DE102017221073A1

DE102017221073A1 - Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einer Auslöseleitung sowie Druckbehältersystem

Info

Publication number: DE102017221073A1
Application number: DE102017221073.7A
Authority: DE
Inventors: Simon Hettenkofer; Tim Adler
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-05-29
Also published as: US11549648B2; US20200256518A1; CN111295547A; CN111295547B; WO2019101385A1

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein thermisch aktivierbares Sicherheitsventil für einen Druckbehälter sowie ein Druckbehältersystem. Das Sicherheitsventil umfasst i) eine Druckentlastungseinheit mit einem Ventil zur Druckentlastung des Druckbehälters; ii) mindestens eine Auslöseleitung, die sich von der Druckentlastungseinheit weg erstreckt; und iii) mindestens eine Bersteinrichtung. Die Auslöseleitung, die Bersteinrichtung und das Ventil sind fluidverbunden und bilden ein gemeinsames Fluidsystem aus. Das Ventil ist eingerichtet ist, zur Druckentlastung von einer ersten geschlossenen Stellung in eine zweite offene Stellung überzugehen, wenn der Druck im Fluidsystem geringer ist als ein Betätigungsgrenzdruck. Die Bersteinrichtung ist eingerichtet, eine Druckentlastung im Fluidsystem zu bewirken, falls der Druck im Fluidsystem einen Auslösedruck übersteigt.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einer Auslöseleitung sowie einen Druckbehälter mit einem solchen Sicherheitsventil. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zum Druckentlasten des Druckbehältersystems sowie ein Verfahren zur Inbetriebnahme des thermisch aktivierbaren Sicherheitsventils. Insbesondere betrifft die Technologie einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug.
Ein solches Sicherheitsventil und ein solcher Druckbehälter sind beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer DE 10 2015 222252 A1 bekannt.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie die Montage und/oder den Austausch von Komponenten des Sicherheitsventils, insbesondere von der Bersteinrichtung und/oder von der Auslöseleitung zu verbessern. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst von einem Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einer Auslöseleitung, die sich von einer Druckentlastungseinheit, insbesondere vom Gehäuse der Druckentlastungseinheit, weg erstreckt, sowie von einem Druckbehältersystem mit mindestens einem Druckbehälter und mit einem hier offenbarten Sicherheitsventil.
Das Sicherheitsventil ist insbesondere ein thermisches bzw. thermisch aktivierbares Druckentlastungsventil, auch Thermal Pressure Release Device (= TPRD) oder Thermosicherung genannt. Kommt es durch eine äußere thermische Einwirkung zu einem Störfall, so ist das Sicherheitsventil eingerichtet, den Druck im Druckbehältersystem, insbesondere im mindestens einen Druckbehälter zu verringern. Das Sicherheitsventil lässt den Brennstoff ab, sobald die Auslösetemperatur des Sicherheitsventils überschritten wird (=thermisch aktiviert wird).
Druckentlastungseinheit
Das Sicherheitsventil umfasst mindestens ein Druckentlastungseinheit. Die Druckentlastungseinheit ist im montierten Zustand direkt oder indirekt fluidverbunden mit dem mindestens einen Druckbehälter. Die Druckentlastungseinheit kann zweckmäßig eingerichtet sein, zur Druckentlastung des Druckbehälters einen Brennstoffentnahmemassenstrom zu ermöglichen, der größer (z.B. mindestens um den Faktor 1.5, 2, 5,10, 100 oder mehr höher) ist als der maximale Brennstoffentnahmemassenstrom durch den Entnahmepfad zum mindestens einen Energiewandler (i.d.R. eine Brennstoffzelle), wobei die Entnahme über den Entnahmepfad i.d.R. durch ein Tankabsperrventil veränderbar ist. Die Druckentlastungseinheit wird für die Befüllung des Druckbehältersystems und/oder für die Entnahme von Brennstoff zur Bereitstellung von Energie im Kraftfahrzeug im Betrieb ohne Störfall i.d.R. nicht eingesetzt. Zur Druckentlastung wird i.d.R. ein zum Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems paralleler Strömungspfad genutzt. I.d.R. wird durch die Druckentlastung der Druckbehälterinnendruck auf Atmosphärendruck abgesenkt. Bei Hitzeeinwirkung (z.B. durch Flammen) wird durch das Sicherheitsventil der im Druckbehälter gespeicherte Brennstoff in die Umgebung abgelassen.
Die Druckentlastungseinheit ist ferner fluidverbunden mit der hier offenbarten mindestens einen Auslöseleitung sowie mit der hier offenbarten mindestens einen Bersteinrichtung. Die Auslöseleitung, die Bersteinrichtung und das Ventil bilden hier ein gemeinsames und geschlossenes Fluidsystem aus.
Die Druckentlastungseinheit kann ein separates Gehäuse umfassen, welches bevorzugt an ein Anschlussstück befestigbar bzw. befestigt ist. Das Anschlussstück ist in einer Druckbehälteröffnung des Druckbehälters vorgesehen. I.d.R. ist das Anschlussstück in der an einem Ende des Druckbehälters vorgesehenen Druckbehälteröffnung eingeschraubt, insbesondere in einem aus Metall hergestellten Boss. Ein solches Anschlussstück umfasst i.d.R. auch ein Tankabsperrventil und wird oft als On-Tank-Valve bezeichnet. Ebenso kann die Druckentlastungseinheit auch einstückig mit dem Anschlussstück in einem gemeinsamen Gehäuse ausgebildet sein.
