DE102017209906A1

DE102017209906A1 - Gas-Druckbegrenzungsventil mit Ringspaltsitz zum Steuern und Ablassen von einem gasförmigen Medium

Info

Publication number: DE102017209906A1
Application number: DE102017209906.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2018-12-13
Also published as: JP6872643B2; JP2020523532A; WO2018228740A1; CN110741151A; CN110741151B

Abstract

Gas-Druckbegrenzungsventil (1) zum Steuern von einem gasförmigem Medium, insbesondere von Wasserstoff, mit einem Gehäuse (7) und einer Ventilelement-Baugruppe (17), wobei die Ventilelement-Baugruppe (17) ein in Richtung einer Längsachse (14) öffnendes und schließendes und somit bewegliches Ventilelement (3) aufweist, wobei die Ventilelement-Baugruppe (17) eine Dichtsitzplatte (2) aufweist, wobei die Dichtsitzplatte (2) eine um die Längsachse (14) umlaufende Dichtsitzkante (12) aufweist, die in geschlossenem Zustand des Ventils (1) mit dem Ventilelement (3) einen Dichtsitz ausbildet.
Erfindungsgemäß ist die Dichtsitzplatte (2) derart ausgebildet ist, dass diese einen zentralen Bereich (20) aufweist, der über mindestens einen Verbindungs-Steg (29) mit der Dichtsitzplatte (2) verbunden ist, wobei die Dichtsitzplatte (2) einen ringförmigen Strömungsdurchtritt (23) ausbildet, der in Richtung der Längsachse (14) verläuft, und wobei die Dichtsitzplatte (2) oder das Ventilelement (3) mindestens zwei umlaufende Dichtsitzkanten (12a, 12b) aufweist, die in geschlossenem Zustand des Ventils (1) mit dem Ventilelement (3) oder der Dichtsitzplatte (2) mindestens zwei Dichtsitze (6a, 6b) ausbilden.

Description

Stand der Technik
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.
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.
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 dass Medium so lange aus dem jeweiligen Leitungssystem entweichen, bis der Systemdruck wieder unter dem kritischen Druck liegt.
Das aus der DE 10 2013 204 563 A1 bekannte Druckbegrenzungsventil kann gewisse Nachteile aufweisen.
Bei einem nur leicht geöffneten Druckbegrenzungsventil und einem daraus resultierenden geringen Öffnungshub wird nur ein vergleichsweise geringer Stömungsquerschnitt ausgebildet, was zu einem geringen Durchfluss des Mediums führt. Dies hat zur Folge, dass bei einem Öffnen des Druchbegrenzungsventils, insbesondere in der Anfangsphase des Öffnens, nur wenig des Mediums abfließen kann und somit ein Druckabbau im Systems einen hohen Zeitaufwand in Anspruch nimmt.
Ein weiterer Nachteil des aus der DE 10 2013 204 563 A1 bekannten Druckbegrenzungsventils ist der, bei einem Schließvorgang des Druckbegrenzungsventils die geschlossene Endlage dadurch erzielt wird, 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.
Offenbarung der Erfindung
Bezugnehmend auf Anspruch 1 wird ein Druckbegrenzungsventil, insbesondere für ein Brennstoffzellen-System, vorgeschlagen, bei dem eine Dichtsitzplatte derart ausgebildet ist, dass diese einen zentralen Bereich aufweist, der über mindestens einen Verbindungs-Steg mit der Dichtsitzplatte verbunden ist, wobei die Dichtsitzplatte einen ringförmigen Strömungsdurchtritt ausbildet, der in Richtung einer Längsachse verläuft, und wobei die Dichtsitzplatte oder ein Ventilelement mindestens zwei umlaufende Dichtsitzkanten aufweist, die in geschlossenem Zustand des Ventils mit dem Ventilelement oder der Dichtsitzplatte mindestens zwei Dichtsitze ausbilden. Auf diese Weise bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils den Vorteil, dass bei einem geringen Öffnungshub des Ventilelements bereits ein großer Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Dadurch lässt sich ein schnelles Ansprechverhalten mit einem hohen Durchfluss des Mediums erzielen, wodurch ein auftretender Systemüberdruck schneller abgebaut werden kann, da schon bei einem noch nicht vollständig geöffneten Druckbegrenzungsventil ein hoher Durchfluß erzielt werden kann. Dies führt zu einer höheren Lebensdauer einer Brennstoffzellenanordnung, da ein auftretender Systemüberdruck schneller abgebaut werden kann und das Brennstoffzellensystem dadurch über einen kurzen Zeitraum einem Überdruck ausgesetzt ist, der die Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere eine Brennstoffzelle, schädigen kann.
