DE102019132504A1 - Gas pressure sensor and gas supply arrangement - Google Patents
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
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Abstract
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Gasdrucksensor 10 mit einer Anschlussöffnung 22, einer Membran 30, einem Kanal 20 und einem Sensorelement 40, wobei zumindest ein Verzögerungselement 60, 70 in dem Kanal 20 angeordnet ist, um eine Druckausbreitung im Kanal 20 und/oder eine Temperaturerhöhung im Kanal 20 zu verzögern. Dadurch kann ein Überschießen eines Ausgangssignals bei schneller Druckerhöhung verhindert werden. Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ferner eine Gasversorgungsanordnung 100 mit einem solchen Gasdrucksensor 10.The technology disclosed here relates to a gas pressure sensor 10 with a connection opening 22, a membrane 30, a channel 20 and a sensor element 40, at least one delay element 60, 70 being arranged in the channel 20 in order to spread pressure in the channel 20 and / or to increase the temperature delay in channel 20. This can prevent an output signal from overshooting when the pressure increases rapidly. According to the invention, the technology disclosed here also relates to a gas supply arrangement 100 with such a gas pressure sensor 10.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Gasdrucksensor sowie eine Gasversorgungsanordnung.The technology disclosed here relates to a gas pressure sensor and a gas supply arrangement.
Kraftfahrzeuge können beispielsweise mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Hierzu können Druckgasspeichersysteme im Kraftfahrzeug installiert sein, welche beispielsweise einen oder mehrere Druckbehälter zum Speichern von gasförmigem Brennstoff, schaltbare Tankventile und Gasdrucksensoren aufweisen können. Die Gasdrucksensoren dienen dabei zur Überwachung des Gasdrucks an bestimmten Stellen.Motor vehicles can be operated with gaseous fuel, for example. For this purpose, compressed gas storage systems can be installed in the motor vehicle, which can have, for example, one or more pressure vessels for storing gaseous fuel, switchable tank valves and gas pressure sensors. The gas pressure sensors are used to monitor the gas pressure at certain points.
Es ist grundsätzlich bekannt, Gasdrucksensoren mit einer Temperaturkompensation zu versehen, welche Einflüsse aufgrund sich ändernder Umgebungstemperatur kompensiert. Es wurde jedoch erkannt, dass Gasdrucksensoren insbesondere beim Aufschalten der Tankventile kurzzeitig Drücke anzeigen können, welche zu hoch sind. Dieses Phänomen lässt sich mit üblichen Einrichtungen zur Temperaturkompensation nicht beheben.It is basically known to provide gas pressure sensors with temperature compensation which compensates for influences due to changing ambient temperature. However, it was recognized that gas pressure sensors can briefly indicate pressures which are too high, especially when the tank valves are switched on. This phenomenon cannot be remedied with conventional temperature compensation devices.
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, einen Gasdrucksensor mit verbessertem Verhalten beim Aufschalten von Tankventilen vorzusehen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed here to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to propose an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed here to provide a gas pressure sensor with improved behavior when tank valves are switched on. Further preferred objects can result from the advantageous effects of the technology disclosed here. The objects are achieved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims represent preferred configurations.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Gasdrucksensor. Der Gasdrucksensor weist eine Anschlussöffnung auf. Er weist eine Membran auf, welche sich abhängig von einem Gasdruck verformt. Der Gasdrucksensor weist einen Kanal auf, welcher von der Anschlussöffnung zur Membran führt. Des Weiteren weist er ein Sensorelement zur Erfassung der Verformung der Membran und zum Erzeugen eines darauf basierenden Signals auf.The technology disclosed here relates to a gas pressure sensor. The gas pressure sensor has a connection opening. It has a membrane which deforms depending on a gas pressure. The gas pressure sensor has a channel which leads from the connection opening to the membrane. It also has a sensor element for detecting the deformation of the membrane and for generating a signal based thereon.