Ventil
Die Druckentlastungseinheit umfasst ein Ventil zur Druckentlastung des Druckbehälters. Das Ventil ist eingerichtet, zur Druckentlastung von einer ersten geschlossenen Stellung in eine zweite offene Stellung überzugehen, wenn der Druck im hier offenbarten Fluidsystem geringer ist als ein Betätigungsgrenzdruck vom Ventil.
Das Ventil ist insbesondere ein druckbetätigtes Ventil. Zweckmäßig wird das Ventil betätigt durch Veränderung eines Steuerdrucks, insbesondere durch Veränderung des Drucks innerhalb des hier offenbarten Fluidsystems.
Das Ventil ist zweckmäßig ein drucklos geöffnetes Ventil. Falls also im Fluidsystems Umgebungsdruck herrscht, ist das Ventil in der offenen Stellung. Der Betätigungsgrenzdruck ist der Steuerdruck, bei dem das Ventil betätigt wird.
Die offene zweite Stellung vom Ventil ist die Stellung, bei der der Brennstoff aus dem Druckbehälterinneren zur Druckentlastung durch den Brennstoffpfad vom Ventil entweichen kann, i.d.R. in die Fahrzeugumgebung oder in eine fahrzeugexternen Brennstoffsammelvorrichtung. Mit anderen Worten ist also das Ventil offen, so dass eine offene Fluidverbindung zur Umgebung gegeben ist.
Die geschlossene erste Stellung vom Ventil ist indes die Stellung, in der das Ventil die Fluidverbindung zur Fahrzeugumgebung bzw. zur Brennstoffsammelvorrichtung unterbricht. Mithin kann also kein Brennstoff zur Druckentlastung durch den Brennstoffpfad vom Ventil entweichen.
Auslöseleitung
Die Auslöseleitung kann eine Leitung sein, insbesondere ein Rohr, das sich bevorzugt zumindest bereichsweise über die Oberfläche des Druckbehälters erstreckt. Bevorzugt erstreckt sich die Auslöseleitung zumindest teilweise über einen Mittelbereich bzw. Mantelbereich des Druckbehälters. Der Mittelbereich ist i.d.R. zylinderförmig ausgebildet und/oder zwischen den Enden vom Druckbehälter angeordnet. Bevorzugt verläuft die Auslöseleitung zumindest bereichsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Druckbehälters. Besonders bevorzugt verläuft die Auslöseleitung helixförmig bzw. wendelförmig oder mäanderförmig über die Oberfläche 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 druckbeständig ausgebildet sein, insbesondere derart, dass die Auslöseleitung aufgrund einer betriebsbedingten Druckerhöhung sich nicht ausdehnt und/oder beschädigt wird und/oder sich verschließt aufgrund einer nicht betriebsbedingten mechanischen Einwirkung, wobei für die Funktion unbeachtliche Ausdehnungen und mechanische Einwirkungen unbeachtlich sind. Somit kann vorteilhaft ein besonders betriebssicheres Sicherheitsventil realisiert werden.
Bevorzugt ist die Leitung aus einem Metall gefertigt. Ferner bevorzugt kann die Leitung aus einem Material mit einem Schmelzpunkt weit oberhalb der Grenztemperatur ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist eine Auslöseleitung, die in radialer Richtung eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in Axialrichtung der Auslöseleitung. Vorteilhaft wird somit eine Wärmeleitung in den nachstehend beschriebenen Stoff forciert, wohingegen eine i.d.R. unerwünschte Wärmeableitung entlang der Auslöseleitung reduziert werden kann.
Stoff S
In der Auslöseleitung ist zumindest bereichsweise ein Stoff bzw. Material S angeordnet. Der Stoff kann beispielsweise ein Reinstoff oder ein Stoffgemisch sein. Insbesondere kann es sich um einen Fluid handeln. Der Stoff S füllt zumindest bereichsweise und bevorzugt vollständig das innere Volumen der hier offenbarten Auslöseleitung, der hier offenbarten Kartusche bzw. des hier offenbarten Fluidsystems. Zweckmäßig gefriert der Stoff S erst bei einer Temperatur unterhalb von minus 60°C. Bevorzugt ist der Stoff S Propan oder ein Propan - Butan Gemisch. Bei dem Stoff handelt es sich insbesondere nicht um das gespeicherte Brenngas.
Der Stoff S kann ausgebildet sein, in Abhängigkeit von der Stofftemperatur das Stoffvolumen und/oder den Druck im inneren Volumen (bzw. zumindest in einem Teilvolumen des inneren Volumens) zu ändern.
Nachstehend wird lediglich der Fall diskutiert, in dem sich durch das thermische Ereignis die Temperatur des Stoffes und damit einhergehend auch das Stoffvolumen bzw. der Druck in der Auslöseleitung erhöht. Gleichsam wäre auch denkbar, dass eine Volumenreduktion bzw. Druckminderung aufgrund einer Dichteanomalie oder eines Phasenwechsels realisiert ist.
