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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil, insbesondere ein Gas-Druckbegrenzungsventil zum Steuern und Ablassen von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, mit einer Ventilelement-Baugruppe, insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb.
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Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
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Aus der
DE 10 2013 204 563 A1 ist ein Druckbegrenzungsventil bekannt mit einem Gehäuse und einer Ventilelement-Baugruppe, wobei die Ventilelement-Baugruppe ein in Richtung einer Längsachse öffnendes und schliessenden Ventilelement aufweist, wobei das Ventilelement gegen eine Dichtsitzkante einer Dichtsitzplatte mit Hilfe einer Schließfeder gedrückt wird und einen Dichtsitz ausbildet. Die Schließfeder stützt sich dabei an einer Schließfeder-Abstützung ab. Aufgrund des ausgebildeten Dichtsitzes verhindert das Druckbegrenzungsventil aus der
DE 10 2013 204 563 A1 in geschlossenem Zustand dass das Medium aus dem System entweichen kann, solange ein bestimmter Druckbereich nicht überschritten wird. Sobald ein kritischer Druck im jeweiligen Mittel- und/oder Niederdruckleitungssystems überschritten wird, bewegt sich das Ventilelement von der Dichtsitzkante der Dichtsitzplatte weg und der Dichtsitz besteht somit nicht mehr. Das Druckbegrenzungsventil öffnet somit und lässt das Medium so lange aus dem jeweiligen Leitungssystem entweichen, bis der Systemdruck wieder unter dem kritischen Druck liegt.
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Bei dem Schließvorgang des Druckbegrenzungsventils wird die geschlossene Endlage dadurch erzielt, dass die Dichtsitzkante der Dichtsitzplatte auf das Ventilelement prallt, um den Dichtsitz auszubilden. Aufgrund der Materialeigenschaften der Dichtsitzplatte, insbesondere der Dichtsitzkante, und des Ventilelements, die insbesondere aus harten metallischen Werkstoffen bestehen können, wirken Impulskräfte und Stoßkräfte auf die beiden Bauteile, die zu einer Schädigung führen können. Zudem kann es dazu kommen, dass bei einer schnellen Schließbewegung des Druckbegrenzungsventils aufgrund der Impulskräfte die Bauteile Dichtsitzplatte und Ventilelement mindestens einmal voneinander abprallen. Dies kann zu einer Schädigung beider Bauteile führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bezugnehmend auf Anspruch 1 wird ein Förderaggregat vorgeschlagen, bei dem ein Ventilelement oder eine Dichtsitzplatte eine Elastomerbeschichtung aufweist. Die Elastomerbeschichtung bildet dabei in geschlossenem Zustand des Ventils mit einer Dichtsitzkante entweder der Dichtsitzplatte oder des Ventilelments einen Dichtsitz aus. Weiterhin weist die Dichtsitzplatte oder das Ventilement einen umlaufenden Anschlag auf. Durch den umlaufenden Anschlag wird eine Eindringtiefe der umlaufenden Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung in Richtung einer Längsachse begrenzt. Auf diese Weise kann ein zuverlässiges Abdichten eines Mittel- und/oder Niederdruckleitungssystem bewirkt und zudem den Verschleiß der beiden Bauteile Dichtsitzplatte und Ventilelement bei einem hochfrequenten Betrieb des Druckbegrenzungsventils verringert werden, da die weiche Elastomerbeschichtung den Materialabtrag beim Zusammenstoßen der Bauteile Dichtsitzplatte und Ventilelement beim Schließen des Druckbegrenzungsventils durch elastische und federnde Eigenschaften verringert. Des weiteren können die notwendigen Schließkräfte gering gehalten werden, da ein vollständiges Abdichten des Ventils durch die Verwendung der Elastomerbeschichtung schon bei niedrigeren Schließkräften zwischen den Bauteilen Ventilelement und Dichtsitzplatte erzielt werden kann als dies bei Nicht-Verwendung der Elastomerbeschichtung möglich wäre.
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Durch den Einsatz eines Anschlags wird ein zu tiefes Eindringen einer Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung verhindert, wodurch die Kontaktfläche zwischen den Bauteilen Dichtsitzplatte und Ventilelement zur Ausbildung des Dichtsitzes kleiner ausgebildet werden kann, als dies ohne den Einsatz des Anschlags der Fall ist. Dadurch wird die Belastung der Elastomerbeschichtung durch das Eindringen der Dichtsitzkante und eine damit einhergehende Verformung der Elastomerbeschichtung verringert. Des weiteren werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils nach Anspruch 1 die Klebekräfte zwischen dem Dichtsitz und der Elastomerbeschichtung verringert, insbesondere aufgrund der verkleinerten Kontaktfläche, was zu einer höheren Genauigkeit des Öffnungsdrucks führt und ein verzögertes Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils verhindert. Dies gilt insbesondere für Langzeiteffekte über die gesamte Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils hinsichtlich den Eigenschaften wie Elastizität der Elastomerbeschichtung. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil einen einfachen und kompakten Aufbau auf.