Durch das schnelle Ansprechverhalten und den schon hohen Durchfluss bei einem geringen Öffnungshub des Druckbegrenzungsventils aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß Anspruch 1 führt zudem dazu, dass ein kritisches Überschwingen über den eingestellten Ansprechdruck vermieden werden kann und somit die Lebensdauer der Brennstoffzellenanordnung erhöht wird.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist entweder das Ventilelement oder die Dichtsitzplatte eine Elastomerbeschichtung auf, wobei die Elastomerbeschichtung in geschlossenem Zustand des Ventils mit mindestens zwei umlaufende Dichtsitzkanten entweder der Dichtsitzplatte oder des Ventilelments die mindestens zwei Dichtsitze ausbildet. Dabei weisen jeweils die Dichtsitzplatte oder das Ventilement einen umlaufenden Anschlag auf und durch den umlaufenden Anschlag wird die Eindringtiefe der mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten in die Elastomerbeschichtung in Richtung der Längsachse begrenzt. Auf diese Weise kann ein zuverlässiges Abdichten des Mittel- und/oder Niederdruckleitungssystem bewirkt und zudem der 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.
Durch den Einsatz des Anschlags wird ein zu tiefes Eindringen der mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten in die Elastomerbeschichtung verhindert, wodurch die Kontaktfläche des jeweiligen Dichtsitzes zwischen den Bauteilen Dichtsitzplatte und Ventilelement zur Ausbildung kleiner ausgebildet werden kann. Dadurch wird die Belastung der Elastomerbeschichtung durch das Eindringen der mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten und eine damit einhergehende Verformung der Elastomerbeschichtung verringert und somit die Lebensdauer der Elastomerbeschichtung und somit des gesamten Druckbegrenzungsventils erhöht. Des weiteren werden durch die vorteilhaften Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils die Klebekräfte zwischen den Dichtsitzen 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.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner der umlaufende Anschlag derart angeordnet, dass dieser bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil nicht mit der Elastomerbeschichtung des Ventilelements oder der Dichtsitzplatte in Kontakt steht, indem das Ventilelement oder die Dichtsitzplatte radial außerhalb des Bereichs, der die Elastomerbeschichtung aufweist, mit dem Anschlag in Kontakt steht. Dies bietet den Vorteil, dass der umlaufende Anschlag der Dichtsitzplatte oder der Dichtsitzplatte nicht mit der elastischen Elastomerbeschichtung des jeweiligen Kontaktpartners in Kontakt steht, sondern mit einem nicht-elastischen Bereich des Ventilelements in Kontakt steht. Somit ist sichergestellt, dass 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. Weiterhin 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 den Dichtsitzen und der Elastomerbeschichtung verringert, wodurch sich eine höhere Genauigkeit des Öffnungsdrucks und ein optimales Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils erzielen lässt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die Elastomerbeschichtung aus mehreren Schichten, wobei die Schichten unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen, und die Schichtung in Richtung der Längsachse erfolgt. Auf diese Weise kann ein verbesserter Dichtsitz zwischen den Bauteilen 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 oder dem Ventilelement zugewandten Seite der Elastomerbeschichtung des jeweiligen Kontaktpartners 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 oder des Ventilelements, insbesondere der mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten, 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, beispielweise in eine weitere dritte Schicht der Elastomerbeschichtung, 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 Tiefe in Richtung der Längsachse, verbessern während die guten Dichtigkeitseigenschaften und Kapselungseigenschaften erhalten bleiben.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist der umlaufende Anschlag der Dichtsitzplatte oder des Ventilelements mindestens eine Strömungs-Öffnung auf, wobei die mindestens eine Strömungs-Öffnung insbesondere radial zur Längsachse verläuft, wodurch eine Kapselung eines abgeschlossenen Volumens des gasförmigen Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag und der umlaufenden Dichtsitzkante verhindert wird. Auf diese Weise kann 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 wird ein Austausch des Medium im gekapselten Bereich mit dem Medium im Bereich des Zulaufs und/oder Ablaufs verhindert. Der gekapselte Raum ensteht dabei insbesondere zwischen der umlaufenden Dichsitzkante und dem umlaufenden Anschlag der Dichsitzplatte und dem Ventilelement.