Besonders bevorzugt kommt ein Stoff zum Einsatz, dessen Stoffdichte sich innerhalb eines Auslöse-Temperarturfensters des Sicherheitsventils sehr stark und/oder sprunghaft und/oder unstetig mit der Stofftemperatur ändert, beispielsweise aufgrund einer zumindest teilweisen Phasentransformation, auch Phasenübergang genannt. Die temperaturbedingte isochore Zustandsänderung bewirkt eine Druckerhöhung. Im Auslösetemperaturfenster ist diese bevorzugt besonders stark ausgeprägt (d.h. hohe Steigung der Dampfdruckkurve im p,T-Diagramm). So ändert sich beispielsweise der Dampfdruck mindestens um den Faktor 50 (z.B. Glykol-Wassergemisch von 0,02bar bei 25 °C auf 1bar bei 110 °C), bevorzugt mindestens um den Faktor 100, wobei das Einfrieren des Stoffs (z.B. bei Temperaturen unter - 40 °C) unberücksichtigt ist. Bei einer solchen Phasentransformation des Stoffes ändert sich in einem konstanten (Teil)Volumen der Druck aufgrund einer Temperaturerhöhung. Mit steigender Temperatur beginnt das Gemisch zunehmend zu sieden und der Dampfdruck wird stark ansteigen. Besonders bevorzugt kommt ein Propan -Butan Gemisch zum Einsatz, das im Auslöse-Temperarturfenster siedet und einen Dampfdruck größer 20 bar erreicht. Weiterhin können Flüssigkeiten oder auch Gase verwendet werden deren Dampfdruckkurven im Betriebstemperaturbereich des Kraftfahrzeuges (-40 °C bis 85 °C) eine geringe Dampfdruckänderung aufweisen und bevorzugt flüssig vorliegen und im Auslösetemperaturbereich eine starke Dampfdrucksteigerung erfahren, z.B. Ammoniak, 2,3-dimethyl-1,3-Butadiene oder Dimethylether. Dieser Druckanstieg innerhalb der Auslöseleitung kann zweckmäßig direkt oder indirekt als Auslösesignal für die Druckentlastungseinheit dienen. Bevorzugt ist der Druckanstieg sehr viel größer als 20bar, insbesondere um die Toleranz der Auslöseeinrichtung in einem einfach herzustellenden Bereich halten zu können. Eine Phasentransformation ist generell die Umwandlung einer oder mehrerer Phasen eines Stoffes in andere Phasen. Die Stabilitätsbereiche der Phasen in Abhängigkeit von den Zustandsvariablen wie Druck, Temperatur, chemischer Zusammensetzung und magnetischer Feldstärke sind bekannt und werden i.d.R. in Phasendiagramme oder Dampfdruckkurven dargestellt. Phasentransformationen können u. a. zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Phasen auftreten. Bevorzugt ist das Auslöse-Temperarturfenster durch einen der folgenden Temperaturbereiche definiert: 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. Findet nun ein thermisches Ereignis benachbart zur Auslöseleitung statt, so erwärmt sich der Stoff S innerhalb der Auslöseleitung. Steigt die Stofftemperatur auf einen Wert innerhalb des Auslöse-Temperaturfensters, z.B. bei Propan, Ammoniak-, Butan bzw. einem Gemisch mit Propan, auf ca. 110 °C, dann kommt es aufgrund der zumindest teilweisen Phasentransformation zu einem Druckanstieg in der Auslöseleitung, der wiederum die Druckentlastungseinheit aktuiert.
Mit anderen Worten kann also in einer mit Flüssigkeit (u.a. Propan, Butan) oder Feststoff gefüllten wärmeleitenden (Auslöse)Leitung/Mantel/Körper durch den thermischen Eintrag ein Phasenübergang induziert werden, der zu einer Druckerhöhung führt. Hierbei ist es zweckmäßig, dass die das Medium beinhaltende Auslöseleitung von seiner Temperaturausdehnung den Effekt verstärken oder mindern kann. Bevorzugt wird deshalb eine Auslöseleitung verwendet, die eine möglichst geringe Wärmeausdehnung oder einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Insbesondere ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der Auslöseleitung im Auslösetemperaturfenster mindestens um ein Faktor 5, bevorzugt um einen Faktor 10, kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Stoffs S.
