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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Ventileinheiten.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellenfahrzeug haben eine Ventileinheit, um die Zufuhr von Wasserstoff von einem Fahrzeugtank zu einer Brennstoffzelle zu steuern, und um die Zufuhr zu unterbrechen. Die
JP 2016-80001 A beschreibt ein Beispiel einer derartigen Ventileinheit. Diese Ventileinheit hat einen Gasströmungskanal, der mit dem Gastank verbunden ist. Hochdruckwasserstoffgas in dem Gastank gelangt durch ein elektromagnetisches Ventil, das in dem Gasströmungskanal angeordnet ist, gelangt durch ein Druckreduzierventil, und wird dann der Brennstoffzelle zugeführt.
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KURZFASSUNG
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Ein Fahrzeuggastank eines Brennstoffzellenfahrzeugs wird üblicherweise mit Hochdruckwasserstoffgas von einer externen Wasserstofftankstelle befüllt. Wie bei der in der
JP 2016-80001 A beschriebenen Ventileinheit strömt in dem Gastank enthaltenes Wasserstoffgas durch einen Gasströmungskanal in der Ventileinheit und wird dann einer Brennstoffzelle als gasverbrauchende Vorrichtung zugeführt. Bei einer derartigen Ventileinheit verbindet der Gasströmungskanal einen Gaseinlass von außen, beispielsweise einer Wasserstofftankstelle, mit einem Verbindungsanschluss in den Gastank, und wenn dieser Gasströmungskanal im Wesentlichen ein gerader Kanal ohne Biegung ist, kann das Gas durch den Gasströmungskanal auf eine im Wesentlichen ausgerichtete Weise parallel zum Gasströmungskanal nach unten strömen. Wenn der Gasströmungskanal einen Knick hat, der um 90° abknickt, beispielsweise an einem Mittelpunkt des Kanals, erzeugt das Gas bei der Strömung eine Störung, wenn es durch den Knick gelangt. Die Erfinder haben anhand von Experimenten festgestellt, dass die Strömung während des Durchströmens durch den Knick eine Wirbelströmung sein kann.
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Einige Ventileinheiten haben einen Abzweigteil, der stromab des Knicks liegt, und vom dem ein abzweigender Gasströmungskanal in Richtung zur Brennstoffzelle als gasverbrauchende Vorrichtung verläuft. In diesem Fall kann, während des Befüllens des Gastanks mit Gas, das Gas aufgrund der stromab des Knicks strömenden Wirbelströmung in den abzweigenden Gasströmungskanal gelangen. Wenn das Gas eine geringe Menge an Wasser enthält, kann das Wasser an einem An-Aus-Ventil auf der Seite der gasverbrauchenden Vorrichtung anhaften. Derart anhaftendes Wasser kann einen instabilen Betrieb des Ventils im Anfangszustand verursachen, was somit verhindert werden soll.
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Ausgehend von den vorstehend geschilderten Umständen schafft die vorliegende Erfindung eine Ventileinheit, zumindest aufweisend einen Gaseinlass von außen, einen Verbindungsanschluss zu einem Gastank und einen Gaszufuhranschluss zu einer gasverbrauchenden Vorrichtung. Der Gasströmungskanal, der mit dem Gaseinlass zum Verbindungsanschluss zum Gastank verbunden ist, hat einen Knick und einen abzweigenden Gasströmungskanal zum Gaszufuhranschluss zur gasverbrauchenden Vorrichtung, wobei der abzweigende Gasströmungskanal stromab des Knicks angeordnet ist und die Ventileinheit ausgestaltet ist, um das Eindringen von Wasser, das in dem Gas enthalten ist, in den abzweigenden Gasströmungskanal verhindern.
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Eine Ventileinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest einen Gaseinlass von außen, einen Verbindungsanschluss zu einem Gastank und einen Gaszufuhranschluss zu einer gasverbrauchenden Vorrichtung. Der Gaseinlass umfasst ein Rückschlagventil und sowohl der Verbindungsanschluss zum Gastank als auch der Gaszufuhranschluss umfassen ein An-Aus-Ventil, wobei der Gaseinlass und der Verbindungsanschluss zum Gastank durch einen ersten Gasströmungskanal verbunden sind, ein zweiter Gasströmungskanal von dem ersten Gasströmungskanal über einen Abzweigteil abzweigt, und der zweite Gasströmungskanal mit dem Gaszufuhranschluss verbunden ist, und der erste Gasströmungskanal einen Knick hat, der Abzweigteil zum zweiten Gasströmungskanal zwischen dem Knick des ersten Gasströmungskanals und dem Verbindungsanschluss zum Gastank angeordnet ist, der erste Gasströmungskanal an einem Teil zwischen dem Knick und dem Abzweigteil ein internes Ausrichtelement umfasst, das ausgestaltet ist, um eine Strömung des Gases von einer stromaufwärtigen Seite derart auszurichten, dass diese parallel zur Richtung des ersten Gasströmungskanals ist.