Gemäß der besonders vorteilhaften Weiterbildung des Druckbegrenzungsventils ist dabei vorgesehen, dass der umlaufende Anschlag mindestens eine, insbesondere radial zur Längsachse verlaufende, Strömungs-Öffnung aufweist. Durch diese mindestens eine Strömungs-Öffnung im umlaufenden Anschlag kann das Medium auch in geschlossenem Zustand des Druckbegrenzungsventils aus dem gekapselten Bereich entweichen, 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. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Druckbegrenzungsventils verringert und somit die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden kann.
Weiterhin hat die Ausführung des Druckbegrenzungsventils gemäß der besonders vorteilhaften Weiterbildung den Vorteil, 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.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung haben die mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten der Dichtsitzplatte oder des Ventilelements eine Wärmebehandlung erfahren und/oder weisen eine Beschichtung auf, insbesondere in dem Bereich, in dem die mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten mit der Elastomerbeschichtung der Dichtsitzplatte oder des Ventilelements in Kontakt stehen und die mindestens zwei Dichtsitze ausbilden. Auf diese Weise kann eine Verringerung der Klebekräfte zwischen der umlaufenden Dichtsitzkante der Dichtsitzplatte und der Elastomerbeschichtung des Ventilelements erzielt werden. Dieser Vorteil wird dadurch ermöglicht, dass die mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten, insbesondere in dem Bereich, in dem die Dichtsitzkanten mit der Elastomerbeschichtung in Kontakt stehen, wärmebehandlet wurden und/oder eine Beschichtung aufweisen. Durch die Wärmebehandlung lassen sich Klebekräfte dadurch verringern, dass sich zum einen die Oberflächengröße der Dichsitzkanten, die in einem nicht wärmebehandelten Zustand kleine Unebenheiten und Verschmutzungen aufweisen können, verringern lassen. Zum anderen können durch eine Wärmebehandlung der Dichtsitzkanten dahingehend die jeweiligen Materialeigenschaften dahingehend verändert werden, dass ein höherer Härtegrad der Oberfläche erreicht wird, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines möglichen Klebeeffekts zwischen den Dichtsitzkanten und der Elastomerbeschichtung reduziert wird.