Bersteinrichtung
Das hier offenbarte Sicherheitsventil kann eine Bersteinrichtung aufweisen. Die Bersteinrichtung ist eingerichtet, durch Öffnen des Fluidsystems eine Druckentlastung im Fluidsystem zu bewirken, falls der Druck im Fluidsystem den Auslösedruck übersteigt. Die Bersteinrichtung ist fluidverbunden mit der hier gezeigten Auslöseleitung und dem hier offenbarten Ventil der Druckentlastungseinheit. Die Bersteinrichtung kann separat vom Gehäuse der Druckentlastungseinheit in dem Gehäuse vorgesehen sein. Ferner kann die Bersteinrichtung separat von der Auslöseleitung in der Auslöseleitung ausgebildet sein. Sie kann beispielsweise in einer dieser Komponenten lösbar und fluiddicht eingesetzt sein. Bevorzugt ist die Bersteinrichtung eine Berstscheibe. Mitunter fungiert also nicht die Auslöseleitung selbst oder das Gehäuse selbst als Besteinrichtung. Dies bringt den Vorteil mit sich, das eine separate Bersteinrichtung präziser und zuverlässiger auslösen kann. Ferner kann eine stabilere und somit ausfallsichere Auslöseleitung bzw. ein stabileres Gehäuse eingesetzt werden. Überdies kann eine zerstörte Berstscheibe leichter und kostengünstiger ausgetauscht werden als die kompletten Komponenten, die i.d.R. größer und komplizierter geformt ist. Zweckmäßig ist die Bersteinrichtung derart angeordnet und ausgebildet, dass der Stoff S nach einem Berstereignis in die Umgebung entweichen kann, so dass es in der Auslöseleitung und in der Druckentlastungseinheit zu einer Druckentlastung kommt, die dann das Auslösen des Sicherheitsventils bewirken kann. Besonders bevorzugt ist die Bersteinrichtung an dem freien Ende der Auslöseleitung oder im Gehäuse der Druckentlastungseinheit vorgesehen. Hier lässt sie sich besonders gut integrieren. Ferner ergibt sich dann ein einfacherer Aufbau der Auslöseleitung. Berstscheiben als solche sind bekannt. Vorteilhaft weist eine hier offenbarte Bersteinrichtung einen (Bersteinrichtungs-)Auslösedruck auf, bei dem die Bersteinrichtung birst.
Fluidsystem
Die Auslöseleitung, die Bersteinrichtung und das Ventil bilden das gemeinsame und geschlossene Fluidsystem bzw. Leitungssystem bzw. Kanalsystem (nachstehend wird vereinfachend der Begriff Fluidsystem verwendet) aus. Das Fluidsystem ist dabei nicht auf ein System von Rohrleitungen beschränkt, sondern kann gleichsam Kanäle, Strömungspfade, etc. umfassen. Im montierten Zustand ist das Fluidsystem mit dem Stoff zumindest teilweise gefüllt. Das Fluidsystem ist zweckmäßig zumindest teilweise in dem Gehäuse der Druckentlastungseinheit ausgebildet. Sofern ferner der Stoff im Fluidsystem in keinem Abschnitt vom Fluidsystem auf eine Temperatur oberhalb der hier offenbarten Auslösetemperatur liegt, stellt sich im Fluidsystem nach der Montage ein Betriebsdruckbereich ein, in dem weder die Berstscheibe birst noch das Ventil in den geöffneten Zustand überführt wird. Sofern die Besteinrichtung nicht ausgelöst hat, ist das Fluidsystem ein geschlossenes und insbesondere fluiddichtes Fluidsystem, das zweckmäßig ein im Wesentlichen unveränderliches Volumen aufweist. Der Begriff „im Wesentlichen unveränderlich“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass keine Volumenänderungen oder vernachlässigbar kleine Volumenänderungen auftreten, beispielsweise aufgrund von Temperaturausdehnung und/oder durch Änderung vom Innendruck.
Drücke
Bevorzugt weist das Fluidsystem einen Betriebsdruckbereich auf, bei dem das Fluidsystem den Durchfluss an Brennstoff durch die Druckentlastungseinheit sicher unterbindet (d.h. das Ventil ist in der geschlossenen Stellung). Der Betriebsdruckbereich ist der Druckbereich vom Druck im Fluidsystem, der sich im Betriebstemperaturbereich von Auslöseleitung bzw. Druckbehälter einstellt. Beispielsweise kann der Druckbehälter für ein Betriebstemperaturfenster von -40 °C bis +85 ℃ ausgelegt sein.
Bevorzugt liegt der Bersteinrichtungs-Auslösedruck über dem max. Betriebsdruck der Auslöseleitung, bevorzugt mind. 10% oder mind. 20% höher. Ferner bevorzugt liegt der Betätigungsdruck vom Ventil unterhalb vom minimalen normalen Betriebsdruck der Auslöseleitung, bevorzugt mind. 10% oder mind. 20% niedriger.
Kartusche
Die mindestens eine Auslöseleitung kann als Kartusche bzw. Patrone (nachstehend wird vereinfachend der Begriff „Kartusche“ verwendet, wobei gleichsam immer beide Begriffe mit offenbart sein sollen) ausgebildet sein, die zur Ausbildung des gemeinsamen Fluidsystems an einen Abschnitt vom Fluidsystem anschließbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein an einen Abschnitt vom Fluidsystem anschließbarer Zusatzbehälter als Kartusche ausgebildet ist. Die Kartusche ist ein Behälter bzw. ein Vorrat, der im nicht montierten bzw. nicht angeschlossenen Zustand gegenüber der Umgebung fluiddicht verschlossen ist und während bzw. nach der Montage geöffnet wird bzw. ist. Ein Abschnitt vom Fluidsystem kann dabei ein im oder benachbart zur Druckentlastungseinheit vorgesehener Abschnitt sein.