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Während des Befüllens des Gastanks mit Gas wird das Gas, das durch den ersten Gasströmungskanal strömt, an dem Knick zu einer turbulenten Strömung einschließlich einer Wirbelströmung. Mit der Ventileinheit der ersten Ausführungsform kann eine derartige gestörte bzw. turbulente Strömung beim Durchströmen des Ausrichtelements derart ausgerichtet bzw. begradigt werden, dass sie parallel zu einer Richtung des ersten Gasströmungskanals ist, wodurch die Wirbelströmung entfernt werden kann. Ein derart ausgerichteter bzw. begradigter Zustand der Gasströmung kann auch während des Passierens des Abzweigteils zum zweiten Gasströmungskanal beibehalten werden. Daher gelangt im Wesentlichen keine Gasströmung in den zweiten Gasströmungskanal. Hierdurch kann das Problem hinsichtlich des Betriebs des An-Aus-Ventils am Gaszufuhranschluss verhindert werden, selbst wenn die Gasströmung Wasser enthält.
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Die Experimente der Erfinder haben ergeben, dass, wenn ein Teil des ersten Gasströmungskanals stromab des Knicks im Querschnitt kreisförmig ist, das Ausrichtelement mit einer Länge, die das 1,5-fache oder mehr eines Durchmessers des Teils des ersten Gasströmungskanals ist, die Gasströmung zufriedenstellend ausrichten bzw. begradigen kann.
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In der Ventileinheit der ersten Ausführungsform ist das Ausrichtelement nicht sonderlich beschränkt, solange es die Gasströmung von der stromaufwärtigen Seite derart ausrichten kann, dass diese parallel zur Richtung des ersten Gasströmungskanals ist. Experimente der Erfinder zeigen, dass das Ausrichtelement, das ein Langloch hat, das parallel zu einer Richtung des ersten Gasströmungskanals an einem Teil stromab des Knicks ist, oder das zumindest eine flache Platte umfasst, die parallel zu einer Richtung des ersten Gasströmungskanals an einem Teil stromab des Knicks ist, hinsichtlich der Herstellbarkeit bevorzugt ist.
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Eine Ventileinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst zumindest einen Gaseinlass von außen, einen Verbindungsanschluss zu einem Gastank und einen Gaszufuhranschluss zu einer gasverbrauchenden Vorrichtung. Der Gaseinlass umfasst ein Rückschlagventil und sowohl der Verbindungsanschluss zum Gastank als auch der Gaszufuhranschluss umfassen ein An-Aus-Ventil, wobei der Gaseinlass und der Verbindungsanschluss zum Gastank durch einen ersten Gasströmungskanal verbunden sind, ein zweiter Gasströmungskanal von dem ersten Gasströmungskanal über einen Abzweigteil abzweigt, und der zweite Gasströmungskanal mit dem Gaszufuhranschluss verbunden ist, der erste Gasströmungskanal einen Knick hat, der Abzweigteil zum zweiten Gasströmungskanal zwischen dem Knick des ersten Gasströmungskanals und dem Verbindungsanschluss zum Gastank angeordnet ist, der erste Gasströmungskanal einen internen Kanalteiler umfasst, um den ersten Gasströmungskanal an einem Teil stromab des Knicks in zwei Teile zu teilen, und einer der durch den Kanalteiler abgeteilten Kanäle mit dem Gaseinlass verbunden ist und der andere Kanal mit dem zweiten Gasströmungskanal über den Abzweigteil verbunden ist, wobei ein unteres Ende des Kanalteilers stromab des Abzweigteils angeordnet ist.
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Während des Befüllens des Gastanks mit Gas wird das Gas, das durch den ersten Gasströmungskanal strömt, an dem Knick zu einer turbulenten Strömung einschließlich einer Wirbelströmung. Mit der Ventileinheit der zweiten Ausführungsform strömt das Gas durch einen der abgeteilten Kanäle, die durch den Kanalteiler abgeteilt werden, und strömt dann in den Verbindungsanschluss des Gastanks. Ein unteres Ende des Kanalteilers ist stromab des Abzweigteils angeordnet, und somit strömt die Gasströmung nicht über den Abzweigteil in den zweiten Gasströmungskanal während der Passage durch einen der abgeteilten Kanäle. Dies kann das Eindringen von Wasser, das in der Gasströmung enthalten sein kann, in den zweiten Gasströmungskanal während des Befüllens des Gastanks mit Gas verhindern. Dies kann das Problem hinsichtlich des Betriebs des An-Aus-Ventils am Gaszufuhranschluss, beispielsweise zum Zeitpunkt des Starts des Betriebs verhindern.