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 Dichtsitzkanten eine höhere Verschleissfestigkeit und somit eine höhere Lebensdauer des Bauteils Dichtsitzplatte oder des Bauteils Ventilelement erzielen. Durch die Beschichtung der umlaufenden Dichtsitzkanten lassen sich Klebekräfte dadurch verringern, dass sich zum einen die Oberflächengröße des jeweiligen Bereichs der Dichtsitzkanten, 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 aufweist. Dadurch lassen sich die Klebekräfte minimieren und eine höhere Genauigkeit des Öffnungsdrucks und ein optimales Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils kann erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ventilelement mit einem hülsenförmigen Element verbunden, über das sich die Schließfeder am Ventilelement abstützt, und dass das Ventilelement insbesondere über das hülsenförmige Element und ein Führungs-Element, das insbesondere zur Führung der Schließfeder dient, in Richtung der Längsachse in einem Gehäuse geführt wird. 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 dem Gehäuse notwendig, da das hülsenförmige Element, an dem sich die Schließfeder abstützt, bereits durch das Führungs-Element im Gehäuse geführt wird. Dabei dient das Führungs-Element zum einen zur Führung der Schließfeder und zum anderen zur mittelbaren Führung des Ventilelements über das hülsenförmige Element. Durch diese Maßnahme lässt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Druckbegrenzungventils reduzieren und die Lebensdauer erhöhen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Druckbegrenzungsventil derart ausgeführt, dass die Federkraft der Schließfeder, insbesondere bei einer Bewegung des Ventilelements und/oder des hülsenförmigen Element in Richtung der Längsachse, nicht linear über den Weg einer Komprimierung oder Dekomprimierung der Schließfeder verläuft, sondern dass insbesondere die Schließfeder eine über den Federweg progressiv veränderliche Federkonstante aufweist. Zudem wird dabei die progressiv veränderliche Federkonstante der Schließfeder dadurch erzielt, dass der Windungsdurchmesser der Schließfeder verändlich über deren Länge in Richtung der Längsachse ist und/oder das die Schließfeder aus mindestens zwei Federsegmenten aufgebaut ist, wobei die Federsegmente unterschiedliche Federkonstanten aufweisen. Auf diese Weise können die Dichtungs- und Kapselungseigenschaften des Dichtsitzes verbessert werden während der Verschleiß der Bauteile Ventilelement und/oder Dichtsitzplatte, insbesondere der Elastomerbeschichtung, des umlaufenden Anschlags und der umlaufenden mindestens zwei Dichtsitzkanten, reduziert werden. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass das Druckbegrenzungsventil über einen längeren Zeitraum geschlossen und somit der Dichtsitz ausgebildet bleibt. Durch die progressiv veränderliche Federkonstante ist es möglich, dass hohe Kräfte in dem Bereich desSchließbewegungswegs in Richtung der Längsachse des Ventils zur Verfügung stehen, während sich das Ventilelement aus einer vollständig geöffneten Position, bei der insbesondere die Schließfeder eine maximale Kompression unterliegt, beginnt zu schließen. Während sich sich das Ventilelement der Schließstellung und somit einem Kontakt mit der Dichtsitzplatte in Richtung der Längsachse nähert, jedoch noch nicht mit der Dichtsitzplatte in Kontakt steht, nimmt die Federkraft mit dem zurückgelegten Weg des Ventilelements in Richtung der Längsachse weiter ab. 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 die Federkraft. Dadurch wird es ermöglicht dass das Auftreffen der mindestens zwei Dichtsitzkanten auf die Elastomerbeschichtung sanfter und mit weniger Kraft erfolgt, bis sich die mindestens zwei Dichtsitzkanten soweit in die Elastomerbeschichtung hineinbewegen, dass sich die Dichtsitze ausbilden können und der Anschlag mit dem Ventilelement in Anlage kommt.
Dadurch bietet diese vorteilhaften Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils den Vorteil 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 mindestens zwei umlaufenden 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. Ein weiterer Vorteil ergibt sich gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung, wobei eine kompaktere Bauweise der Schließfeder erzielt werden kann, was zu einer Kostenersparnis aufgrund von Materialeinsparungen führt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die Schließfeder und/oder das hülsenförmige Element in Richtung der Längsachse über das Führungs-Element im Gehäuse geführt, wobei das Führungs-Element zwischen der Schließfeder und dem Gehäuse angeordnet ist. Auf diese Weise können die drei beweglichen Bauteile, die für die Funktion Öffnen und Schließen des Ventils benötigt werden, durch den Einsatz nur eines Bauteils im Gehäuse geführt werden. 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 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.
Weiterhin lässt sich durch 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 kann die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden, da die Komplexität des Ventils aufgrund einer reduzierten Anzahl an Einzelteilen verringert wird.
Figurenliste
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.

Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 eine schematische Schnittansicht eines Druckbegrenzungsventil 1, insbesondere eines Gas-Druckbegrenzungsventils 1, zum Steuern und Ablassen von einem Medium, insbesondere einem gasförmigen Medium, gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels gezeigt. Das gezeigte Druckbegrenzungsventil 1 dient hierbei zur Steuerung und ab einem bestimmten Druckbereich zum Ablassen von einem Medium, insbesondere gasförmiger Wasserstoff, welcher einer Brennstoffzelle 30 in einem Fahrzeug zugeführt wird.
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 einer 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 Mediums bei geöffneten Gas-Druckbegrenzungsventil 1 in Richtung der Längsachse 14 von einem Zulauf II zu einem Ablauf III ermöglicht wird. Die mindestens zwei Durchlass-Öffnungen 15 können dabei umlaufend am hülsenförmigen Element 13 angeordnet sein.
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. Zudem kann das Ventilelement 3 eine Aussparung 34 aufweisen, durch die das gasförmige Medium bei geöffnetem Gas-Druckbegrenzungsventil 1 vom Bereich des Zulaufs II zum Bereich des Ablaufs III, insbesondere zusätzlich zur mindestens einen Durchlass-Öffnung, durch das Druckbegrenzungsventil 1 hindurchströmen kann.
Die Dichtsitzplatte 2 ist rotationssymetrisch um die Längsachse 14 ausgeführt und weist einen zentralen Bereich 20 auf der über mindestens einen radial zur Längsachse 14 verlaufenden Verbindungs-Steg 29 mit der Dichtsitzplatte 2 verbunden ist und wobei die Dichtsitzplatte 2 einen ringförmigen Strömungsdurchtritt 23 ausbildet, der zwischen dem zentralen Bereich 20 und der Dichtsitzplatte 2 verläuft. Der Strömungsdurchtritt 23 verläuft dabei ringförmig in Richtung der Längsachse 14 durch die gesamte Dichtsitzplatte 2 und trennt somit die Dichtsitzplatte 2 und den zentralen Bereich 20, wobei der zentrale Bereich 20 über mindestens einen Verbindungs-Steg 29 mit der Dichtsitzplatte 2 verbunden ist. Zudem kann das einströmende Medium aus der Richtung des Zulaufs II kommend durch den ringförmigen Strömungsdurchtritt 23 in den Bereich vordringen, in dem mindestens zwei umlaufende Dichtsitzkanten 12a, 12b der Dichtsitzplatte 2 mit der Elastomerbeschichtung 4 des Ventilemenents 3 zwei Dichtsitze 6a, 6b ausbilden, wie in 1 gezeigt. Hierbei ist die umlaufende Dichtsitzkante 12b zum einen konzentrisch um die Längsachse 14 am zentralen Bereich 20 auf der dem Ventilelement 3 zugewandten Seite angeordnet. Zum anderen ist die umlaufende Dichtsitzkante 12b auf der dem ringförmigen Strömungsdurchtritt 23 zugewandten Außendurchmesser-Seite der dem Ventilement 3 zugewandten Seite des zentralen Bereichs 20 angeordnet. Die umlaufende Dichtsitzkante 12a ist an der Dichtsitzplatte 2 auf der dem Ventilelement 3 zugewandten Seite angeordnet, wobei sich die umlaufende Dichtsitzkante 12a jeweils auf der dem ringförmigen Strömungsdurchtritt 23 zugewandten Innendurchmesser-Seite der dem Ventilement 3 zugewandten Seite der Dichtsitzplatte 3 befinden. 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.
Weiterhin weist die Dichtsitzplatte 2 einen umlaufenden Anschlag 5 auf, wobei der Anschlag 5 hierbei in Richtung der Längsachse 14 mit einem Bereich des Ventilelements 3 in Anlage steht, wobei insbesondere 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 Dichtsitzkanten 12a, 12b weiter in die Elastomerbeschichtung 4 eindringen, was eine Beschädigung der Elastomerbeschichtung 4 bewirken würde. Die Elastomerbeschichtung 4 erstreckt sich nur zum Teil über die der Dichtsitzplatte 2 zugewandten Fläche des Ventilelements 3, wobei ein Teil der Oberfläche nicht mit der Elastomerbeschichtung 4 versehen ist, insbesondere der Teil der Oberfläche des Ventilelement 3, der mit dem Anschlag 5 der Dichtsitzplatte 2 in Kontakt steht.