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Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung steht das Ventilelement radial außerhalb des Bereichs, der die Elastomerbeschichtung aufweist, mit dem Anschlag in Kontakt. Auf diese Weise steht die Dichtsitzkante mit der Elastomerbeschichtung in Kontakt und dringt nur bis zu einer gewissen Tiefe in die Elastomerbeschichtung ein, um den Dichtsitz auszubilden, ohne die Elastomerbeschichtung durch zu tiefes Eindringen zu schädigen. Die Elastomerbeschichtung ist hierzu radial in Richtung einer Längsachse mittig am Ventilelement angeordnet während der umlaufende Anschlag der Dichtsitzplatte radial außerhalb des Bereichs des Ventilelements, der die Elastomerbeschichtung aufweist, mit dem Ventilelement in Kontakt steht. Dies bietet den Vorteil, dass der umlaufende Anschlag der Dichtsitzplatte mit einem nicht-elastischen Bereich des Ventilelements in Kontakt steht und somit ein konstanter Abstand zwischen der Dichtsitzplatte und dem Ventilelement bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil eingehalten werden kann, unabhängig von einer variierenden Schließkraft, die insbesondere durch eine Schließfeder eingebracht wird. Dadurch ist sichergestellt, dass eine konstante Eindringtiefe der Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung zur Ausbildung des Dichtsitzes eingehalten werden kann, unabhängig von äußeren Faktoren, die eine Streuung der Eindringtiefe bewirken können. Durch eine konstante Eindringtiefe der Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung des Ventilelement werden Klebekräfte zwischen dem Dichtsitz und der Elastomerbeschichtung verringert, wodurch sich eine höhere Genauigkeit des Öffnungsdrucks und ein optimales Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils erzielen lässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die Elastomerbeschichtung aus mehreren Schichten, bei der die Schichtung in Richtung der Längsachse verläuft und die Schichten jeweils unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Auf diese Weise kann ein verbesserter Dichtsitz zwischen dem Bauteil Ventilelement und Dichtsitzplatte erzielt werden, während die Klebekräfte am Dichtsitz verringert werden können. Diese Vorteile lassen sich dadurch erzielen, dass beispielsweise die oberste Schicht, die sich auf der der Dichtsitzplatte zugewandten Seite der Elastomerbeschichtung des Ventilelements befindet, eine hohe Verformbarkeit und Elastizität aufweist, während man eine zweite Schicht weniger verformbar und elastisch gestaltet. Dadurch ist es möglich nur die oberste Schicht der Elastomerbeschichtung mit Eigenschaften zu versehen, die eine optimale Dichtigkeit und den optimalen Dichtsitz begünstigen. Bei einem zu weiten Eindringen der Dichtsitzplatte, insbesondere der umlaufenden Dichtsitzkante, in die Elastomerbeschichtung dringt das Bauteil dann in die zweite Schicht der Elastomerbeschichtung ein, die weniger verformbar und elastisch ist. Durch diese Materialeigenschaften der zweiten Schicht wird ein weiteres Hineinbewegene der umlaufenden Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung verhindert, wodurch die Kontaktfläche zwischen der Elastomerbeschichtung und der umlaufenden Dichtsitzkante klein gehalten werden kann, was wiederrum auftretende Klebekräfte bei einem Öffnen des Druckbegrenzungsventils minimiert. Des weiteren lässt sich die Lebensdauer der Elastomerbeschichtung, aufgrund der geringeren Verformbarkeit der Elastomerbeschichtung über deren gesamte Länge in Richtung der Längsachse, verbessern während die guten Dichtigkeitseigenschaften erhalten bleiben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der umlaufende Anschlag der Dichtsitzplatte oder des Ventilelements mindestens eine Strömungs-Öffnung auf, wobei die mindestens eine Strömungsöffnung insbesondere radial zur Längsachse verläuft, wodurch eine Kapselung eines abgeschlossenen Volumens des gasförmigen Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag und der umlaufenden Dichtsitzkante verhindert wird. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass eine Kapselung des Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag und der umlaufenden Dichtsitzkante bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil vermieden werden kann. Bei geschlossenem Zustand des Druckbegrenzungsventils kann sich eine Kapselung des Mediums zwischen dem Ventilelement und der Dichtsitzplatte einstellen, wobei das gekapselte Medium nicht mehr mit dem Medium im Bereich eines Zulaufs und/oder eines Ablaufs in Kontakt steht, sondern von diesen Bereichen gekapselt ist. Dadurch kann kein Austausch des Mediums im gekapselten Bereich mit dem Medium im Bereich des Zulaufs und/oder Ablaufs erfolgen. Der gekapselte Raum ensteht dabei insbesondere zwischen der umlaufenden Dichsitzkante und dem umlaufenden Anschlag der Dichsitzplatte und dem Ventilelement. Durch die vorteilhaften Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils kann der Vorteil erzielt werden, dass das Medium durch diese mindestens eine Strömungsöffnung im umlaufenden Anschlag auch in geschlossenem Zustand des Druckbegrenzungsventils aus dem gekapselten Bereich entweichen kann, insbesondere in den Bereich des Ablaufs. Dadurch, dass das Medium durch die Strömungs-Öffnung in Richtung des Ablaufs entweichen kann, wird das Auftreten einer Kavitation vermieden, die insbesondere bei einem schnellen Öffnen des Druckbegrenzungsventils auftreten kann. Durch das Vermeiden und/oder Verringern der Kavitation kann der mit Ihr einhergehende schädliche Effekt auf umliegende Bauteile verringert werden, wodurch eine Schädigung und/oder ein Verschleiß der Bauteile Dichtsitzplatte und Ventilelement verhindert oder zumindest verringert wird. Dadurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Druckbegrenzungsventils verringert und somit die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass das Medium zwischen der Dichsitzplatte und dem Ventilelement auch bei einem schnellen Schließen des Druckbegrenzungsventils in Richtung des Ablaufs abfließen kann, insbesondere durch die Strömungs-Öffnung, ohne dass sich ein gekapselter Bereich ausbilden kann, der vom Zulauf und vom Ablauf getrennt ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine Verringerung und/oder Vermeidung von Druckpulsation erzielt werden kann, wobei die Druckpulsation bei einem schnellen Schließen des Druckbegrenzungsventils auftritt, insbesondere im gekapselten Raum. Durch die Vermeidung und/oder Verringerung der Pulsation kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Druckbegrenzungsventils verringert und somit die Lebensdauer erhöht werden. Weiterhin wird der Verschleiß an den Kanten des umlaufenden Anschlags und der umlaufenden Dichsitzkante reduziert, da das Abfliessverhalten des Mediums in Richtung Ablauf bei nur minimal bis leicht geöffnetem Druckbegrenzungsventils verbessert wird, was durch die Ausführung des Druckbegrenzungsventils gemäß Anspruch 4 ermöglicht wird.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung hat die mindestens eine umlaufende Dichtsitzkante, insbesondere in dem Bereich, in dem die Dichtsitzkante mit der Elastomerbeschichtung in Kontakt steht, eine Wärmebehandlung erfahren. Des weiteren weist die mindestens eine umlaufende Dichtsitzkante in dem Bereich eine Beschichtung auf. Auf diese Weise kann eine Verringerung der Klebekräfte zwischen der umlaufenden Dichtsitzkante der Dichtsitzplatte und der Elastomerbeschichtung des Ventilelements erzielt werden.
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Durch die Wärmebehandlung lassen sich Klebekräfte dadurch verringern, dass sich zum einen die Oberflächengröße der Dichsitzkante, die in einem nicht wärmebehandelten Zustand kleine Unebenheiten und Verschmutzungen aufweisen kann, verringern lässt. Zum anderen kann durch eine Wärmebehandlung die Materialeigenschaft der Dichtsitzkante dahingehend verändert werden, dass ein höherer Härtegrad der Oberfläche erzielt werden kann, was die Wahrscheinlichkeit eines möglichen Klebeeffekts zwischen der Dichtsitzkante und der Elastomerbeschichtung reduziert. Dies bewirkt den Vorteil, dass eine höhere Genauigkeit des Öffnungsdrucks und ein optimales Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils erzielt werden kann. Zudem lässt sich durch die Wärmebehandlung der Dichtsitzkante eine höhere Verschleissfestigkeit und somit eine höhere Lebensdauer des Bauteils Dichtsitzplatte erzielen.