In der Kartusche ist zweckmäßig der hier offenbarte Stoff bevorratet. Der Stoff verteilt sich unmittelbar nach dem Anschließen an das Fluidsystem im Fluidsystem. Der Stoff in der Kartusche kann vor dem Anschließen an das Fluidsystem derart druckbeaufschlagt sein, dass sich nach dem Anschließen des Druckbehälters ein Betriebsdruck im Fluidsystem einstellt, i) der größer ist als der Betätigungsgrenzdruck vom Ventil, ii) und der geringer ist als der Auslösedruck der Berstscheibe. Es stellt sich somit zweckmäßig ein Druck innerhalb des Betriebstemperaturfensters ein. Die mindestens eine Kartusche und das Gehäuse können eingerichtet sein, an das Gehäuse der Druckentlastungseinheit angekoppelt zu werden. Die mindestens eine Kartusche kann als Stechkartusche ausgebildet sein. Eine solche Kartusche hat i.d.R. kein Ventil. Stattdessen sticht ein Dorn, z.B. der hier offenbarte Abschnitt vom Fluidsystem, die Kartusche auf, sobald die Kartusche angeschlossen bzw. angekoppelt ist. Alternativ kann die Kartusche als Schraub-Kartusche oder Bajonett-Kartusche ausgebildet sein.
Insbesondere kann die Kartusche ein Einwegartikel sein.
Stromab von der Kartusche, insbesondere vom Zusatzbehälter, kann ein Rückstoßventil vorgesehen sein. Rückstoßventile als solche sind bekannt. Das Rückstoßventil ist derart vorgesehen, dass ein Ausströmen aus der Kartusche ermöglicht und ein Rückströmen in die Kartusche unterbunden wird.
Mit der hier offenbarten Technologie kann der Brennstoff im Falle eines lokalen und bevorzugt benachbart zu der Auslöseleitung vorkommenden thermischen Ereignisses (nachstehend: „thermisches Ereignis“), insbesondere einer lokalen Erwärmung des Druckbehälters im Mittelbereich vom Druckbehälter auf eine Temperatur 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 und oberhalb des Betriebstemperaturfensters. Der Auslösedruck der Bestscheibe kann so gewählt sein, dass der Auslösedruck dem Druck im Fluidsystem bei der Grenztemperatur entspricht.
Druckbehälter
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Druckbehältersystem für ein Kraftfahrzeug (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge), umfassend den mindestens einen Druckbehälter und das hier offenbarte mindestens eine Sicherheitsventil
Der Druckbehälter dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter kann insbesondere ein kryogener Druckbehälter (= CcH2 oder COP) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
Die Aufgabe wird gleichsam gelöst durch die hier offenbarten Verfahren. Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Druckentlasten des hier offenbarten Druckbehältersystems, wobei ein lokales thermisches Event den Stoff erwärmt, wobei durch diese Erwärmung des Stoffs der Druck im Fluidsystem ansteigt, wobei die Bersteinrichtung birst, falls der Druck im Fluidsystem den Auslösedruck der Bersteinrichtung übersteigt, wobei der Stoff durch die geborstene Bersteinrichtung entweicht, so dass sich der Druck im Fluidsystem reduziert auf einen Druck, der geringer ist als der Betätigungsgrenzdruck, wobei das Ventil von der ersten geschlossenen Stellung in die zweite offene Stellung übergeht, wenn der Druck im Fluidsystem geringer ist als der Betätigungsgrenzdruck, und wobei durch das geöffnete Ventil der Brennstoff entweicht und dadurch der mindestens eine Druckbehälter druckentlastet wird.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zur Inbetriebnahme des hier offenbarten thermisch aktivierbaren Sicherheitsventils mit den Schritt, wonach das Fluidsystem ausgebildet wird durch Anschließen der mindestens einen Kartusche an einen Abschnitt vom Fluidsystem. Zur Ausbildung des Fluidsystems kann mindestens eine Kartusche an mindestens eine Kupplungseinheit angeschlossen werden, wobei die Kartusche den Stoff bevorratet.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie wird eine Rückschagklappe und/oder eine Gasbefülleinheit vorgesehen. Hierzu kann ein externer Befüllanschluss oder eine Gaskartusche mit Kupplung genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Auslöseleitung als Detektionseinheit eines thermischen Events direkt als Gaskartusche ausgeführt werden, die bei Montage aktiviert wird. Vorteilhaft kann eine Stechkartusche, eine Schraub-Kartusche oder eine Bajonett-Kartusche eingesetzt werden. Die Auslöseleitung kann eine mit einer Flüssigkeit oder mit einem Gas vorgefüllte Kartusche sein, die an eine Kupplungseinheit vom Gehäuse (=Gehäuse der Druckentlastungseinheit) eines Aktivierungsventil (=Ventil) ankoppelbar ist. Die Kartusche kann insbesondere durch Montage in die Kupplungseinheit aktivierbar sein. Das Gehäuse kann an das On-Tank-Valve anschließbar sein. In einer Ausgestaltung wird eine separate Kartusche an die Kupplungseinheit angeschlossen und die Auslöseleitung wird durch Montage der separaten Kartusche geflutet.