Der Gasdrucksensor weist zumindest ein Verzögerungselement auf, welches in dem Kanal angeordnet ist und eine Druckausbreitung im Kanal und/oder eine Temperaturerhöhung im Kanal verzögert.The gas pressure sensor has at least one delay element which is arranged in the channel and delays a pressure spread in the channel and / or a temperature increase in the channel.
Mittels eines solchen Gasdrucksensors kann vermieden werden, dass bei Aufschalten von Tankventilen, d.h. bei einer sehr schnellen Erhöhung des Gasdrucks, der Gasdrucksensor kurzzeitig einen zu hohen Druck anzeigt. Ein entsprechendes Verhalten wurde bei aus dem Stand der Technik bekannten Gasdrucksensoren beobachtet. Beispielsweise kann bei derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Gasdrucksensoren kurzzeitig ein Gasdruck angezeigt werden, welcher mehr als 100 bar über dem tatsächlich vorhandenen bzw. aufgrund der Druckverhältnisse im System überhaupt möglichen Gasdruck liegt. Dies kann zu unerwünschten Effekten wie beispielsweise der Aktivierung von Sicherheitseinrichtungen führen. Ein beispielhafter Signalverlauf ist in
Es wurde erkannt, dass derartige kurzzeitige Erhöhungen des angezeigten Drucks nicht auf einer Impulskraft bei der Druckerhöhung beruhen können. It was recognized that such short-term increases in the indicated pressure cannot be based on an impulse force during the pressure increase.
Hierzu wurde beispielhaft die folgende Rechnung aufgestellt, welche einen Anteil der Impulskraft an einem Kraftunterschied an einer Drucksensormembran mit einem Durchmesser von 3 mm angibt:
- Der Durchmesser der Drucksensormembran beträgt: d = 3 mm
- Die Fläche der Drucksensormembran beträgt: A = d2/4*Pi = 7,07E-6 m2
- Kraftunterschied: 523 N
- Angenommenes Volumen einer Hochdruck-Entnahme-Leitung: 15 ml H2-Masse bei 20 bar: 25 mg
- H2-Masse bei 760 bar: 637 mg
- Innerhalb von 100 ms strömen also 617 mg H2 in die Leitung.
- Der mittlere Massenstrom beträgt 6,17 g/s = 22,2 kg/h.
- The diameter of the pressure sensor membrane is: d = 3 mm
- The area of the pressure sensor membrane is: A = d 2/4 * Pi = 7.07E-6 m 2
- Difference in force: 523 N
- Assumed volume of a high pressure withdrawal line: 15 ml H 2 mass at 20 bar: 25 mg
- H 2 mass at 760 bar: 637 mg
- So within 100 ms 617 mg H 2 flow into the line.
- The mean mass flow is 6.17 g / s = 22.2 kg / h.
Die Strömungsgeschwindigkeit bei 6,2 g/s in einer D3-Leitung beträgt 20,5 m/s.
Daraus ergibt sich der Anteil der Impulskraft am Kraftunterschied:
- Der Impuls macht ca. 0,2 Promille aus.
- The impulse amounts to approx. 0.2 per mille.
Aufgrund des sehr geringen Anteils der Impulskraft kann die bereits erwähnte Druckerhöhung nicht vom Impuls kommen.Due to the very small proportion of the impulse force, the pressure increase mentioned above cannot come from the impulse.
Es hat sich vielmehr herausgestellt, dass die kurzzeitige Anzeige eines zu hohen Druckwerts auf einer Gaskompression unmittelbar vor der Membran und einer dadurch verursachten Temperaturerhöhung basiert, welche die Beweglichkeit der Membran verändert und durch normale Maßnahmen zur Temperaturkompensation nicht rechtzeitig kompensiert werden kann. Durch das gemäß der hier offenbarten Technologie vorgesehene Verzögerungselement im Kanal kann eine Druckausbreitung im Kanal verlangsamt werden, so dass es nicht zu einer ausreichend hohen Kompression vor der Membran zur Auslösung einer relevanten Temperaturerhöhung kommt und/oder es kann eine ansonsten voll eintretende Temperaturerhöhung im Kanal, welche durch eine bereits erfolgte Kompression ausgelöst wird, verzögert bzw. abgeführt werden.Rather, it has been found that the brief display of an excessively high pressure value is based on gas compression immediately in front of the membrane and a temperature increase caused by it, which changes the mobility of the membrane and cannot be compensated in time by normal temperature compensation measures. The delay element in the channel provided in accordance with the technology disclosed here can slow down the spread of pressure in the channel so that there is no sufficiently high compression in front of the membrane to trigger a relevant temperature increase and / or an otherwise fully occurring temperature increase in the channel, which is triggered by a compression that has already taken place, can be delayed or removed.
