DE102016215318A1

DE102016215318A1 - Ventileinheit und Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einer Auslöseleitung

Info

Publication number: DE102016215318A1
Application number: DE102016215318.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Hettenkofer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft eine magnetische Ventileinheit 130 für ein Sicherheitsventil, ein Sicherheitsventil und einen Druckbehältersystem. Die Ventileinheit 130 weist mindestens ein ferromagnetisches Element 136 auf. Die Ventileinheit 130 ist ausgebildet, den Schaltzustand der Ventileinheit 130 durch Ändern des magnetischen Zustandes des ferromagnetischen Elementes 136 zu ändern.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Ventileinheit, ein Sicherheitsventil sowie einen Druckbehälter. 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 2011114725 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 in 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.
Findet das thermische Ereignis nicht unmittelbar an der Auslöseleitung statt, sondern in einem gewissen Abstand dazu, 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 dann in den von der Wärmequelle entfernteren Bereichen die eingebrachte Wärmemenge 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 bevorzugte 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. Ferner ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, den Energieverbrauch eines Druckbehältersystems zu verringern.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie umfasst eine magnetische Ventileinheit, ein thermisches Sicherheitsventil von einem Druckbehältersystem und mindestens eine Druckbehälter mit einem hier offenbarten Sicherheitsventil und/oder mit mindestens einer hier offenbarten Ventileinheit. Das Sicherheitsventil ist insbesondere ein thermisches bzw. thermisch aktivierbares Druckentlastungsventil, also ein TPRD.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Druckbehältersystem mit mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter des Systems kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z.B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem max. Betriebsdruck (auch maximum operating pressure oder MOP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. 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 liegen, 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).
Das hier offenbarte thermische Sicherheitsventil für einen Druckbehälter kann mindestens eine Druckentlastungseinheit umfassen. Die Druckentlastungseinheit ist die Einheit, die ausgebildet ist, abhängig von einem Druckwert bzw. Drucksignal der nachstehend erläuterten Auslöseleitung direkt oder indirekt den Durchfluss von Brenngas aus dem Druckbehälter freizugeben. Beispielsweise kann die Druckentlastungseinheit ausgebildet sein, bei einem Druckanstieg oberhalb eines Auslösedrucks (in der Auslöseleitung bzw. in der Druckentlastungseinheit) und/oder bei einem Druckabfall unterhalb eines Auslösedrucks das Ausströmen von Brenngas aus dem Druckbehälter sicherzustellen.
Somit kann das Brenngas im Falle eines insbesondere lokalen und bevorzugt benachbart zu der Auslöseleitung und/oder zum Sicherheitsventil vorkommenden thermischen Ereignisses (nachstehend: „thermisches Ereignis“), zum Beispiel einer lokalen Erwärmung des Drucktanks oberhalb einer lokalen Grenztemperatur, sicher abgelassen werden. Die Grenztemperatur kann beispielsweise so gewählt sein, dass eine Schädigung des Drucktanks sicher ausgeschlossen werden kann. Beispielsweise kann die Grenztemperatur unter 300°C, bevorzugt unter 150°C und besonders bevorzugt unter 120°C liegen. Bevorzugt liegt die Grenztemperatur jedoch oberhalb von mindestens 85°C. Ein daraus resultierendes Auslöse-Temperarturfenster kann durch einen der folgenden Temperaturbereiche definiert werden: ca. 95°C bis ca. 300°C, ferner bevorzugt ca. 95°C bis ca. 115°C, und besonders bevorzugt ca. 105°C bis ca. 115°C.
Insbesondere kann die Druckentlastungseinheit als Überdruckventil ausgebildet sein, das den Druckbehälterinhalt freigibt, wenn der Auslösedruck in der Auslöseleitung aufgrund der lokalen Erwärmung einen Grenzwert übersteigt. 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 2011114725 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 2011114725 A1 und der EP 1 655 533 B1 bzgl. des Prinzips der Druckentlastungseinheit wird hiermit per Referenz hier mit in diese Offenbarung mit aufgenommen. Nachstehend ist im Zusammenhang mit einer Bersteinrichtung eine weitere bevorzugte Lösung gezeigt.