Die umlaufenden Dichtsitzkanten 12a, 12b können zudem eine Wärmebehandlung erfahren haben und/oder eine Beschichtung aufweisen, wodurch sich auftretende Klebekräfte zwischen den Dichtsitzkanten 12a, 12b und der Elastomerbeschichtung 4 verringern lassen und zudem die Verschleissfestigkeit der Dichtsitzplatte 2 und oder des Ventilelements 3 erhöhen lässt. Diese Klebekräfte treten insbesondere bei niedrigen Temperaturen auf und/oder werden durch niedrige Temperaturen verstärkt.
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 der Dichtsitze 6a, 6b zwischen dem Bauteil Ventilelement 3 und Dichtsitzplatte 2 verbessert werden, während die Klebekräfte an den Dichtsitzen 6a, 6b verringert werden können
Eine alternative Ausführungsform des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel 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 zwei um die Längsachse 14 umlaufende Dichtsitzkante 12a, 12b auf. Auch der Anschlag 5 kann um die Längsachse 14 umlaufend jedoch am Ventilelement 3 angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 kann die Schließfeder 8 eine progressiv veränderliche Federkonstante aufweisen, was zu einer optimierten Schließcharakteristik des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 führt. 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 den ringförmigen Strömungsdurchtritt 23 auf, durch welche ein gasförmiges Medium aus einem hier nicht dargestellten Tank 27 (siehe 5) und/oder einer Ejektoreinheit 10 (siehe 5) unter Druck in Richtung eines Pfeils II zugeführt wird, wobei es sich hierbei um den Zulauf II handelt. Die Dichtsitzplatte 2 weist hierbei die den ringförmigen Strömungsdurchtritt 23 auf, durch den das einströmende Medium bis in den Bereich vordringt, in dem die Dichtsitzkanten 12a, 12b der Dichtsitzplatte 2 mit der Elastomerbeschichtung 4 des Ventilemenents 3 die Dichtsitze 6a, 6b 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 der Verbindungsleitung 25 (siehe 4) oder dem Druck der Zuströmleitung 28 (siehe 4) entspricht, je nach Anordnung des Gas-Druckbegrenzungsventils 1.
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 des ringförmigen Strömungsdurchtritts 23 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.
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 2 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 der Schließfeder-Abstützung 11 in Anlage steht, wird die Schließfeder 8 in Richtung der Längsachse 14 zusammengedrückt, insbesondere aufgrund Ihrer Federkonstante bei einem Überschreiten einer bestimmten Kraft. Dies geschieht aufgrund des Drucks durch das Medium auf der Seite des Zulaufs II, der auf die Oberfläche des Ventilelements 3 wirkt und in einer in Richtung der Längsachse 14 zum Ablauf III gerichteten Kraft resultiert. Dies Kraft wird über das Ventilelement 3 auf das hülsenförmige Element 13 übetragen und von dort weiter auf die Schließfeder 8 übertragen. Beim überschreiten einer Kraft, die insbesondere der Federkraft der Schließfeder 8 entspricht, wird die Schließfeder 8 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.
Durch das Wegbewegen des Ventilelements 3 in Richtung der Längsachse 14 von der Dichtsitzplatte 2 weg werden die Dichtsitze 6a, 6b 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 mittels zwei unterschiedlicher Pfade zum Ablauf III gelangen. Zum einen kann das Medium an der umlaufenden Dichtsitzkante 12a und dem Anschlag 5 vorbei und durch die mindestens eine Durchlass-Öffnung 15 des hülsenförmigen Elements 13 strömen. Zum anderen kann das Medium an der Dichtsitzkante 12b vorbei und durch die Aussparung 34 des Ventilelements 3 strömen.