Vorteilhaft kann eine einfache Gasbefüllung realisiert werden, beispielsweise über einen separaten Anschluss. Somit kann eine einfache Montage bzw. eine schnellere Inbetriebnahme vom Sicherheitsventil während der Fahrzeugproduktion und/oder Instantsetzung realisiert werden. Die separate Bersteinrichtung im Gehäuse oder in der Auslöseleitung ermöglicht den Einsatz von standardisierten Komponenten, die sich leicht montieren lassen, zuverlässig und/oder preiswert sind.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten Druckbehältersystems;
2 eine schematische Ansicht eines Sicherheitsventils 100;
3 eine schematische Ansicht eines weiteren Sicherheitsventils 100;
4 eine schematische Ansicht einer Druckentlastungseinheit 110 in der ersten, geschlossenen Stellung; und
5 eine schematische Ansicht einer Druckentlastungseinheit 110 in der zweiten, offene Stellung.

Die 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des hier offenbarten Druckbehältersystems. Das Druckbehältersystem umfasst einen Druckbehälter 200 sowie ein thermisch aktivierbares Sicherheitsventil 100. Der Druckbehälter umfasst hier einen Liner 210, der von einer faserverstärkten Schicht 220 umgeben ist. Im Inneren I des Druckbehälters 200 kann Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, gespeichert sein. An einem Ende des Druckbehälters 200 ist koaxial zur Druckbehälterlängsachse A - A ein Anschlussstück 170 vorgesehen. Das Anschlussstück 170 ist hier ein On-Tank-Valve, welches in einem Boss 230 des Druckbehälters 200 eingesetzt ist. Der Druckbehälter 200 sowie das Anschlussstück 170 können auch anders ausgestaltet sein. Die Druckentlastungseinheit 110 ist hier an das Anschlussstück 170 befestigt, beispielsweise mittels Schraubenverbindungen (nicht gezeigt). Der Strömungspfad 172 stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Inneren I vom Druckbehälter 200 und der Druckentlastungseinheit 110 her. Dieser Strömungspfad 172 ist parallel zu einem Befüll- bzw. Entnahmepfad im Anschlussstück 170 vorgesehen. In der Druckentlastungseinheit 110 ist das Ventil 115 vorgesehen (nicht gezeigt, vgl. 2 - 5). Während der Druckentlastung kann hier der Brennstoff durch den Strömungspfad 172 und durch die Umgebungsleitung 500 in die Fahrzeugumgebung ausströmen. Die Auslöseleitung 120 beginnt hier mit einem Ende am Gehäuse der Druckentlastungseinheit 110. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Auslöseleitung 120 in der Druckentlastungseinheit 110 oder benachbart zur Druckentlastungseinheit 110 beginnt. Die Auslöseleitung 120 erstreckt sich hier vom Gehäuse der Druckentlastungseinheit 110 weg. Die Auslöseleitung 120 erstreckt sich hier über das Ende bzw. Polbereich P₁ und ragt in den Mittelbereich M hinein. Der Mittelbereich M ist hier zylinderförmig ausgebildet. Die Auslöseleitung 120 kann ebenso helixförmig die Außenoberfläche der faserverstärkten Schicht 220 umgeben. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Auslöseleitung 120 in den Polbereich P₂ vom entgegengesetzten Ende des Druckbehälters 200 hineinragt.
Die Auslöseleitung 120 ist hier aus einem Metallmaterial hergestellt. Die Auslöseleitung 120 ist derart stabil ausgestaltet, dass sie sämtliche während des Betriebs und während der Druckentlastung auftretenden Drücke aushalten kann. Beispielsweise kann die Auslöseleitung 120 eingerichtet sein, Drücke auszuhalten, die mindestens um den Faktor 1,5 oder um den Faktor 2 höher sein können als der maximale Betriebsdruck.
Die 2 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Sicherheitsventils 100 der 1. Sämtliche Komponenten sind hier vereinfacht dargestellt. Der Strömungspfad 172 verbindet hier das Ventil 115 mit dem Inneren I des Druckbehälters 200. Das Ventil 115 ist eingerichtet, die Fluidverbindung zwischen dem Inneren des Druckbehälters 200 und der Fahrzeugumgebung zu unterbrechen. Das Ventil 115 ist hier in der ersten geschlossenen Stellung gezeigt. Somit kann also der Brennstoff nicht über die Umgebungsleitung 500 in die Umgebung entweichen. Das Ventil 115 ist ein druckbetätigtes Ventil. Zur Druckbetätigung ist das Ventil 115 fluidverbunden mit der Berstscheibe 113 und der Auslöseleitung 120. Das Ventil 115, die Berstscheibe 113 und die Auslöseleitung 120 bilden hier das Fluidsystem 117 aus. Das Fluidsystem 117 ist ein geschlossenes System. Innerhalb der Druckentlastungseinheit 110 umfasst hier das Fluidsystem 117 Kanäle, die hier von Bohrungen ausgebildet werden. Das Volumen des Fluidsystems 117 weist keine oder nur geringfügige Volumenänderungen auf. Solche Volumenänderungen sind zweckmäßig kleiner als 5% oder 2 % oder 1% des Gesamtvolumens des Fluidsystems 117. Das Fluidsystem 117 kann ausgebildet werden, indem eine als Kartusche ausgebildete Auslöseleitung 120 über eine Kupplungseinheit 119 an das Gehäuse 112 der Druckentlastungseinheit 110 angeschlossen wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kartusche 120 derart gestaltet, dass durch das Anschließen der Kartusche 120 an einen Abschnitt des Fluidsystems 117, der hier innerhalb der Kupplungseinheit 119 vorgesehen ist, die Kartusche 120 geöffnet wird und der in der Kartusche 120 bevorratete Stoff S in das Fluidsystem 117 ausströmt. Bevorzugt stellt sich hierdurch im kompletten Fluidsystem 117 ein Druck ein, der dem (Auslegungs)betriebsdruck des Sicherheitsventils 100 bei der derzeitigen Temperatur entspricht.