Das hier offenbarte thermische Sicherheitsventil für einen Druckbehälter kann mindestens eine Auslöseleitung umfassen, die sich von einer Druckentlastungseinheit weg erstreck. Die Auslöseleitung kann eine Leitung sein, insbesondere ein Rohr, das sich bevorzugt zumindest bereichsweise über die Oberfläche des Druckbehälters erstreckt. Bevorzugt verläuft die Auslöseleitung zumindest bereichsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Druckbehälters. Ferner bevorzugt erstreckt sich die Auslöseleitung entlang der gesamten axialen Länge des Druckbehälters. Die Auslöseleitung kann zumindest teilweise, bevorzugt komplett den Zylinderbereich des Druckbehälters umgeben. Besonders bevorzugt verläuft die Auslöseleitung helixförmig bzw. wendelförmig oder mäanderförmig über die Oberfläche des Druckbehälters, bevorzugt im Zylinderbereich und gegebenenfalls ebenfalls an den Enden des Druckbehälters. Bevorzugt sind benachbarte Abschnitte der Auslöseleitung derart beabstandet, dass ein zwischen diesen benachbarten Abschnitten auftretendes thermisches Ereignis sicher detektiert wird bzw. das Sicherheitsventil das Brenngas sicher ablässt bevor der Druckbehälter beschädigt wird. Die Auslöseleitung kann insbesondere mechanisch stabil ausgebildet sein, insbesondere derart, dass die Auslöseleitung sich nicht verschließt aufgrund einer nicht betriebsbedingten mechanischen Einwirkung. Somit kann vorteilhaft ein betriebssicheres Sicherheitsventil werden. In der Auslöseleitung ist zumindest bereichsweise ein Medium angeordnet, dass zweckmäßig erst bei einer Temperatur unterhalb von minus 60°C gefriert und sich bis zur Obergrenze des Auslöse-Temperaturfenster nicht, oder nur unmerklich ausdehnt. Je nach Auslegung kann aber auch vorgesehen sein, dass sich das Medium gerade im Auslöse-Temperaturfenster stark ausdehnt, wodurch das System gegebenenfalls schneller auslöst. Bei dem Medium handelt es sich insbesondere nicht um das gespeicherte Brenngas. Bevorzugt weist die Auslöseleitung einen normalen Betriebsdruckbereich auf, bei dem die Druckentlastungseinheit den Durchfluss an Brenngas durch die Druckentlastungseinheit sicher unterbindet.
Hier offenbarte Technologie umfasst ferner eine magnetische Ventileinheit. Die magnetische Ventileinheit kann an dem Sicherheitsventil und/oder an der Auslöseleitung vorgesehen sein. Die Ventileinheit kann derart ausgebildet und angeordnet sein, dass ein in der Auslöseleitung vorgehaltenes Medium S im geöffneten Zustand der Ventileinheit entweichen kann.
Die Ventileinheit weist mindestens ein ferromagnetisches Element auf. Das ferromagnetische Element umfasst ein ferromagnetisches Material. Ferromagnetische Materialien als solche sind bekannt. Beim Ferromagnetismus kommt es über die Austauschwechselwirkung der Elektronenspins zu einer Stabilisierung der parallelen Ausrichtung benachbarter Spins der Atome. Dies führt dazu, dass ein Ferromagnet in einem Magnetfeld selbst magnetisch wird. Man spricht von der Magnetisierung des ferromagnetischen Elementes. Ist ein Ferromagnet vollständig magnetisiert, so sind alle Elektronenspins im Material parallel ausgerichtet. Der Ferromagnet ist dann selbst maximal magnetisch.
Das ferromagnetische Element kann beispielsweise aus einem Material mit einer hohen Remanenz ausgebildet sein. Die Remanenz oder auch Remanenzflussdichte in einem ferromagnetischen Material äußert sich über die messbaren magnetischen Kräfte, welche verbleiben, wenn das Material zeitweise einem Magnetfeld ausgesetzt war und magnetisiert wurde. Der Zahlenwert der Remanenz gibt an, wie stark die Magnetisierung ist. Die maximale Remanenz ist ein materialspezifischer Wert, der aus der Hysteresekurve bestimmt werden kann. Eine hohe Remanenz ist vorteilhaft, da somit das Gesamtgewicht bei gleicher Magnetkraft des ferromagnetischen Elementes verringert werden kann. Beispielsweise kann die minimale oder nominale Remanenz mindestens 0,2 Tesla, bevorzugt mindestens 0,4 Tesla oder größer 1,0 Tesla betragen.