Sobald ein Teil des Mediums über den Ablauf III 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 mindestens zwei Dichtsitzkanten 12a, 12b wieder in die Elastomerbeschichtung 4 hineinbewegen und die mindestens zwei Dichtsitze 6a, 6b ausgebildet werden. 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.
Die Schließfeder 8 kann in einer weiteren möglichen Ausführungsform derart ausgebildet 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. Bei dieser Ausgestaltung stehen die mindestens zwei Dichtsitzkanten 12a, 12b mit der Elastomerbeschichtung 8 des Ventilelements 3 oder der Dichtsitzplatte 2 in Kontakt und dringen nur bis zu einer gewissen Tiefe in die Elastomerbeschichtung 8 in Richtung der Längsachse 14 ein, um die mindestens zwei Dichtsitze 6a, 6b auszubilden, ohne die Elastomerbeschichtung durch zu tiefes Eindringen zu schädigen. Die Elastomerbeschichtung 8 ist hierzu entweder an der der Dichtsitzplatte 2 zugewandten Stirnfläche des Ventilelements 3 angeordnet oder an dem Ventilelement 3 zugewandten Stirnfläche der Dichtsitzplatte 2 angeordnet.
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 12a, 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 Strömungs-Öffnung 16 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.
4 zeigt eine Schnittansicht der in 1 mit A-A bezeichneten Dichtsitzplatte 2 in einer Draufsicht in Richtung der Längsachse 14. Des weiteren ist gezeigt, dass die Dichtsitzplatte 2 den zentralen Bereich 20 aufweist, der über mindestens einen Verbindungs-Steg 29 mit der Dichtsitzplatte 2 (nicht gezeigt) verbunden ist. Zudem ist der ringförmigen Strömungsdurchtritt 23 gezeigt sowie mindestens zwei Dichtsitzkanten 12a, 12b, wobei die Dichtsitzkanten 12a, 12b insbesondere umlaufend um die Längsachse 14 (siehe 1) angeordnet sind. Des weiteren ist das Gehäuse 7 und der umlaufende Anschlag 5 gezeigt. In der 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 dargestellt, bei dem der umlaufende Anschlag 5 vier Strömungs-Öffnungen 16 aufweist.
In 5 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Brennstoffzellen-Systems 33 dargestellt, das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 und weitere Bauteile aufweist, wobei insbesondere eine Anodenseite des Brennstoffzellen-Systems 33 dargestellt ist. In 5 ist ersichtlich, dass die Ejektoreinheit 10 über die Verbindungsleitung 25 mit der Brennstoffzelle 30 verbunden ist, wobei die Brennstoffzelle 30 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 insbesondere ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf sein kann, zum Ansaugbereich 22 zurückgeführt.
Wie aus 5 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. 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.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013204563 A1 [0003, 0004, 0006]

Claims

Gas-Druckbegrenzungsventil (1) zum Steuern von einem gasförmigem Medium, insbesondere von Wasserstoff, mit einem Gehäuse (7) und einer Ventilelement-Baugruppe (17), wobei die Ventilelement-Baugruppe (17) ein in Richtung einer Längsachse (14) öffnendes und schließendes und somit bewegliches Ventilelement (3) aufweist und eine unbewegliche Dichtsitzplatte (2), wobei entweder die Dichtsitzplatte (2) oder das Ventilement (3) eine um die Längsachse (14) umlaufende Dichtsitzkante (12) aufweist, die in geschlossenem Zustand des Ventils (1) mit dem jeweiligen anderen Bauteil einen Dichtsitz (6) ausbildet, mit einer Schließfeder (8), die in Richtung der Längsachse (14) im Gehäuse (7) angeordnet ist und wobei sich die Schließfeder (8) auf einer Seite in Richtung der Längsache (14) an einer Schließfeder-Abstützung (11) abstützt und auf der gegenüberliegenden Seite zumindest mittelbar am Ventilelement (3) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtsitzplatte (2) derart ausgebildet ist, dass diese einen zentralen Bereich (20) aufweist, der über mindestens einen Verbindungs-Steg (29) mit der Dichtsitzplatte (2) verbunden ist, wobei die Dichtsitzplatte (2) einen ringförmigen Strömungsdurchtritt (23) ausbildet, der in Richtung der Längsachse (14) verläuft, und wobei die Dichtsitzplatte (2) oder das Ventilelement (3) mindestens zwei umlaufende Dichtsitzkanten (12a, 12b) aufweist, die in geschlossenem Zustand des Ventils (1) mit dem Ventilelement (3) oder der Dichtsitzplatte (2) mindestens zwei Dichtsitze (6a, 6b) ausbilden.