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Durch die Beschichtung der umlaufenden Dichtsitzkante lassen sich Klebekräfte dadurch verringern, dass sich zum Einen die Oberflächengröße des Bereichs der Dichtsitzkante, der mit der Polymerbeschichtung in Kontakt steht, verringert, indem eine Beschichtung mit einer sehr kleinen Oberflächenrauheit gewählt wird. Zum Anderen kann eine Beschichtung gewählt werden, die durch Ihre Materialeigenschaften, insbesondere in der Paarung mit dem Material der Elastomerbeschichtung, sehr geringe Klebeeigenschaften ausbildet. Dadurch lassen sich die Klebekräfte minimieren und eine höhere Genauigkeit des Öffnungsdrucks und ein optimales Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils kann erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Ventilelement mit einem hülsenförmigen Element verbunden, über das sich die Schließfeder am Ventilelement abstützt. Dabei ist das Ventilelement insbesondere über das hülsenförmige Element und ein Führungs-Element, das insbesondere zur Führung der Schließfeder dient, in Richtung der Längsachse im Gehäuse geführt. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden kann, da die Komplexität des Druckbegrenzungsventils aufgrund einer kleineren Anzahl an Einzelteilen verringert wird. Des weiteren ist nun kein separates Führen des Bauteils Ventilelement in Richtung der Längsachse in einem Gehäuse notwendig, da das hülsenförmige Element, an dem sich die Schließfeder abstützt, bereits durch ein Führungs-Element im Gehäuse geführt wird, wobei das Führungs-Element insbesondere zur Führung der Schließfeder dient und da durch das Verbinden der Bauteile Ventilelement und hülsenförmiges Element das Ventilelement durch das Führungs-Element mitgeführt wird. Durch diese Maßnahme lässt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Druckbegrenzungventils reduzieren und die Lebensdauer erhöhen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Federkraft der Schließfeder, insbesondere bei einer Bewegung des Ventilelements und/oder des hülsenförmigen Elements in Richtung der Längsachse, nicht linear über den Weg bei einem Komprimieren oder Dekomprimieren der Schließfeder. Die Schließfeder weist dabei eine über den Federweg, insbesondere progressiv, veränderliche Federkonstante auf. Die progressiv veränderliche Federkonstante der Schließfeder wird dabei dadurch erzielt, dass der Windungsdurchmesser der Schließfeder verändlich ist und/oder das die Schließfeder aus mindestens zwei Federsegmenten aufgebaut ist, wobei die Federsegmente unterschiedliche Federkonstanten aufweisen. Auf diese Weise wird der Vorteil erzielt, dass die Dichtungs- und Kapselungseigenschaften des Dichtsitzes verbessert werden können, während der Verschleiß der Bauteile Ventilelement, insbesondere der Elastomerbeschichtung, und Dichtsitzplatte, insbesondere des umlaufenden Anschlags und der Dichtsitzkante, reduziert werden können. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass das Druckbegrenzungsventil über einen längeren Zeitraum nicht öffnet. Durch die progressiv veränderliche Federkonstante ist es möglich, dass hohe Kräfte in einem Bereich zur Verfügung stehen, während sich das Druckbegrenzungsventil schließt und sich das Ventilelement der Schließstellung nähert, jedoch noch nicht mit der Dichtsitzplatte in Kontakt steht. Im Bereich der finalen Schließbewegung des Druckbegrenzungsventils und somit der Bewegung des Ventilelements in Richtung der Längsachse zum Kontakt mit der Dichtsitzplatte verringert sich die Federkonstante und somit eine Federkraft. Dadurch wird es ermöglicht dass das Auftreffen der Dichtsitzkante auf die Elastomerbeschichtung sanfter und mit weniger Kraft erfolgt, bis die Dichtsitzkante soweit in die Elastomerbeschichtung hineinbewegt, dass sich der Dichtsitz ausbilden kann und der Anschlag mit dem Ventilelement in Anlage kommt.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich dabei dadurch, dass ein schnelles Schließen des Druckbegrenzungsventils gewährleistet wird, da hier bei der initialen Schließbewegung des Ventilelements eine große Federkraft aufgrund der hohen Federkonstante anliegt. Jedoch wird bei der restlichen Schließbewegung des Ventils und insbesondere dem Auftreffen der Dichtsitzkante auf die Elastomerbeschichtung eine progressive Reduzierung der Kraft der Schließfeder bewirkt, wodurch eine Schädigung des Bauteils Elastomerbeschichtung vermieden werden kann und auch die Schädigung der umliegenden Bauteile durch Impulskräfte verringert wird. Dadurch kann die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden. Zudem kann eine kompaktere Bauweise der Schließfeder erzielt werden , was zu einer Kostenersparnis aufgrund von Materialeinsparungen führt.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Schließfeder und/oder das hülsenförmige Element in Richtung der Längsachse über das Führungs-Element im Gehäuse (7) geführt, wobei das Führungs-Element zwischen der Schließfeder und dem Gehäuse angeordnet ist. Auf diese Weise können drei bewegliche Bauteile, die für die Funktion Öffnen und Schließen des Ventils benötigt werden, durch den Einsatz nur eines Bauteils im Gehäuse geführt werden können. Bei diesen drei beweglichen Bauteilen handelt es sich um die Schließfeder, das hülsenförmige Element und das Ventilelement mit Elastomerbeschichtung. Durch die Anordnung des Führungs-Elements zwischen der Schließfeder und dem Gehäuse wird es ermöglicht, die Schließfeder zu führen, ein Verkippen der Schließfeder beim Öffnen und Schließen des Druckbegrenzungsventils zu Verhindern und eine Vereinfachung und Beschleunigung bei der Montage zu bewirken. Diese vereinfachte und beschleunigte Montage bietet den Vorteil, dass Montagekosten gespart werden können und dass die Fehleranfälligkeit bei der Montage der Schließfeder reduziert werden kann, da aufgrund der Form des Führungs-Elements das Risiko einer falschen Einbringung oder Positionierung der Schließfeder bei der Montage vermieden werden kann.