Das ferromagnetische Element kann beispielsweise aus einem Material mit einer geringen Polarisations-Koerzitivfeldstärke (= Koerzitivfeldstärke jHc der Polarisation) ausgebildet sein. Bei entmagnetisierenden Polarisations-Koerzitivfeldstärke jHc verliert das ferromagnetische Element die magnetische Polarisation und somit seine eigene Magnetisierung. Ist dieser Wert gering, so können vergleichsweise kleine externe Magnetfelder ausreichen, um den Magnetisierungszustand des ferromagnetischen Elementes zu ändern. Beispielsweise kann die minimale oder nominale Polarisations-Koerzitivfeldstärke geringer als ca. 1000 kA/m, bevorzugt geringer als 800 kA/m oder 200 kA/m sein.
Das ferromagnetische Element kann beispielsweise aus einem Material mit einer geringen Curie-Temperatur und/oder einer geringen max. Einsatztemperatur hergestellt sein. Bevorzugt liegt die max. Einsatztemperatur im Auslöse-Temperaturfenster. Die Polarisations-Koerzitivfeldstärke nimmt zu höheren Temperaturen hin ab. Somit kann die tatsächlich erforderliche Koerzitivfeldstärke verringert werden.
Bevorzugt ist das ferromagnetische Element aus einer Stahl-Legierung, besonders bevorzugt aus einer Kobalt-Eisen-Legierung, hergestellt. Diese verfügen zweckmäßig über eine hohe Remanenz bei einer geringen Koerzitivfeldstärke. Dank dieser Eigenschaften können sie ein starkes Magnetfeld aufnehmen, das jedoch nur schwach im Magnet verankert ist und durch entmagnetisierende Einflüsse leicht geschwächt werden kann.
Die Ventileinheit ist ausgebildet, den Zustand der Ventileinheit durch Ändern des magnetischen Zustandes des ferromagnetischen Elementes zu ändern. Die Ventileinheit kann ausgebildet sein, einen Durchfluss durch die Ventileinheit zu unterbinden, wenn das ferromagnetische Element einen ersten Magnetisierungszustand aufweist. Ferner kann die Ventileinheit ausgebildet sein, den Durchfluss durch die Ventileinheit zu ermöglichen, wenn das ferromagnetische Element einen zweiten Magnetisierungszustand aufweist. Mit anderen Worten ist die Ventileinheit so gestaltet, dass abhängig vom Magnetisierungszustand die Ventileinheit offen oder geschlossen ist. Im ersten Magnetisierungszustand kann das ferromagnetische Element eine andere Magnetisierungsrichtung aufweisen als im zweiten Magnetisierungszustand. Bevorzugt kann der erste Magnetisierungszustand ein magnetisierter Zustand sein und der zweite Magnetisierungszustand ein entmagnetisierter Zustand.
Die Ventileinheit kann mindestens eine(n) Solenoid bzw. Zylinderspule umfassen. Der Solenoid kann angeordnet und ausgebildet sein, den magnetischen Zustand des ferromagnetischen Elementes zu ändern. Insbesondere kann der Solenoid unmittelbar benachbart zum ferromagnetischen Element angeordnet sein. Unmittelbar benachbart bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Magnetfeld, welches der Solenoid ausbilden kann, zumindest bereichsweise auf das ferromagnetische Element einwirken kann. Insbesondere ist der Solenoid ausgebildet, durch die Bestromung des Solenoiden den Magnetisierungszustand des ferromagnetischen Elementes zu ändern. Insbesondere kann der Solenoid ausgebildet sein, die Magnetisierungsrichtung des ferromagnetischen Elementes zu ändern und/oder das ferromagnetische Element zu entmagnetisieren. Beispielsweise kann der Solenoid geeignet sein, das ferromagnetische Element einem Magnetfeld auszusetzen, dessen Feldstärke die Polarisations-Koerzitivfeldstärke des ferromagnetischen Elementes übersteigt, so dass das ferromagnetische Element entmagnetisiert wird. Das ferromagnetische Element selbst ist kein Solenoid, der den Schaltzustand der Ventileinheit durch Ändern des magnetischen Zustandes ändert.