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Wenn beispielsweise ein Fahrzuggastank von einer externen Wasserstofftankstelle mit Hochdruckwasserstoff befüllt wird, kann die Ventileinheit der vorliegenden Erfindung das Eindringen von Wasser, das in dem Gas enthalten sein kann, in den abzweigenden Gasströmungskanal, der zur Brennstoffzelle als gasverbrauchende Vorrichtung führt, verhindern. Dies kann das Problem hinsichtlich des Betriebs der gasverbrauchenden Vorrichtung, das beispielsweise aufgrund eines Problems bei der Bewegung des Ventils zum Zeitpunkt des Starts des Betriebs auftreten kann, verhindern.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Schnittansicht einer Bauart einer Ventileinheit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2A bis 2D zeigen spezifische Beispiele eines Ausrichtelements;
- 3A zeigt schematisch die Gasströmung in der Ventileinheit der ersten Ausführungsform;
- 3B zeigt schematisch die Gasströmung in der gleichen Ventileinheit ohne Ausrichtelement;
- 4A und 4B zeigen Schnittansichten einer Bauart einer Ventileinheit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 5 zeigt die Gasströmung in der Ventileinheit aus 4, wenn die gasverbrauchende Vorrichtung mit Gas vom Gastank versorgt wird;
- 6 zeigt eine Schnittansicht eines Abschirmkörpers bei einer anderen Bauart der Ventileinheit der zweiten Ausführungsform; und
- 7A und 7B zeigen eine andere Bauart der Ventileinheit der zweiten Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben. In dem Beispiel ist eine Ventileinheit 100 ein Zubehörteil eines Gastanks 1, der an einem Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist, und die Ventileinheit hat einen Korpus 2. Der Korpus 2 umfasst ein Rückschlagventil 10 als Gaseinlass von außen. Als das Rückschlagventil 10 kann ein allgemein bekanntes Ventil verwendet werden. Ein Endes des Rückschlagventils 10 ist ein Fülleinlass 11, mit dem ein Tankstutzen einer Befüllmaschine 6, die an einer externen Wasserstofftankstelle 5 installiert ist, verbunden wird, wodurch in einem Gasspeicher 7 bevorratetes Hochdruckwasserstoffgas in die Ventileinheit 100 eingebracht wird.
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[Erste Ausführungsform]
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Der Auslass des Rückschlagventils 10 ist mit einem ersten Gasströmungskanal 20 verbunden, der in dem Korpus 2 ausgebildet ist. Der erste Gasströmungskanal 20 hat einen kreisförmigen Querschnitt und einen Knick 21 in einem Teil desselben. Der Knick ist um 90° abgeknickt. Ein Teil des ersten Gasströmungskanals 20 stromab des Knicks 21 (dieser Teil wird nachstehend als „stromabwärtiger Teil 22 des ersten Gasströmungskanals“ bezeichnet) ist gerade, und ein Ende des stromabwärtigen Teils ist mit einem vorderen Ende eines zylindrischen Teils 25 verbunden. Der zylindrische Teil ist im Korpus 2 ausgebildet und hat einen Durchmesser, der größer ist als der des stromabwärtigen Teils 22. Dieser zylindrische Teil 25 hat einen Verbindungsanschluss 26 mit dem Gastank 1, und der Gastank 1 wird über den Verbindungsanschluss 26 mit Hochdruckwasserstoffgas gefüllt.
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In den zylindrischen Teil 25 ist ein beweglicher Ventilabschnitt 31 eines An-Aus-Ventils 30, das beispielsweise ein elektromagnetisches Ventil ist, vorwärts und rückwärts beweglich eingesetzt. Wenn sich der bewegliche Ventilabschnitt 31 nach vorne bewegt, wird der Verbindungsanschluss 26 geschlossen. Wenn sich der bewegliche Ventilabschnitt 31 nach hinten bewegt, wird der Verbindungsanschluss 26 geöffnet. Wenn der Verbindungsanschluss 26 offen ist, ist der erste Gasströmungskanal 20 mit dem Gastank 1 verbunden.