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Weiterhin lässt sich über die Anordnung des Führungs-Elements außerhalb des Durchströmbereichs des Mediums, insbesondere durch die Verlagerung einer Führung in Richtung der Längsachse außerhalb des Bereichs mindestens einer Durchlass-Öffnung in dem hülsenförmigen Element, eine optimalere Durchströmung des Mediums von einem Zufluss zu einem Abfluss bei geöffnetem Druckbegrenzungsventils erzielen. Des weiteren bietet die erfindungsgemäße Ausprägung den Vorteil, dass die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden kann, da die Komplexität des Ventils aufgrund einer reduzierten Anzahl an Einzelteilen verringert wird.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Gas-Druckbegrenzungsventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich das Gas-Druckbegrenzungsventils in einem geschlossenen Zustand befindet,
- 2 eine schematische Schnittansicht des Gas-Druckbegrenzungsventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich das Gas-Druckbegrenzungsventils in einem geöffneten Zustand befindet,
- 3 eine Schnittansicht eines in 2 mit V bezeichneten umlaufenden Anschlags in vergrößerter Darstellung mit einer Strömungs-Öffnung,
- 4 eine Schnittansicht einer in 1 mit A-A bezeichneten Dichtsitzplatte,
- 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und mindestens einem Gas-Druckbegrenzungsventils von 1.
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Ausführungsform der Erfindung
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Der Darstellung gemäß 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel Druckbegrenzungsventil 1, insbesondere eines Gas-Druckbegrenzungsventil 1, zum Steuern und Ablassen von einem gasförmigem Medium dargestellt.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 ein Gehäuse 7, eine Ventilelement-Baugruppe 17, ein hülsenförmiges Element 13, an dem sich eine Schließfeder 8 abstützt, ein Führungs-Element 9, insbesondere zur Führung der Schließfeder 8 und einen Schließfeder-Abstützung 11. Die Ventilelement-Baugruppe 17 weist zudem eine Dichtsitzplatte 2 und ein Ventilelement 3 auf, wobei das Ventilelement 3 in Richtung einer Längsachse 14 mit dem hülsenförmigen Element 13 in Anlage steht oder in einer alternativen Ausführung mit dem hülsenförmigen Element 13 verbunden ist. Das hülsenförmige Element 13 weist zudem mindestens eine Durchlass-Öffnungen 15 auf, so dass ein Durchströmen des Gases bei geöffneten Gas-Druckbegrenzungsventil 1 in Richtung der Längsachse 14 von einem Zulauf II zu einem Ablauf III ermöglicht wird. Die mehr als eine Durchlass-Öffnungen können dabei umlaufend am hülsenförmigen Element 13 angeordnet sein.
Die Schließfeder 8 kann in einer weiteren möglichen Ausführungsform derart ausgeführt sein, dass die Federkraft nicht linear über den Weg bei einem Komprimieren oder Dekomprimieren der Schließfeder 8 verläuft. Dazu kann die Schließfeder 8 konstruktiv derart ausgeführt sein, dass sich der Windungsdurchmesser der Schließfeder 8 verändert, inbesondere zunimmt und abnimmt, oder dass die Schließfeder 8 mindestens zwei Federsegmenten mit jeweils unterschiedlicher Federkonstante aufweist.
