht sein. Als Material für die Ummantelung wird meist Weich-PVC verwendet. Die Ummantelung schützt den Zug vor äußeren Beschädigungen, verhindert das Eindringen von Staubpartikeln oder Feuchtigkeit und sorgt so dafür, dass die Funktion des Zugs durch mechanische Reibung oder Rost nicht beeinträchtigt wird. Dieser Mechanismus wird auch bei einem Bowdenzug angewandt.
  • Somit kann das Brenngas oder Druckmedium sicher abgelassen werden im Falle eines lokalen thermischen Ereignisses (nachstehend: „thermisches Ereignis“) benachbart zum Auslöseelement, zum Beispiel einer lokalen Flamme. Das Auslöse-Temperaturfenster kann insbesondere so gewählt sein, dass das Sicherheitsventil auslöst, bevor das thermische Ereignis den Druckbehälter beschädigt.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert. Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten Sicherheitsventils 100. Das Sicherheitsventil 100 ist an einem Ende eines Druckbehälters 200 angebracht. Die Montage des Sicherheitsventils 100 an den Druckbehälter 200 kann unterschiedlich gestaltet sein. In der Regel ist das Sicherheitsventil 100 unmittelbar am Druckbehälter 200 angebracht. Das Sicherheitsventil 100 umfasst eine Druckentlastungseinheit 110 und ein Auslöseelement 120. Das Auslöseelement 120 ist hier als Schmelzdraht ausgebildet, der auf Zug beansprucht wird. Ein Ende des Schmelzdrahtes 120 ist hier an einer Verschraubung 124 befestigt. Das andere Ende ist mit einem Querbolzen 111 gekoppelt. An dem Ende des Querbolzen 111, das dem mit dem Schmelzdraht 120 verbundenen Ende gegenüber liegt, ist ein Federmittel 113 vorgesehen, das auf den Querbolzen 111 im Betrieb eine erste Kraft F1 ausübt. Als Federmittel kann irgendein Federmittel vorgesehen sein, bevorzugt eine Zugfeder 113. Eine solche Zugfeder 113 kann beispielsweise mit einer Verschraubung 125 verbunden sein. Liegt kein thermisches Ereignis vor, übt der Schmelzdraht 120 auf den Querbolzen 111 eine (Gegen)Kraft F2 aus, die entgegengerichtet zur Kraft F1 der Zugfeder 113 ist. Es stellt sich ein Kräftegleichgewicht in einer ersten Position des Querbolzen 111 ein. In dieser ersten Position kann kein Brenngas oder Druckmedium aus dem Druckbehälter 200 entweichen. Tritt nun ein thermisches Ereignis (hier dargestellt als lokaler Wärmestrom ) benachbart zum Schmelzdraht 120 ein, das ausreicht, um den Schmelzdraht 120 aufzuschmelzen, so entfällt die Kraft F2. Folglich bewirkt die Kraft F1 der Zugfeder 113, dass der Querbolzen 111 aus der ersten Position in die zweite Position verschoben wird. In dieser zweiten Position (= Auslöseposition) kann der Brennstoff aus dem Druckbehälter 200 entweichen. Hierzu kann optional vorgesehen sein, dass ein Dichtbolzen 115 in dieser zweiten Position in eine gestrichelt gezeigten Öffnung des Querbolzens 111 eindringt oder hindurch tritt, wodurch der Strömungsweg zwischen dem Druckbehälter 200 und der Umgebung freigegeben wird. Ein solcher Dichtbolzen 115 muss aber nicht vorgesehen sein, wenn z.B. der Querbolzen 111 ausreichend abgedichtet ist.
  • Das Auslöseelement 120 ist hier von einer mechanischen Schutzvorrichtung 122 umgeben, die hier das Auslöseelement 120 vor mechanischer Beschädigung schützt. Ferner dient in der hier dargestellten Ausführung die mechanische Schutzvorrichtung 122 als Distanzmittel, welches über die Verschraubung 124 die Auslöseeinheit 120 vorspannt. Besonders bevorzugt könnte die mechanische Schutzvorrichtung als Hülle ausgebildet sein (nicht gezeigt), die wie ein Bowdenzug das Auslöseelement umgibt, insbesondere derart, dass es das Auslöseelement 120 mechanisch führt, so dass das Auslöseelement 120 zumindest bereichsweise auf einer gekrümmte Bahn am Druckbehälter 200 angeordnet ist.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011114725 A1 [0004, 0011, 0011]
    • EP 1655533 B1 [0004, 0011, 0011]

Claims (8)

  1. Sicherheitsventil (100) für einen Druckbehälter (200) mit einem Auslöseelement (120), das sich von einer Druckentlastungseinheit (110) weg erstreckt; – wobei das Auslöseelement (120) mechanisch an die Druckentlastungseinheit (110) gekoppelt ist; – wobei das Auslöseelement (120) zumindest bereichsweise aufschmelzbar ausgeführt ist; und – wobei das Auslöseelement (120) ausgebildet ist, die Druckentlastungseinheit (110) auszulösen, wenn das Auslöseelement (120) zumindest bereichsweise aufgeschmolzen ist.
  2. Sicherheitsventil (100) nach Anspruch 1, wobei das Auslöseelement (120) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass es im Betrieb des Sicherheitsventils (100) zumindest bereichsweise auf Druck beansprucht wird.
  3. Sicherheitsventil (100) nach Anspruch 1, wobei das Auslöseelement (120) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass es im Betrieb des Sicherheitsventils (100) zumindest bereichsweise auf Zug beansprucht wird.
  4. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Auslöseelement (120) zumindest bereichsweise als Schmelzdraht (120), Schmelzseil (120) oder als Druckstange (120) ausgebildet ist.
  5. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Auslöseelement (120) eine Gegenkraft (F2) zu einer Kraft (F1) eines Federmittels (113) der Druckentlastungseinheit (110) aufbringt, solange das Auslöseelement (120) nicht zumindest teilweise aufgeschmolzen ist.
  6. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Länge (l) des Auslöseelementes (120) mindestens 25% der Länge (L) des Druckbehälters (200) beträgt.
  7. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schmelzdraht (120) oder das Schmelzseil (120) in einer mechanischen Schutzvorrichtung (122), insbesondere eine Hülle geführt sind.
  8. Druckbehälter (200) mit einem Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 7, wobei das Auslöseelement (120) sich über eine Umfangsfläche des Druckbehälters (200) erstreckt, wobei mindestens ein Umlenkmittel vorgesehen ist, und wobei das mindestens eine Umlenkmittel geeignet ist, das Auslöseelement umzulenken.
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