Die hier offenbarte Technologie kann ferner mindestens einen Temperatursensor umfassen. Der mindestens eine Temperatursensor kann derart ausgebildet und angeordnet sein, dass er die Temperatur an der Außenoberfläche des mindestens einen Druckbehälters, erfassen kann beispielsweise direkt auf der Behälteroberfläche oder in einem radialen Abstand von der Außenoberfläche des Druckbehälters von weniger als 20 mm, oder weniger als 10 mm, oder weniger als 5 mm. Bevorzugt können mehrere Temperatursensoren derart unmittelbar benachbart zur Außenoberfläche des Druckbehälters angeordnet sein, dass lokale Temperaturveränderungen an der Außenoberfläche des Druckbehälters erfasst werden können.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens ein Steuergerät, das eingerichtet ist, basierend auf dem Signal des mindestens einen Temperatursensors die magnetische Ventileinheit zu schalten. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise den magnetischen Zustand des ferromagnetischen Elementes ändern.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner mindestens einen thermoelektrischen Generator. Thermoelektrische Generatoren als solche sind bekannt. Thermoelektrische Generatoren, auch TE-Generatoren genannt, sind Geräte, welche elektrische Energie aus Wärme gewinnen können. Anders als übliche Wärmekraftmaschinen enthalten sie keinerlei bewegliche Teile. Sie basieren auf dem thermoelektrischen Effekt (Seebeck-Effekt) in Halbleitern. Hierbei werden ibd.: zwei unterschiedlich dotierte (n-dotierte bzw. p-dotierte) Versionen eines Halbleitermaterials (z. B. Bismuttellurit, Bismutantimonit, Bleitellurit oder Eisendisilizid) mit möglichst hohem Seebeck-Koeffizienten verwendet.
Bevorzugt sind der mindestens eine thermoelektrische Generator, das mindestens eine Steuergerät, der mindestens eine Temperatursensor und die mindestens eine magnetische Ventileinheit für einen Betrieb ohne zusätzliche Energieversorgung ausgebildet. Mit anderen Worten können diese Komponenten autark betrieben werden. Dies steigert die Verfügbarkeit und verringert die Gefahr, dass aufgrund einer leeren oder defekten externen Stromversorgung keine elektrische Energie bereitgestellt werden kann. Es ist aber auch vorstellbar, dass ein externer Stromgenerator oder eine Batterie die elektrische Energie bereitstellen. Mithin ist der thermoelektrische Generator also so ausgebildet, dass dieser aufgrund des lokalen Temperaturanstiegs ausreichend Energie zum Auslösen der Ventileinheit bereitstellt.
Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere eine magnetische Ventileinheit für ein thermisches Sicherheitsventil eines Druckbehälters, insbesondere für das hier offenbarte Sicherheitsventil mit der Auslöseleitung. Es ist aber ebenso möglich, die magnetische Ventileinheit direkt an einem Sicherheitsventil auszubilden. Beispielsweise könnte bei vergleichsweise kleinen Druckbehältern am Sicherheitsventil anstatt der Auslöseleitung die magnetische Ventileinheit direkt angeschlossen werden.
Weiterhin kann die Technologie verwendet werden um den Druckbehälter manuell zu entleeren. Dies kann erforderlich sein wenn der Druckbehälter durch externe thermische oder mechanische Ereignisse strukturell geschwächt. In diesem Fall kann durch Aktivierung des Ventils der Behälter ohne mechanische Einwirkung entleert werden,
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie u.a. Ventileinheit, die durch einen elektrischen Impuls ent-/magnetisierbar ist. Ein Permanentmagnet könnte auch als Magnetspeicherring 132 ausgeführt werden, der mittels Drähte durch einen Stromfluss magnetisierbar bzw. aktivierbar ist. Der Ring kann solange in einer Richtung magnetisiert bleiben bis durch einen Stromimpuls in entgegengesetzter Polung sich der magnetische Fluss umkehrt. Durch einen temperaturabhängigen Stromimpuls könnte damit das Ventil durch Umpolung des Magnetfeldes geöffnet werden.