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Weiterhin weist das Ventilelement 3 eine Elastomerbeschichtung 4 auf, wobei die Elastomerbeschichtung 4 auf der in Richtung der Längsachse 14 der Dichtsitzplatte 2 zugewandten Seite des Ventilelements 3 angeordnet ist. Die Dichtsitzplatte 2 ist rotationssymetrisch um die Längsachse 14 ausgeführt und weist einen um die Längsache umlaufenden Anschlag 5 und eine um die Längsachse 14 umlaufende Dichtsitzkante 12 auf. Des Weiteren weist die Dichtsitzplatte 2 eine erste Aussparung 18 auf die mittig an der Dichtsitzplatte 2 entlang der Längsachse 14 verläuft. Die Dichtsitzplatte 2 ist mit dem Gehäuse 7 verbunden.
Eine alternative Ausführungsform des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 ist derart ausgeführt, dass die Dichtsitzplatte 2 die Elastomerbeschichtung 4 auf der dem Ventilelement 3 zugewandten Seite aufweist. In dieser alternativen Ausführungsform weist das Ventilelement 3 eine um die Längsachse 14 umlaufende Dichtsitzkante 12 auf. Auch der Anschlag 5 kann um die Längsachse 14 umlaufend jedoch am Ventilelement 3 angeordnet sein.
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Die umlaufende Dichtsitzkante 12 kann zudem eine Wärmebehandlung erfahren haben und/oder eine Beschichtung aufweisen, wodurch sich auftretende Klebekräfte zwischen der Dichtsitzkante 12 und der Elastomerbeschichtung 4 verringern lassen und zudem die Verschleissfestigkeit der Dichtsitzplatte 2 erhöhen lässt. Diese Klebekräfte treten insbesondere bei niedrigen Temperaturen auf und/oder werden durch niedrige Temperaturen verstärkt.
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Bei dem in 1 dargestellten Gas-Druckbegrenzungventil 1 handelt es sich um ein Ventil 1, das sich in einem geschlossenen Zustand befindet. Dabei steht das Ventilelement 3 mit der Dichtsitzplatte 2 derart in Anlage, dass die umlaufende Dichtsitzkante 12 der Dichtsitzplatte 2 mit der Elastomerbeschichtung 4 des Ventilelements 3 einen Dichtsitz 6 ausbildet. In der oben beschriebenen alternativen Ausführungsform ist die Anordnung vertauscht und die umlaufende Dichtsitzkante 12 des Ventilelements 3 bildet it der Elastomerbeschichtung der Dichtsitzplatte 2 einen Dichtsitz 6 aus. Hierzu dringt die umlaufende Dichtsitzkante 12 der Dichtsitzplatte 2 in Richtung der Längsachse 14 in die elastische Elastomerbeschichtung 4 des Ventilelements 3 ein und bildet somit eine gasdichte Verbindung aus und bewirkt eine Kapselung.
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Der umlaufende Anschlag 5 steht hierbei in Richtung der Längsachse 14 mit einem Bereich des Ventilelements 3 in Anlage, wobei dieser Bereich des Ventilelements 3 radial außerhalb des Bereichs des Ventilelements 3 liegt, der die Elastomerbeschichtung 4 aufweist. Dadurch wird bewirkt, dass ein definierter Abstand zwischen dem Ventilelement 3 und der Dichtsitzplatte 2 eingehalten werden kann und es wird verhindert, dass die Dichtsitzkante 12 weiter in die Elastomerbeschichtung 4 eindringt, wodurch eine Beschädigung der Elastomerbeschichtung 4 bewirkt werden würde.
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Eine Ausführungsform der Elastomerbeschichtung 4 kann derart ausgeführt sein, dass die Elastomerbeschichtung 4 aus mehreren Schichten besteht und dabei die Schichtung in Richtung der Längsachse 14 verläuft. Dadurch kann die Dichtheit des Dichtsitzes 6 zwischen dem Bauteil Ventilelement 3 und Dichtsitzplatte 2 verbessert werden, während die Klebekräfte am Dichtsitz verringert werden können
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In 2 wird das Gas-Druckbegrenzungsventils 1 dargestellt, wobei sich das Gas-Druckbegrenzungsventil hierbei in einem geöffneten Zustand befindet. Bezugnehmend auf 1 wird im Folgenden beschrieben, wie der Öffnungsvorgang des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 abläuft. Wie aus 2 ersichtlich, weist die Dichtsitzplatte 2 die erste Aussparung 18 auf, durch welche ein gasförmiges Medium aus einem hier nicht dargestellten Tank 27 (siehe 4) und/oder einer Ejektoreinheit 10 (siehe 4) unter Druck in Richtung eines Pfeils II zugeführt wird, wobei es sich hierbei um den Zulauf II handelt. Die Dichtsitzplatte 2 weist hierbei die erste Aussparung 18 auf, durch die das einströmende Medium bis in den Bereich vordringt, in dem die Dichtsitzkante 12 der Dichtsitzplatte 2 mit der Elastomerbeschichtung 4 des Ventilemenents 3 den Dichtsitz 6 ausbildet, wie in 1 gezeigt. Dabei baut sich am Ventilelement 3 auf der dem Zulauf II zugewandten Seite, insbesondere in dem Bereich, der die Elastomerbeschichtung 4 aufweist, ein Druck auf, der dem Druck einer Verbindungsleitung 25 (siehe 5) oder dem Druck einer Zuströmleitung 28 (siehe 5) entspricht, je nach Anordnung des Gas-Druckbegrenzungsventils 1.