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Ein abzweigender Teil bzw. Abzweigteil
23 ist an einer Position zwischen dem Knick 21 des ersten Gasströmungskanals
20 und dem Verbindungsanschluss
26 zum Gastank 1 ausgebildet, d.h. an einer geeigneten Position des stromabwärtigen Teils
22 des ersten Gasströmungskanals, wie vorstehend beschrieben. Von diesem Abzweigteil
23 zweigt ein zweiter Gasströmungskanal
24 in eine Richtung von 90° relativ zur Richtung der Mittelachsenlinie des stromabwärtigen Teils
22 des ersten Gasströmungskanals ab. Ein stromabwärtiges Ende dieses zweiten Gasströmungskanals
24 ist mit einem An-Aus-Ventil 40 verbunden, das beispielsweise ein elektromagnetisches Ventil ist. Wenn das An-Aus-Ventil 40 geschlossen ist, ist die nach außen gehende Seite des zweiten Gasströmungskanals 24 geschlossen. Wenn das An-Aus-Ventil
40 geöffnet ist, ist die nach außen gehende Seite des zweiten Gasströmungskanals
24 über das An-Aus-Ventil
40 mit einem Druckreduzierventil 3 und einer am Fahrzeug montierten Brennstoffzelle
4 verbunden. Hierdurch wird der Brennstoffzelle
4 Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Das An-Aus-Ventil 40 als elektromagnetisches Ventil kann ein allgemein bekanntes Ventil sein, wie es beispielsweise in der vorstehend genannten
JP 2016-80001 A beschrieben ist, so dass auf eine detaillierte Beschreibung des An-Aus-Ventils
40 an dieser Stelle verzichtet wird.
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An einem Teil des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals, der an einer stromaufwärtigen Stelle des Abzweigteils 23 liegt, d.h. an einem Teil zwischen dem Knick 21 und dem Abzweigteil 23 des ersten Gasströmungskanal 20, ist ein Ausrichtelement 50 innerhalb des Gasströmungskanals angeordnet. Das Ausrichtelement 50 ist derart ausgestaltet, dass die Gasströmung von der stromaufwärtigen Seite derart begradigt bzw. ausgerichtet werde kann, dass diese parallel zur Richtung der Mittelachsenlinie des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals ist. Wenn hierbei D der Durchmesser des zylindrischen stromabwärtigen Teils des ersten Gasströmungskanals ist, hat das Ausrichtelement 50 vorzugsweise eine Länge in Richtung der Achslinie von L ≥ 1,5 D.
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Die 2A bis 2D zeigen einige Beispiele der spezifischen Gestalt des Ausrichtelements 50, die zeigen, dass das Ausrichtelement an einem Teil zwischen dem Knick 21 und dem Abzweigteil 23 des ersten Gasströmungskanals 20 angeordnet ist. In den 2A bis 2D zeigen die oberen Ansichten Draufsichten und die unteren Ansichten zeigen Schnittansichten entlang der Linie s-s der entsprechenden oberen Ansichten.
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Das Ausrichtelement 50a aus 2A besteht aus einem zylindrischen Korpus 51 mit einem Außendurchmesser D und einer Länge L, sowie eine senkrechten Wand 52 mit einer Länge L, die in dem Teil an der Innenumfangsfläche des zylindrischen Korpus 51 mit dem maximalen Durchmesser in Richtung der Achslinie des zylindrischen Korpus 51 steht. Der Innenraum des Ausrichtelements 50a ist durch die senkrechte Wand 52 in zwei Teile in axiale Richtung geteilt. Das Ausrichtelement 50b aus 2B hat eine andere senkrechte Wand 53, die senkrecht zu und integral mit der senkrechten Wand 52 des Ausrichtelements 50a aus 2A ausgebildet ist. In diesem Fall ist der Innenraum des Ausrichtelements 50b durch die senkrechten Wände 52 und 53 in vier Teile in axiale Richtung geteilt.
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Das Ausrichtelement50c aus 2C hat einen Quader 55 mit einer Diagonallinie mit einer Länge D und einer Länge L, und eine zylindrische Verbindungsöffnung 56 mit einem Durchmesser d, die in einem Mittelteil des Quaders gebohrt ist. Wie in der oberen Ansicht von 2C gezeigt ist, ist das Ausrichtelement 50c an einem Teil zwischen dem Knick 21 und dem Abzweigteil 23 des ersten Gasströmungskanals 20 angeordnet. Hierdurch wird der Innenraum des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals in fünf Räume unterteilt, umfassend vier Räume 57, die durch die Innenumfangsfläche des ersten Gasströmungskanals und die vier Außenumfangswände des Quaders 55 definiert sind, und einen Raum in der zylindrischen Verbindungsöffnung 56. Diese fünf Räume sind dabei sämtlich parallel zur axialen Mittellinie des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals.