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entweder das Ventilelement (3) oder die Dichtsitzplatte (2) eine Elastomerbeschichtung (4) aufweist, wobei die Elastomerbeschichtung (4) in geschlossenem Zustand des Ventils (1) mit den mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten (12a, 12b) entweder der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelments (3) die mindestens zwei Dichtsitze (6a, 6b) ausbildet, wobei die Dichtsitzplatte (2) oder das Ventilement (3) einen umlaufenden Anschlag (5) aufweist und wobei durch den umlaufenden Anschlag (5) die Eindringtiefe der mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten (12a, 12b) in die Elastomerbeschichtung (4) in Richtung der Längsachse (14) begrenzt wird.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (3) oder die Dichtsitzplatte (2) radial außerhalb des Bereichs, der die Elastomerbeschichtung (4) aufweist, mit dem Anschlag (5) in Kontakt steht.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerbeschichtung (4) aus mehreren Schichten besteht, wobei die Schichten unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen, und die Schichtung in Richtung der Längsachse (14) erfolgt.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Anschlag (5) der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelements (3) mindestens eine Strömungs-Öffnung (16) aufweist, wobei die mindestens eine Strömungs-Öffnung (16) insbesondere radial zur Längsachse (14) verläuft, wodurch eine Kapselung eines abgeschlossenen Volumens des gasförmigen Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag (5) und der umlaufenden Dichtsitzkante (12a) verhindert wird.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten (12a, 12b) der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelements (3) eine Wärmebehandlung erfahren haben und/oder eine Beschichtung aufweisen, insbesondere in dem Bereich, in dem die mindestens zwei umlaufenden Dichtsitzkanten (12a, 12b) mit der Elastomerbeschichtung (4) der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelements (3) in Kontakt stehen und die mindestens zwei Dichtsitze (6a, 6b) ausbilden.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (3) mit einem hülsenförmigen Element (13) verbunden ist, über das sich die Schließfeder (8) am Ventilelement (3) abstützt, und dass das Ventilelement (3) insbesondere über das hülsenförmige Element (13) und ein Führungs-Element (9), das insbesondere zur Führung der Schließfeder (8) dient, in Richtung der Längsachse (14) im Gehäuse (7) geführt wird.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Schließfeder (8), insbesondere bei einer Bewegung des Ventilelements (3) und/oder des hülsenförmigen Elements (13) in Richtung der Längsachse (14), nicht linear über den Weg bei einem Komprimieren oder Dekomprimieren der Schließfeder (8) verläuft, sondern dass insbesondere die Schließfeder (8) eine über den Federweg progressiv veränderliche Federkonstante aufweist.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die progressiv veränderliche Federkonstante der Schließfeder (8) dadurch erzielt wird, dass der Windungsdurchmesser der Schließfeder (8) verändlich ist und/oder das die Schließfeder (8) aus mindestens zwei Federsegmenten aufgebaut ist, wobei die Federsegmente unterschiedliche Federkonstanten aufweisen.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (8) und/oder das hülsenförmige Element (13) in Richtung der Längsachse (14) über das Führungs-Element (9) im Gehäuse (7) geführt wird, wobei das Führungs-Element (9) zwischen der Schließfeder (8) und dem Gehäuse (7) angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung umfassend ein Gas-Druckbegrenzungsventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle (30).