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Somit wirkt eine veränderliche Kraft auf das Ventilelement 3 in Richtung der Längsachse 14, die aufgrund des anliegenden Drucks des Mediums auf die Oberfläche der Ventilelements 3, insbesondere der Elastomerbeschichtung 4, im Bereich der ersten Aussparung 18 wirkt. Die Kraft aufgrund des anliegenden Drucks wirkt somit auf das Ventilelement 3 in Richtung der Längsachse 14 und drückt das Ventilelement 3 bei einem Überschreiten eines bestimmten Druckes von der Dichtsitzplatte 2 weg.
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Das Ventilelement 3 ist in Richtung der Längsachse 14 beweglich, wobei es radial in Richtung der Längsachse 14 bei einer Verbindung mit dem hülsenförmigen Element 13 durch das Führungs-Element 9 geführt ist, wodurch eine Bewegung des Ventilelements 3 radial zur Längsachse 14 verhindert werden kann. Bei einem Überschreiten eines bestimmten Druckniveaus auf der Seite des Zulaufs II bewegt sich das Ventilelement 3 in Richtung der Längsachse 14 von der Dichtsitzplatte weg, indem es die Kraft über das hülsenförmige Element 13 auf die Schließfeder 8 überträgt. Da die Schließfeder 8 auf der dem hülsenförmigen Element 13 gegenüberliegenden Seite mit dem Schließfeder-Abstützung 11 in Anlage steht, verkürzt sich die Schließfeder 8 aufgrund Ihrer Federkonstante bei einem Überschreiten einer bestimmten Kraft, die durch den Druck auf das Ventilelement 3 über das hülsenförmige Element 13 auf die Schließfeder 8 übertragen wird, und die Schließfeder 8 wird somit in Richtung der Längsachse 14 zusammengedrückt. Das Führungs-Element 9 kann dabei die Schließfeder 8 und/oder das hülsenförmige Element 13 im Gehäuse 7 führen.
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Durch das Wegbewegen des Ventilelements 3 in Richtung der Längsachse 14 von der Dichtsitzplatte 2 weg wird der Dichtsitz 6 aufgehoben, wodurch das Medium vom Zulauf II in Richtung der Pfeile IV durch das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 zum Ablauf III strömen kann. Das Medium kann hierbei durch die mindestens eine Durchlass-Öffnung 15 des hülsenförmigen Elements 13 strömen.
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Sobald ein Teil des Mediums über den Abfluss aus dem System abgeführt ist, kann sich der Systemdruck in der Verbindungsleitung 25 (siehe 5) oder der Zuströmleitung 28 (siehe 5) wieder normalisieren und/oder absenken , wodurch sich die aufgrund des Drucks wirkende Kraft auf das Ventilelement 3 verringert. Die in Richtung der Längsachse 14 wirkende Kraft, insbesondere die Federkraft der Schließfeder 8, drückt dabei das Ventilelement 3 wieder in Richtung der Dichtsitzplatte 2 bis sich die Dichtsitzkante 12 wieder in die Elastomerbeschichtung 4 hineinbewegt und der Dichtsitz 6 ausgebildet wird. In der Endstellung des Ventilelements 3, insbesondere wenn das Ventilelement 3 mit dem umlaufenden Anschlag 5 in Anlage kommt, ist das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 wieder geschlossen.