Vorteilhaft kann somit der Einsatz von Permanentmagneten vermieden werden. Vorteilhaft kann ferner ein TPRD aktiv geschaltet werden. Aufgrund der Ventilschalteinheit, die mit einem Stromimpuls aktiviert wird, ergeben sich neue Möglichkeiten der temperaturinduzierten Druckentlastung eines Druckbehälters. Der Stromimpuls kann temperaturinduziert generiert werden, entweder durch Temperatursensoren und einem Stromgenerator oder passiv durch kalorische Elemente (Kondensatorschaltung).
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsansicht des Sicherheitsventils 100; und
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Ventileinheit 130.
Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein hier offenbartes Sicherheitsventil 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, bevorzugt an einem seiner Enden. Das Sicherheitsventil 100 umfasst eine Druckentlastungseinheit 110 und eine Auslöseleitung 120. Die Auslöseleitung 120 ist mit einer inneren Kammer 111 der Druckentlastungseinheit 110 fluidverbunden. In der inneren Kammer 111 ist ein Kolben 112 angeordnet, der wiederum von einem Vorspannmittel (hier eine Feder) 113 vorgespannt wird.
Die Auslöseleitung 120 und die Kammer 111 der Druckentlastungseinheit 110 sind mit einem flüssigen Medium S gefüllt. In der Auslöseleitung 120 sind mehrere Ventileinheiten 130 angeordnet, die hier sehr schematisch gezeigt sind. Ventileinheiten 130 sind voneinander beabstandet angeordnet und unterteilen die Auslöseleitung 120 in mehrere Segmente. In der Auslöseleitung 120 herrscht ein definierter Betriebsdruck (z.B. in etwa 1,3 bara (= bar Atmosphärendruck) bis 1,5 bara bei Raumtemperatur).
Wirkt nun lokal ein thermisches Ereignis, hier dargestellt als lokaler Wärmestrom Q ., auf die Auslöseleitung 120 ein, beispielsweise eine lokale Flamme, so erwärmt sich hier die vorderste Ventileinheit 130. Die Temperatur an der Ventileinheit steigt auf eine Temperatur oberhalb der Grenztemperatur (bzw. eine Temperatur innerhalb des Auslöse-Temperaturfensters). Diese Temperatur wird vom Temperatursensor (nicht gezeigt) erfasst. Der Temperatursensor ist mit einem Steuergerät (nicht gezeigt) verbunden. Das Steuergerät bewirkt, dass die bis dahin verschlossene Ventileinheit 130 geöffnet wird. Das Medium S kann durch die nun offene Ventileinheit 130 entweichen. Der Druck in der Kammer 111 sinkt nun unterhalb eines Kammer-Auslösedrucks (z.B. 1,1 bara) der Druckentlastungseinheit 110. Die durch den Druck in der Kammer 111 aufgebrachte Gegenkraft zum Vorspannmittel 113 reicht nun nicht mehr aus, um den Kolben 112 in der durchflusssperrenden Position zu halten. Der Kolben 112 verschiebt sich daher aus der durchflusssperrenden Position in eine Position, in der der Durchfluss von Brennstoff ermöglicht wird. Dazu kann beispielsweise ein Stopfen 115 in eine Aussparung des Kolbens 112 entweichen. Der entwichene Stopfen 115 gibt den Strömungspfad 500 in die Umgebung frei. In dieser Position des Kolbens 112 wird dann der Druck im Druckbehälter 200 sicher abgebaut.
Die hier gezeigte Ausgestaltung hat den Vorteil, dass etwaige Undichtigkeiten in der Auslöseleitung nicht unmittelbar zum Druckabbau im Behälter führen. Eine Auslösung erfolgt erst ab einem Schwellwert wenn das Medium aus der Auslöseleitung ein Grenzvolumen unterschritten hat. Weiterer Vorteil besteht darin, dass die die Kraft zum Verschließen der Auslöseeinheit aufgrund des geringeren Druckniveaus des Medium S gegenüber Behälter 200 gering gehalten werden kann. Dies erlaubt kleinere Magneten und Stromstärken. Prinzipiell wäre Letzteres aber auch von der hier offenbarten Technologie umfasst.