Bei der nachfolgenden Beschreibung des in der 3 dargestellten alternativen Ausführungsbeispiels werden für Merkmale, die im Vergleich zum in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise identisch und/oder zumindest vergleichbar sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise der Ausgestaltung und/oder Wirkweise der vorstehend bereits beschriebenen Merkmale. In der hier gezeigten Ausgestaltung ist die Auslöseleitung 120 nicht als Kartusche ausgebildet. Vielmehr ist hier ein separater Anschlussbehälter 130 als Kartusche 130 ausgebildet. In der Kartusche 130 ist hier ebenfalls der Stoff S bevorratet gewesen. Nachdem die Kartusche 130 an einen Abschnitt vom Fluidsystem 117 angeschlossen ist, strömt der Stoff S über das Rückschlagventil 134 in das Fluidsystem 117 ein. Die Verbindungsleitung 136 zwischen der Kartusche 130 und den restlichen Komponenten vom Fluidsystem 117 bildet hier stromab vom Rückschlagventil 134 das Fluidsystem 117 mit aus. Nach dem Ausströmen aus der Kartusche 130 verteilt sich auch hier der Stoff S gleichmäßig im Fluidsystem 117. Die Kupplungseinheit 139 zur Ankopplung der Kartusche 130 kann genauso ausgestaltet sein wie die Kupplungseinheit 119 der 1. Die Kartusche 130 kann nach dem Befüllen entfernt werden oder auch angesteckt bleiben. Anstatt der Kartusche 130 kann an das Fluidsystem 117 und die Kupplungseinheit 139 auch über einen externen Behälter oder einer externen Befüllvorrichtung befüllt werden.
Die 4 und 5 zeigen exemplarisch das Funktionsprinzip vom Sicherheitsventil 100. Die 4 zeigt das Sicherheitsventil 100 bzw. das Ventil 115 in der ersten, geschlossenen Stellung. In dieser Stellung kann der Brennstoff, der hier durch den Strömungspfad 172 in die Druckentlastungseinheit 110 einströmt, nicht durch die angedeutete Umgebungsleitung 500 in die Umgebung ausströmen. Der Strömungspfad wird hier durch den Kolben 114 unterbunden. Der Kolben 114 ist in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung verschiebbar im Strömungspfad 172 vorgesehen. Der Kolben 114 befindet sich hier in der ersten Stellung. Diese Stellung resultiert aus einem Kräftegleichgewicht zwischen der Federkraft der Kolbenfeder 116 und der Druckkraft, die der Stoff S an dem der Kolbenfeder 116 gegenüberliegenden Ende vom Kolben 114 auf den Kolben 114 ausübt. Der Stoff S ist in dem Fluidsystem 117 unter einem Druck gespeichert, der höher ist als der Umgebungsdruck. Kommt es nun zu einem thermischen Event E (vgl. 1) in einem Abschnitt der Auslöseleitung 120, so steigt der Druck im Fluidsystem 117 vergleichsweise schnell und vergleichsweise stark an. Dies kann insbesondere dadurch begünstigt werden, dass der Stoff S innerhalb des Auslöse-Temperaturfensters einen Phasenwechsel mit entsprechender Volumenausdehnung bzw. entsprechenden Druckanstieg vollzieht. Steigt beispielsweise in einer Ausgestaltung die Temperatur lokal auf einen Wert größer 85 °C an, so kann dies einen starken Druckanstieg im Fluidsystem 117 bewirken. Besonders bevorzugt kann die Berstscheibe einen Auslösedruck aufweisen, der so gewählt ist, dass der Auslösedruck innerhalb des Fluidsystems 117 durch den lokalen Temperaturanstieg auf einen Wert innerhalb des Temperaturauslösefeldes erreicht wird. Stellt sich innerhalb des Fluidsystems 117 aufgrund des Temperaturanstiegs der Auslösedruck ein, so birst die Berstscheibe 113. Wie in der 5 gezeigt, kann dann der Stoff S durch die Öffnung in der Berstscheibe 113 entweichen. Dadurch verringert sich der Druck im Fluidsystem 117 auf einen Druck, der geringer ist als der Betätigungsgrenzdruck vom Ventil 115. Der Betätigungsgrenzdruck ist dabei der Druck, der mindestens aufgebracht werden muss, um den Kolben 114 in der ersten, geschlossenen Stellung zu halten. Ist nun der Druck im Fluidsystem 117 geringer als der Betätigungsgrenzdruck, so überführt die Kolbenfeder 116 den Kolben 114 von der ersten, geschlossenen Stellung in die zweite, offene Stellung (vgl. 5). In der zweiten, offenen Stellung kann der Brennstoff durch den Strömungspfad 172 bzw. durch die Umgebungsleitung 500 entweichen. Es kommt somit zur Druckentlastung vom Druckbehältersystem. Vorteilhaft an einem solchen System ist, dass eine Fehlfunktion vom Sicherheitsventil 100 zu einer Druckentlastung des Druckbehältersystems führen würde. Die Gefahr von schlafenden Fehler kann somit verringert werden.