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In 3 ist eine Schnittansicht des in 2 mit V bezeichneten umlaufenden Anschlags 5 der Dichtsitzplatte 2 in vergrößerter Darstellung dargestellt. Der umlaufende Anschlag 5 weist dabei eine Strömungs-Öffnung 16 auf, durch die ein im Gas-Druckbegrenzungsventil 1 befindliches Medium abfließen kann. Ohne die Strömungs-Öffnung 16 würde bei einem geschlossenen Zustand des Gas-Druckbegrenzungsventil 1 ein gekapselter Raum zwischen dem umlaufenden Anschlag 5, der umlaufenden Dichtsitzkante 12, der Dichtsitzplatte 2 und dem Ventilelement 3 enstehen. Ein derart gekapselter Raum kann das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 schädigen, insbesondere beim Vorgang des Öffnens und des Schließens des Gas-Druckbegrenzungsventils 1. Eine weitere Ausführungsform der Strömungsöffnung kann dabei derart ausgeformt sein, dass der Strömungswiderstand gegenüber dem abfließenden Medium reduziert wird, indem man beispielsweise die Kanten der Strömungs-Öffnung 16 gerundet und/oder strömungsoptimiert ausformt.
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4 zeigt eine Schnittansicht der in 1 mit A-A bezeichneten Dichtsitzplatte 2 in einer Draufsicht in Richtung der Längsachse 14. Hierbei ist gezeigt, dass eine Kapselung des Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag 5 und der umlaufenden Dichtsitzkante 12 bei geschlossenem Gas-Druckbegrenzungsventil 1 vermieden werden kann. Dies wird dadurch erzielt, dass der umlaufende Anschlag 5 die mindestens eine, insbesondere radial zur Längsachse 14 verlaufende, Strömungs-Öffnung 16 aufweist. In der 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 dargestellt, bei dem der umlaufende Anschlag 5 vier Strömungs-Öffnungen 16 aufweist. Des weiteren ist in 4 das Gehäuse 7 dargestellt, sowie die umlaufende Dichtsitzkante 12.
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Wie aus 5 ersichtlich, ist die Ejektoreinheit 10 über die Verbindungsleitung 25 mit einer Brennstoffzelle 30 verbunden, die einen Anodenbereich 31 und einen Kathodenbereich 32 umfasst. Das in den vorherigen Figuren beschriebene Gas-Druckbegrenzungsventil 1a kann in einer Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung an der Verbindungsleitung 25 angeordnet sein, insbesondere zwischen der Ejektoreinheit 10 und der Brennstoffzelle 30. Zudem ist eine Rückführleitung 26 vorgesehen, die den Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 mit einem Ansaugbereich 22 der Ejektoreinheit 10 verbindet. Mittels der Rückführleitung 26 kann das im Anodenbereich 31 beim Betrieb der Brennstoffzelle 30 entstehende zweite gasförmige Medium, das im Wesentlichen ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf ist, zum Ansaugbereich 22 zurückgeführt werden.
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Wie aus 7 weiter ersichtlich, wird das im Tank 27 gespeicherte erste gasförmige Medium über die Zuströmleitung 28 einem Zuströmbereich 21 der Ejektoreinheit 10 zugeführt. Das in den vorherigen Figuren beschrieben Gas-Druckbegrenzungsventil 1b kann in einer Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung an der Zuströmleitung 28 angeordnet sein, insbesondere zwischen einem ersten Absperrventil 24 und einem zweiten Absperrventil 19. Zwischen dem Gas-Druckbegrenzungsventil 1 und dem Tank 27 ist zudem das erste Absperrventil 24 und zwischen dem Gas-Druckbegrenzungsventil 1b und der Ejektoreinheit 10 das zweites Absperrventil 19 angeordnet. Die Absperrventile 24, 19 sind dazu vorgesehen, um ggf. den Zustrom des ersten gasförmigen Mediums aus dem Tank 27 zum Gas-Druckbegrenzungsventil 1b bzw. den Zustrom weiter zur Ejektoreinheit 10 zu unterbrechen. Ferner befindet sich in der Rückführleitung 26 eine Verzweigung 36 mit einem dritten Absperrventil 46. Durch dieses dritte Absperrventil 46 lässt sich das in der Rückführleitung 26 befindliche zweite gasförmige Medium nach außen ablassen.
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Die Anordnung der Gas-Druckbegrenzungsventile 1 a,b bietet den Vorteil, dass die Verbindungsleitung 25 und die Zuströmleitung 28 vor einem zu hohen Druck geschützt sind, da bei einem Überschreiten eines festgelegten Druckniveaus das jeweilige Gas-Druckbegrenzungsventil 1 a,b öffnet und den Systemdruck reduziert. Dadurch lassen sich die Bauteile Brennstoffzelle 30, insbesondere Membran der Brennstoffzelle 30, und des Bauteils Ejektoreinheit 10 vor einer Schädigung schützen, da beide Bauteile extrem anfällig auf zu hohen Druck reagieren.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013204563 A1 [0003, 0004]