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Das Ausrichtelement 50d aus 2D umfasst einen Quader 55, der gleich dem des Ausrichtelements 50c aus 2C ist, und Durchgangsbohrungen, die in den Quader 55 gebohrt sind, haben eine voneinander verschiedene Gestalt. Die Durchgangsbohrungen 58 des Ausrichtelements 50d sind in den Quader 55 gebohrt, und jede der Durchgangsbohrungen hat eine zylindrische Gestalt mit einem Durchmesser d1 (<d). Die passende Anzahl dieser Durchgangsbohrungen (vier Stück in der Zeichnung) ist in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet. Dieses Ausrichtelement 50d ist an einem Teil zwischen dem Knick 21 und dem Abzweigteil 23 des ersten Gasströmungskanals 20 angeordnet. Mit dieser Konfiguration wird der Innenraum des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals insgesamt in acht Räume unterteilt, umfassend vier Räume 57, die durch die Innenumfangsfläche des ersten Gasströmungskanals und die vier Außenumfangswände des Quaders 55 definiert sind, und vier Räume in den vier zylindrischen Verbindungsöffnungen 58. Auch in diesem Fall sind all diese acht Räume dabei parallel zur axialen Mittellinie des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals.
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Bezug nehmend auf die 3A und 3B wird nachfolgend die Funktion der Ventileinheit 100 beschrieben. Die 3A und 3B sind vergrößerte schematische Ansichten der Ventileinheit 100, die den ersten Gasströmungskanal 20, den stromabwärtigen Teil 22 des ersten Gasströmungskanals, der ein Teil stromab des Knicks 21 des ersten Gasströmungskanals 20 ist, und einen Teil des zweiten Gasströmungskanals 24, der von dem Abzweigteil 23 am stromabwärtigen Teil 22 des ersten Gasströmungskanals in 90°-Richtung abzweigt, zeigen. 3A zeigt die Gasströmung in der Ventileinheit 100 mit dem Ausrichtelement 50 der vorliegenden Ausführungsform und 3B zeigt die Gasströmung in der gleichen Ventileinheit ohne das Ausrichtelement 50.
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Wenn der Fahrzeuggastank 1 von der externen Wasserstofftankstelle 5 mit Hochdruckwasserstoffgas befüllt wird, wird das An-Aus-Ventil 30 am Ende des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals geöffnet, und das An-Aus-Ventil 40 des zweiten Gasströmungskanals 24 wird geschlossen. Wenn die Befüllmaschine 6 betätigt wird, strömt das Hochdruckwasserstoffgas vom der Wasserstofftankstelle 5 über das Rückschlagventil 10 in den ersten Gasströmungskanal 20 und wird dem Gastank 1 über den Verbindungsanschluss 26 zum Gastank 1 zugeführt. Während des Befüllens des Gastanks 1 mit Gas steht das Innere des Gastanks 1 unter niedrigem Druck, und die Gasströmung f strömt mit hoher Geschwindigkeit durch den ersten Gasströmungskanal 20. Diese Gasströmung ist eine entlang der axialen Mittellinie des ersten Gasströmungskanals 20 parallele Strömung.
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Die Gasströmung f im ersten Gasströmungskanal 20 erreicht den Knick 21 des ersten Gasströmungskanals 20 und dreht dort in die 90°-Richtung. Wie in 3B gezeigt ist, verwandelt sich die mit hoher Geschwindigkeit strömende Gasströmung f aufgrund dieser Drehung der Richtung in eine Vortexströmung f1. Diese Vortexströmung f1 gelangt dann durch den stromabwärtigen Teil 22 des ersten Gasströmungskanals und erreicht den Verbindungsanschluss 26 des Gastanks 1. Wenn die Gasströmung f Wasser enthält, wie in 3B gezeigt ist, kann das Wasser im Gas aufgrund der Zentrifugalkraft des Wirbels in den zweiten Gasströmungskanal 24 gelangen, wenn die Vortexströmung f1 durch den Abzweigteil 23 in Richtung zum zweiten Gasströmungskanal 24 strömt.
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Wenn das Befüllen des Gastanks 1 mit einer vorgegebenen Menge an Gas endet, wird das An-Aus-Ventil 30 geschlossen und der Tankstutzen der Befüllmaschine 6 wird vom Fahrzeug gelöst. Wenn die Fahrzeugbrennstoffzelle 4 betrieben wird, wird das An-Aus-Ventil 30 geöffnet, so dass der Gastank 1 und der erste Gasströmungskanal 20 über den Verbindungsanschluss 26 in Verbindung stehen. Dann gelangt das Hochdruckwasserstoffgas vom Gastank 1 durch den zweiten Gasströmungskanal 24 zum An-Aus-Ventil 40. Wenn das An-Aus-Ventil 40 geöffnet wird, wird das Wasserstoffgas der Brennstoffzelle 4 als der gasverbrauchenden Vorrichtung zugeführt, während der Druck durch das Druckreduzierventil 3 gesteuert bzw. geregelt wird.