Die 2 zeigt eine schematische Ansicht einer magnetischen Ventileinheit 130, die hier in einer Auslöseleitung 120 vorgesehen ist. Die Ventileinheit 130 ist hier in die Auslöseleitung 120 eingeschraubt (alternativ formschlüssig verbunden, geschweißt, etc.). Die Ventileinheit 130 kann aber auch anders befestigt sein. Die Auslöseleitung 120 ist hier aus einem transparenten Kunststoff gefertigt. Die Ventileinheit 130 umfasst ein Gehäuse 131, dessen erstes Ende E₁ in der Auslöseleitung 120 mündet. Das erste Ende E₁ ist fluidverbunden mit der Auslöseleitung 120. Das Gehäuse 131 dient hier als Zylinder für einen Ventilkolben 133, der in einer ersten bzw. geschlossenen Kolbenposition das Medium S daran hindert, durch eine Öffnung Ö zu entweichen. Der Ventilkolben 133 ist im Gehäuse beweglich geführt.
In dem Gehäuse 131 ist ein Interaktionselement 132 vorgesehen. Das Interaktionselement 132 ist hier ein ringförmig ausgestaltetes Element 132.
Das Interaktionselement 132 ist ausgebildet, mit dem ferroelektrischen Element 136 aufgrund von magnetischen Kräften Wechselwirkungen einzugehen, beispielsweise eine Anziehung und/oder Abstoßung. Das Interaktionselement 132 kann beispielsweise ein Permanentmagnet, ein weiteres ferromagnetisches Element, oder aber das Element sein, welches in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2016 204769 beschrieben ist als Element mit einer Curie-Temperatur, die in einem Auslöse-Temperarturfenster des Sicherheitsventils liegt. Der Inhalt der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 10 2016 204769 bezüglich dieses Elementes mit einer Curie-Temperatur, die in einem Auslöse-Temperarturfenster des Sicherheitsventils liegt, wird hiermit per Verweis hier mit aufgenommen.
Das Interaktionselement 132 ist konzentrisch um den Zylinder bzw. den Ventilkolben 133 angeordnet. In der ersten Kolbenposition ist benachbart zum Interaktionselement 132 das ferromagnetische Element 136 angeordnet, das hier auch ringförmig ausgebildet ist. Das Interaktionselement 132 und das ferromagnetische Element 136 könnten auch eine andere Geometrie aufweisen. In der ersten Kolbenposition besteht eine Anziehungskraft zwischen Interaktionselement 132 und ferromagnetische Element 136. Der Ventilkolben 133 ist mit dem Element 136 mechanisch gekoppelt und wird somit in der ersten Kolbenposition gehalten. Solange die Temperatur der Ventileinheit 130, insbesondere des Elementes 136, geringer ist als die obere Grenztemperatur bleibt diese Anziehung bestehen und die Ventileinheit 130 ist geschlossen.
Steigt die lokale Temperatur auf einen Wert oberhalb der oberen Grenztemperatur, so kann gemäß der hier offenbarten Technologie dies vom Temperatursensor erfasst werden und das Steuergerät kann den Solenoid 134‘ so bestromen, dass das ferromagnetische Element 136 entmagnetisiert wird. Somit verändert sich die magnetische Anziehungskraft und eine nicht dargestellte Feder und/oder der Druckunterschied zwischen der Umgebung und der Auslöseleitung 120 kann nun den mit dem ferromagnetischen Element 136 gekoppelten Ventilkolben 133 aus der ersten Kolbenposition in eine zweite Kolbenposition verschieben. Ferner kann vorgesehen sein, dass bei einem Anstieg der Temperatur des Interaktionselementes 132 auf einen Wert oberhalb der Grenztemperatur gleichsam die Curie-Temperatur des Interaktionselementes 132 überschritten wird, wodurch sich die magnetischen Eigenschaften des Interaktionselementes 132 ändern. Diese Änderung magnetischen Eigenschaften des Interaktionselementes 132 verringert ebenfalls die Anziehungskraft zwischen dem ferromagnetischen Element 136 und dem Interaktionselement 132. Auch dieser Effekt kann die Ventilkolbenverschiebung verursachen. Vorteilhaft wäre somit ein redundantes Auslösesystem vorgesehen, wobei die Common-Cause Gefahr verringert ist.