Die Anschlussöffnung kann insbesondere eine Öffnung des Gasdrucksensors sein, mit welcher der Gasdrucksensor an ein Volumen angeschlossen werden kann, dessen Gasdruck gemessen werden soll. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Entnahmeleitung handeln, welche von einem Druckbehälter zu einem Verbraucher führt.The connection opening can in particular be an opening of the gas pressure sensor with which the gas pressure sensor can be connected to a volume whose gas pressure is to be measured. For example, it can be a withdrawal line which leads from a pressure vessel to a consumer.
Die Membran kann insbesondere am Ende des Kanals angeordnet sein, welches der Anschlussöffnung gegenüberliegt. Mittels des Kanals kann erreicht werden, dass grundsätzlich an der Membran der gleiche Druck anliegt wie an der Anschlussöffnung, was sich insbesondere auf einen Zustand nach einem durchzuführenden Druckausgleich bezieht. Durch das vorgesehene Verzögerungselement kann ein Druckanstieg an der Membran im Vergleich zur Anschlussöffnung verlangsamt werden, wodurch die bereits beschriebenen vorteilhaften Effekte erreicht werden. Der Kanal kann geradlinig sein, kann jedoch auch geschwungen sein. Er kann insbesondere außerhalb des Verzögerungselements bzw. der Verzögerungselemente einen konstanten Durchmesser aufweisen. Das Signal, welches von dem Sensorelement basierend auf der Verformung der Membran erzeugt wird, kann insbesondere ein analoges oder sonstiges Ausgangssignal sein, welches von einer Auswerteschaltung ausgewertet wird. Eine solche Auswerteschaltung kann beispielsweise einen Wert ausgeben, welcher den Gasdruck an der Membran und damit im Regelfall auch an der Anschlussöffnung anzeigt.The membrane can in particular be arranged at the end of the channel which is opposite the connection opening. By means of the channel it can be achieved that in principle the same pressure is applied to the membrane as to the connection opening, which relates in particular to a state after a pressure equalization to be carried out. The delay element provided enables a pressure increase on the membrane to be slowed down in comparison to the connection opening, as a result of which the advantageous effects already described can be achieved. The channel can be straight, but it can also be curved. It can in particular have a constant diameter outside of the delay element or the delay elements. The signal that is generated by the sensor element based on the deformation of the membrane can in particular be an analog or other output signal that is evaluated by an evaluation circuit. Such an evaluation circuit can, for example, output a value which indicates the gas pressure on the membrane and thus, as a rule, also on the connection opening.
Gemäß einer Ausführung ist ein Verzögerungselement als Verjüngung im Vergleich zum angrenzenden Teil des Kanals ausgebildet. Dadurch kann die Ausbreitung einer Druckwelle zur Membran hin verlangsamt werden, so dass ein Druckaufbau vor der Membran langsamer als sonst erfolgt. Die Verjüngung kann beispielsweise als Durchmesserverringerung des Kanals ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Durchmesser um mehr als 50 %, mehr als 80 %, mehr als 90 % oder mehr als 95 % im Vergleich zum angrenzenden Teil des Kanals oder auch zum Rest des Kanals verringert werden.According to one embodiment, a delay element is designed as a taper compared to the adjacent part of the channel. As a result, the propagation of a pressure wave towards the membrane can be slowed down so that a pressure build-up in front of the membrane takes place more slowly than usual. The taper can, for example, be designed as a diameter reduction of the channel. For example, the diameter can be reduced by more than 50%, more than 80%, more than 90% or more than 95% compared to the adjacent part of the channel or also to the rest of the channel.