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Während der Versorgung der Brennstoffzelle mit dem Wasserstoffgas strömen, wenn Wasser wie vorstehend beschrieben in den zweiten Gasströmungskanal 24 gelangt, das Wasser sowie die Gasströmung in das An-Aus-Ventil 40. In einem solchen Fall kann ein Problem beim Betrieb des An-Aus-Ventils 40 auftreten. Wenn sich die Ventileinheit 100 in einer Umgebung mit niedriger Temperatur befindet, kann das Wasser im zweiten Gasströmungskanal 24 gefrieren. Das Wasser im zweiten Gasströmungskanal 24 hat dann einen spürbaren Einfluss auf das An-Aus-Ventil 40.
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Wie in 3A gezeigt ist, hat die Ventileinheit 100 wie vorstehend beschrieben das Ausrichtelement 50 (z.B. gemäß einer der Bauarten 50a bis 50d in den 2A bis 2D) an einem Teil an einer stromaufwärtigen Stelle des Abzweigteils 23 des stromabwärtigen Teils 22 im ersten Gasströmungskanal, d.h. in einem Bereich zwischen dem Knick 21 und dem Abzweigteil 23 im ersten Gasströmungskanal 20. Mit einer derartigen Konfiguration kann, selbst wenn die Gasströmung f an einem Teil an der stromaufwärtigen Seite des Ausrichtelements 50 eine Vortexströmung f1 ist, die Vortexströmung f1 wärmend des Passierens des Ausrichtelements 50 derart ausgerichtet werden, dass diese parallel zur axialen Mittellinie der Durchgangsbohrung(en) 56, 58 oder Räume 57 ist, die durch das Ausrichtelement 50 definiert sind. Somit ist die Gasströmung f2 nach dem Durchströmen des Ausrichtelements 50 parallel zur Richtung der Mittelachslinie des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals. Somit tritt, wenn die Gasströmung f2 durch den Abzweigteil 23 des zweiten Gasströmungskanals 24 strömt, keine Strömungsablenkung in Richtung zum zweiten Gasströmungskanal 24 auf. Hierdurch kann das Eindringen von Wasser, das in der Gasströmung f enthalten sein kann, in den zweiten Gasströmungskanal 24 zuverlässig verhindert werden.
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Vorstehend ist ein Beispiel beschrieben, bei dem das durch den ersten Gasströmungskanal 20 der Ventileinheit 100 strömende Gas Wasserstoffgas ist, und die Vorrichtung, die das Wasserstoffgas verbraucht, die Fahrzeugbrennstoffzelle 4 ist. Die Verwendung der Ventileinheit 100 ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Jede Ventileinheit zur anderweitigen Verwendung, die den Knick 21 im ersten Gasströmungskanal 20 und den Abzweigteil 23 in Richtung zu, zweiten Gasströmungskanal 24 zwischen dem Knick 21 des ersten Gasströmungskanals 20 und dem Verbindungsanschluss 26 zu einem geeigneten Gastank umfasst, kann ein „Ausrichtelement“ wie vorstehend beschrieben umfassen, wodurch eine gewünschte Konfiguration der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann. Gas, das durch den ersten Gasströmungskanal 20 strömt, ist zudem nicht auf Wasserstoffgas beschränkt. Vorstehend ist zu Anschauungszwecken beschrieben, dass der Knick 21 um 90° gebogen ist, wobei der Winkel des Knicks jeder beliebige Winkel sein kann.
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Vorstehend ist ein Beispiel beschrieben, bei dem der erste Gasströmungskanal 20 stromab des Knicks 21 einen kreisförmigen Querschnitt und einen Durchmesser D hat, das Ausrichtelement 50 eine Länge L in Richtung der axialen Mittellinie hat, und vorzugsweise gilt L ≥ 1,5 D. Entsprechend der Experimente der Erfindung kann, wenn die Bedingung L ≥ 1,5 D erfüllt ist, die Vortexströmung f1 hochwahrscheinlich zur ausgerichteten Strömung f2 begradigt werden. Wenn L < 1,5 D, verbleibt in einigen Fällen der Vortexströmung f1 weiterhin eine Wirbel- bzw. Vortexkomponente nach dem Passieren des Ausrichtelements 50. Selbst wenn die Gasströmung d ursprünglich die gleichen Bewegungsbedingungen hat, variiert die Wirbelkraft der Vortexströmung f1 mit dem Durchmesser des ersten Gasströmungskanals 20 und des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals, sowie mit dem Winkel der Biegung des Knicks 21. Daher wird vorzugsweise eine optimale Bedingung, die L ≥ 1,5 D erfüllt, anhand der Experimente gewählt.