Anstatt lediglich das ferromagnetische Element 136 zu entmagnetisieren ist ebenso vorstellbar, dass die Magnetisierungsrichtung (Ausrichtung der Elementarmagnete) des ferromagnetischen Elementes 136 umgekehrt wird. Somit kann erreicht werden, dass anstatt Anziehungskräfte dann Abstoßungskräfte zwischen dem ferromagnetischen Element 136 und dem Interaktionselement 132 wirken. Zweckmäßig können die Abstoßungskräfte so bemessen sein, das es zu einer Verschiebung des Ventilkolbens 133 kommt und somit die Ventileinheit 130 geöffnet wird.
In der zweiten Kolbenposition (hier nicht dargestellt) kann das Medium S hier durch die Ventileinheit 130 strömen und gelangt durch die Öffnung Ö in die Umgebung der Auslöseleitung 120. Das dem ersten Ende E₁ gegenüberliegende zweite Ende E₂ ist hier zur Umgebung hin offen gestaltet, insbesondere derart, dass das ferromagnetische Element 136 nicht isolierend gekapselt ist. Somit können Schaltverzögerungen verringert werden und die Ventileinheit 130 kann vergleichsweise schnell auf ein lokales thermisches Ereignis reagieren.
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.
Bezugszeichenliste

100: Sicherheitsventil
200: Druckbehälter
110: Druckentlastungseinheit
111: Kammer
112: Kolben
113: Vorspannmittel
115: Stopfen
120: Auslöseleitung
123: Berstscheibe
130: Ventileinheit
131: Gehäuse
132: Magnet
133: Ventilkolben
134‘: Solenoid
136: ferromagnetisches Element
500: Strömungspfad
Q .: Wärmestrom
S: Medium
Ö: Öffnung
E₁: erstes Ende
E₂: zweites Ende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011114725 A1 [0004, 0012, 0012]
EP 1655533 B1 [0004, 0012, 0012]
DE 102016204769 [0039, 0039]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

GTR (Global Technical Regulation ECE/TRANS/WP.29/2013/41) [0002]

Claims

Magnetische Ventileinheit (130) für ein thermisches Sicherheitsventil (100) eines Druckbehälters (200), wobei die Ventileinheit (130) mindestens ein ferromagnetisches Element (136) aufweist; und wobei die Ventileinheit (130) ausgebildet ist, den Schaltzustand der Ventileinheit (130) durch Ändern des magnetischen Zustandes des ferromagnetischen Elementes (136) zu ändern.
Ventileinheit (130) nach Anspruch 1, wobei die Ventileinheit (130) ausgebildet ist, einen Durchfluss zu unterbinden, wenn das ferromagnetische Element (136) einen ersten Magnetisierungszustand aufweist, und wobei die Ventileinheit (130) ausgebildet ist, einen Durchfluss zu ermöglichen, wenn das ferromagnetische Element (136) einen zweiten Magnetisierungszustand aufweist.
Ventileinheit (130) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend mindestens einen Solenoid (132), der angeordnet und ausgebildet ist, den Schaltzustand des ferromagnetischen Elementes (136) zu ändern.
Thermisches Sicherheitsventil (100) für einen Druckbehälter (200), umfassend mindestens eine magnetische Ventileinheit (130) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Thermisches Sicherheitsventil (100), umfassend mindestens eine Auslöseleitung (120), die sich von einer Druckentlastungseinheit (110) weg erstreckt; wobei an der Auslöseleitung (120) mindestens eine magnetische Ventileinheit (130) vorgesehen ist.
Druckbehältersystem, mit mindestens einem Druckbehälter und mit mindestens einer magnetischen Ventileinheit (130) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder mit mindestens einem thermischen Sicherheitsventil nach Anspruch 4 oder 5.
Druckbehältersystem nach Anspruch 6, ferner umfassend: – mindestens einen Temperatursensor; und – mindestens ein Steuergerät; wobei das Steuergerät eingerichtet ist, basierend auf den Signalen des Temperatursensors die magnetische Ventileinheit (130) zu steuern.
Druckbehältersystem nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend mindestens einen thermoelektrischen Generator.