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Druckbehälter, das/ein Sicherheitsventil, die/eine Druckentlastungseinheit, das/ein Ventil, die/eine Auslöseleitung, die/eine Bersteinrichtung, das/ein Fluidsystem, die/eine Kartusche, der/ein Zusatzbehälter, das/ein Rückstoßventil, das/ein Gehäuse, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, das mindestens eine Sicherheitsventil, die mindestens eine Druckentlastungseinheit, das mindestens eine Ventil, die mindestens eine Auslöseleitung, die mindestens eine Bersteinrichtung, das mindestens eine Fluidsystem, die mindestens eine Kartusche, der mindestens eine Zusatzbehälter, das mindestens eine Rückstoßventil, das mindestens ein Gehäuse, etc.).
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015222252 A1 [0002]

Claims

Thermisch aktivierbares Sicherheitsventil (100) für einen Druckbehälter (200) umfassend: - eine Druckentlastungseinheit (110) mit einem Ventil (115) zur Druckentlastung des Druckbehälters (200); - mindestens eine Auslöseleitung (120), die sich von der Druckentlastungseinheit (110) weg erstreckt; und - mindestens eine Bersteinrichtung (113); wobei die Auslöseleitung (120), die Bersteinrichtung (113) und das Ventil (115) fluidverbunden sind und ein gemeinsames Fluidsystem (117) ausbilden; wobei das Ventil (115) eingerichtet ist, zur Druckentlastung von einer ersten geschlossenen Stellung in eine zweite offene Stellung überzugehen, wenn der Druck im Fluidsystem (117) geringer ist als ein Betätigungsgrenzdruck; und wobei die Bersteinrichtung (113) eingerichtet ist, eine Druckentlastung im Fluidsystem (117) zu bewirken, falls der Druck im Fluidsystem (117) einen Auslösedruck übersteigt.
Sicherheitsventil (100) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Auslöseleitung (120) als Kartusche (120) ausgebildet ist, die zur Ausbildung des gemeinsamen Fluidsystems (117) an einen Abschnitt vom Fluidsystem (117) anschließbar ist.
Sicherheitsventil (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein an einen Abschnitt vom Fluidsystem (117) anschließbarer Zusatzbehälter (130) als Kartusche (130) ausgebildet ist.
Sicherheitsventil (100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei in mindestens einer Kartusche (120, 130) ein Stoff (S) bevorratet ist, der sich unmittelbar nach dem Anschließen im Fluidsystem (117) verteilt.
Sicherheitsventil (100) nach Anspruch 4, wobei der Stoff (S) in der mindestens einen Kartusche (120, 130) vordem Anschließen derart druckbeaufschlagt ist, dass sich nach dem Anschließen ein Betriebsdruck im Fluidsystem (117) einstellt, i) der größer ist als der Betätigungsgrenzdruck, ii) und der geringer ist als der Auslösedruck.
Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 5, wobei die mindestens eine Kartusche (120,130) eingerichtet ist, an einem Gehäuse (112) der Druckentlastungseinheit (110) angekoppelt zu werden.
Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 6, wobei die mindestens eine Kartusche (120,130) als Stechkartusche ausgebildet ist.
Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 7, wobei stromab von der Kartusche (120, 130) ein Rückstoßventil (134) vorgesehen ist.
Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bersteinrichtung (113) in einem Gehäuse (112) der Druckentlastungseinheit (110) vorgesehen ist.
Sicherheitsventil (100) nach Anspruch 9, wobei die Bersteinrichtung (113) als Berstscheibe ausgebildet ist.
Druckbehältersystem, umfassend mindestens einen Druckbehälter (200) und mindestens ein Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Verfahren zum Druckentlasten eines Druckbehältersystems nach Anspruch 11, - wobei ein lokales thermisches Event den Stoff (S) erwärmt; - wobei durch diese Erwärmung des Stoffs (S) der Druck im Fluidsystem (117) ansteigt; - wobei die Bersteinrichtung (113) birst, falls der Druck im Fluidsystem (117) den Auslösedruck der Bersteinrichtung (113) übersteigt; - wobei der Stoff (S) durch die geborstene Bersteinrichtung (117) entweicht, so dass sich der Druck im Fluidsystem (117) reduziert auf einen Druck, der geringer ist als der Betätigungsgrenzdruck; - wobei das Ventil (115) von der ersten geschlossenen Stellung in die zweite offene Stellung übergeht, wenn der Druck im Fluidsystem (117) geringer ist als der Betätigungsgrenzdruck; und - wobei durch das geöffnete Ventil (115) der Brennstoff entweicht.
Verfahren zur Inbetriebnahme des thermisch aktivierbaren Sicherheitsventils nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 10, umfassend den Schritt: o Ausbilden des Fluidsystems (117) durch Anschließen der mindestens einen Kartusche (120, 130) an einen Abschnitt vom Fluidsystem (117).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei zur Ausbildung des Fluidsystems (117) mindestens eine Kartusche (120, 130) an mindestens eine Kupplungseinheit (119, 139) angeschlossen wird, wobei die Kartusche (120,130) den Stoff (S) bevorratet.