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[Zweite Ausführungsform]
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Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform der Ventileinheit beschrieben. Die Ventileinheit der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der Ventileinheit 100 der ersten Ausführungsform nur darin, dass sie einen nachfolgend beschriebenen „Kanalteiler“ anstelle des „Ausrichtelements 50 (50a bis 50d)“ in der Ventileinheit 100 der ersten Ausführungsform umfasst. Die Verwendung der Ventileinheit und die Art des durch die Ventileinheit strömenden Gases sind gleich wie bei der Ventileinheit 100 der ersten Ausführungsform. Nachfolgend wird hauptsächlich der Aufbau des „Kanalteilers“ beschrieben und auf den Aufbau und die Darstellung der übrigen Strukturen wird verzichtet.
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Die 4A und 4B zeigen die Ventileinheit der zweiten Ausführungsform, die der Darstellung aus 3A entspricht, und 4B zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie b-b aus 4A. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile wie in den 3A und 3B.
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In dieser Ausführungsform ist ein flacher, plattenförmiger Kanalteiler 60 an einem Teil an einer stromabwärtigen Seite des Knicks 21 im ersten Gasströmungskanal 20 (dem stromabwärtigen Teil 22 des ersten Gasströmungskanals) und an einer Stelle zum Aufteilen des Kanals in zwei Teile in Gasströmungsrichtung, d.h. entlang der Achslinie des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals 20, angeordnet. In dem gezeigten Beispiel hat, wie in 4B dargestellt ist, der Kanalteiler 60 eine Breite, die gleich dem Durchmesser des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals 20 ist. Wie in 4A gezeigt ist, hat der Kanalteiler ein oberes Ende, das mit der Oberfläche des ersten Gasströmungskanals 20 am Knick 21 in Kontakt steht, und ein unteres Ende, das an einer stromabwärtigen Seite des Abzweigteils 23 angeordnet ist.
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Mit dieser Konfiguration ist der stromabwärtige Teil 22 des ersten Gasströmungskanals 20 in zwei Teile in Richtung der Achslinie an einem Teil aufgeteilt, in dem der Kanalteiler 60 angeordnet ist, und die beiden aufgeteilten Kanäle verbinden sich miteinander an einer Position stromabwärts des unteren Endes des Kanalteilers 60. Einer der aufgeteilten Kanäle 22a ist mit dem ersten Gasströmungskanal 20 an einem Teil an einer stromaufwärtigen Stelle des Knicks 21 verbunden, und ist somit mit dem Gaseinlass verbunden. Der andere der aufgeteilten Kanäle 22b ist mit dem zweiten Gasströmungskanal 24 über den Abzweigteil 23 verbunden, der an einem Teil des ersten Gasströmungskanals liegt, wo der Kanalteiler 60 angeordnet ist.
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Nachfolgend wird die Funktion dieser Ventileinheit beschrieben. Ähnlich zur Ventileinheit 100 der ersten Ausführungsform wird der Fahrzeuggastank 1 mit Hochdruckwasserstoff von einer externen Wasserstofftankstelle 5 befüllt. Das strömt über das in 1 gezeigte Rückschlagventil 10 in den ersten Gasströmungskanal 20, und somit strömt eine Gasströmung f mit hoher Geschwindigkeit durch den ersten Gasströmungskanal 20.
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Die Gasströmung f im ersten Gasströmungskanal 20 erreicht den Knick 21 des ersten Gasströmungskanals 20, kollidiert mit dem Kanalteiler 60, der am Knick 21 angeordnet ist, und biegt ab, um nach unten zu strömen. Die Gasströmung wird aufgrund der Kollision gestört bzw. verwirbelt und die Gasströmung strömt in diesem Zustand durch einen der aufgeteilten Kanäle 22a nach unten. Dann erreicht die Gasströmung den Verbindungsanschluss 26 zum Gastank 1. Das untere Ende des Kanalteilers 60 ist stromab des Abzweigteils 23 angeordnet. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Gasströmung, die durch den einen Kanal 22a nach unten strömt, die verwirbelt oder gerade sein kann, über den Abzweigteil 23 in den zweiten Gasströmungskanal 24 strömt. Hierdurch kann zuverlässig das Eindringe von Wasser, das in der Gasströmung enthalten sein kann, in den zweiten Gasströmungskanal 24 verhindert werden.
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Ähnlich wie bei der Ventileinheit 100 der ersten Ausführungsform strömt, wenn Wasserstoffgas vom Gastank der Brennstoffzelle 4 als Brennstoff zugeführt wird, das Gas wie eine Gasströmung fa in 5. Das bedeutet, Hochdruckgas vom Gastank strömt zunächst in die beiden durch den Kanalteiler 60 aufgeteilten Kanäle 22a und 22b. Einer der Kanäle 22a ist jedoch durch das Rückschlagventil blockiert, so dass das Gas nicht aus dem Kanal 22a nach außen strömen kann. Im Gegenteil: das obere Ende des anderen Kanals 22b ist verschlossen, da das obere Ende des Kanalteiles 60 mit der Oberfläche des ersten Gasströmungskanals 20 am Knick 21 in Kontakt steht, so dass das in den anderen Kanal 22b strömende Gas über den Abzweiganschluss 23 in den zweiten Gasströmungskanal 24 strömt, um zur Brennstoffzelle 4 zu gelangen.
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Wie vorstehend beschrieben ist, kann die Ventileinheit der zweiten Ausführungsform verhindern, dass das Gas, während es bei der Befüllung des Gastanks nach unten strömt, direkt mit der Öffnung des Abzweigteils 23 in Kontakt gelangt. Auf diese Weise kann die Ventileinheit, ähnlich wie die Ventileinheit 100 der ersten Ausführungsform, verhindern, dass das Gas während des Befüllens des Gastanks in den zweiten Gasströmungskanal 24 strömt.
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Die 4A, 4B und 5 zeigen eine flache Platte als Kanalteiler 60. Alternativ kann, wie in 6 gezeigt ist, der Kanalteiler 60 eine überkreuzte Kombination zweier flacher Platten 61, 62 sein.
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Die 7A und 7B zeigen eine andere Bauart der Ventileinheit der zweiten Ausführungsform, die den 4A und 4B entspricht. 7B ist eine Schnittansicht entlang der Linie b-b aus 7A. Der Kanalteiler 70 dieser Ausführungsform unterscheidet sich von dem der 4A und 4B darin, dass der Kanalteiler den stromabwärtigen Teil 22 des ersten Gasströmungskanals 20 nur in der Nähe des Abzweigteils 23 in zwei Teile teilt.
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In der in den 7A und 7B gezeigten Ausführungsform ist der Kanalteiler 70 halbelliptisch, und ein Außenumfangsrandteil als gebogener Abschnitt der Halbellipse ist über dem Abzweigteil 23 angeordnet und an der Innenumfangsfläche des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals 20 befestigt, so dass der Kanalteiler wie eine schräge Platte integral mit dem stromabwärtigen Teil 22 des ersten Gasströmungskanals 20 ausgebildet ist. Der untere Endteil des Kanalteilers 70 ist gerade und geht bis zu einem Teil unter dem Abzweigteil 23.
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Wie in den 7A und 7B gezeigt ist, teilt ein derartiger Kanalteiler 70, der wie eine schräge Platte ausgebildet ist, einen Teil des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals 20 in einen ersten Kanal 22x auf der linken Seite und einen zweiten Kanal 22y auf der rechten Seite, die auf der gegenüberliegenden Seite jenseits des Kanalteilers 70 liegt. Der erste Kanal 22x als einer der aufgeteilten Kanäle steht mit dem stromaufwärtigen ersten Gasströmungskanal 20 in Verbindung und ist so mit dem Gaseinlass verbunden. Der zweite Kanal 22y als der andere aufgeteilte Kanal ist mit dem zweiten Gasströmungskanal 24 über den Abzweigteil 23 verbunden, der an einem Teil des ersten Gasströmungskanals liegt, wo der Kanalteiler 70 angeordnet ist.
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Die vorteilhaften Effekte dieses Kanalteilers 70 sind im Wesentlichen gleich jenen des Kanalteilers 60 der 4A, 4B und 5, so dass auf deren Beschreibung hier verzichtet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Ventileinheit
- 1
- Gastank
- 2
- Korpus
- 3
- Druckreduzierventil
- 4
- Brennstoffzelle
- 5
- externe Wasserstofftankstelle
- 6
- Befüllmaschine
- 7
- Gasspeicher
- 10
- Rückschlagventil
- 11
- Fülleinlass des Rückschlagventils
- 20
- erster Gasströmungskanal
- 21
- Knick
- 22
- stromabwärtiger Teil des ersten Gasströmungskanals
- 23
- Abzweigteil
- 24
- zweiter Gasströmungskanal
- 25
- zylindrischer Teil
- 26
- Verbindungsanschluss zum Gastank
- 30
- An-Aus-Ventil als elektromagnetisches Ventil
- 31
- beweglicher Ventilabschnitt als elektromagnetisches Ventil
- 40
- An-Aus-Ventil als elektromagnetisches Ventil
- 50 (50a bis 50d)
- Ausrichtelement
- 51
- zylindrisches Teil
- 52, 53
- senkrechte Wand
- 55
- Quader
- 56, 58
- zylindrische Verbindungsöffnung, die in eine Mitte des Quaders gebohrt ist
- 57
- Raum, der mit dem Ausrichtelement definiert wird
- 60, 70
- Kanalteiler
- D
- Durchmesser des stromabwärtigen Teils 22 des ersten Gasströmungskanals 20, in dem das Ausrichtelement angeordnet ist
- L
- Länge des Ausrichtelements
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2016080001 A [0002, 0003, 0016]