Gemäß einer Ausführung ist zumindest ein Verzögerungselement als Wärmeabführelement ausgebildet. Dadurch kann eine eventuell entstehende Kompression nicht die Temperatur so weit bzw. so schnell erhöhen, wie sie dies ohne ein Wärmeabführelement könnte. Ein Wärmeabführelement kann insbesondere eine in den Kanal eingreifende Einrichtung sein, welche eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat und beispielsweise mit einer externen Wärmesenke zum Abführen der Wärme verbunden sein kann. Beispielsweise kann als Wärmeabführelement ein Filter oder insbesondere ein Sinterfilter verwendet werden. Ein Filter kann beispielsweise Poren von einer definierten Größe aufweisen, welche für einen definierten Durchlass von Gas sorgen, wobei derartige Poren in einem wärmeleitfähigen Material gebildet werden, welches in den Kanal eingreift und somit eine entstehende Wärme abführen kann.According to one embodiment, at least one delay element is designed as a heat dissipation element. As a result, any compression that may occur cannot increase the temperature as far or as quickly as it could without a heat dissipating element. A heat dissipation element can in particular be a device which engages in the channel and which has a high thermal conductivity and, for example, with an external heat sink can be connected to dissipate the heat. For example, a filter or, in particular, a sintered filter can be used as the heat dissipation element. A filter can, for example, have pores of a defined size, which ensure a defined passage of gas, with such pores being formed in a thermally conductive material which engages in the channel and can thus dissipate any heat that is generated.
Gemäß einer Ausführung weist der Gasdrucksensor genau ein Verzögerungselement auf. Dies erlaubt eine einfache Ausführung. Beispielsweise kann es sich bei dem Verzögerungselement um eine bereits erwähnte Verjüngung oder um ein bereits erwähntes Wärmeabführelement handeln. Letzteres kann insbesondere als Filter bzw. als Sinterfilter ausgebildet sein.According to one embodiment, the gas pressure sensor has exactly one delay element. This allows a simple implementation. For example, the delay element can be an already mentioned taper or an already mentioned heat dissipation element. The latter can in particular be designed as a filter or as a sintered filter.
Gemäß einer Ausführung weist der Gasdrucksensor ein erstes Verzögerungselement und ein zweites Verzögerungselement auf. Das erste Verzögerungselement kann dabei insbesondere als Verjüngung im Vergleich zum angrenzenden Teil des Kanals ausgebildet sein. Das zweite Verzögerungselement kann als Wärmeabführelement ausgebildet sein. Die Verjüngung bzw. das Wärmeabführelement können insbesondere wie bereits beschrieben ausgeführt sein. Durch die Verwendung von zwei Verzögerungselementen kann deren Wirkung kombiniert werden, so dass die Ausbildung einer unerwünschten Signalerhöhung bei einem plötzlichen Druckanstieg in besonders vorteilhafter Weise unterbunden werden kann.According to one embodiment, the gas pressure sensor has a first delay element and a second delay element. The first delay element can in particular be designed as a taper compared to the adjacent part of the channel. The second delay element can be designed as a heat dissipation element. The taper or the heat dissipation element can in particular be designed as already described. By using two delay elements, their effect can be combined, so that the formation of an undesired signal increase in the event of a sudden pressure increase can be prevented in a particularly advantageous manner.
Gemäß einer Ausführung weist der Gasdrucksensor einen Druckstutzen und ein Steckergehäuse auf. Die Anschlussöffnung, der Kanal und die Membran können insbesondere in dem Druckstutzen angeordnet sein. Das Sensorelement kann insbesondere im Steckergehäuse angeordnet sein. Druckstutzen und Steckergehäuse können insbesondere miteinander verbunden sein. Beispielsweise können sie aneinander eingeklipst werden. Dies erlaubt eine unabhängige Herstellung von Druckstutzen und Steckergehäuse sowie eine einfache Wartung der darin enthaltenen Komponenten.According to one embodiment, the gas pressure sensor has a pressure port and a connector housing. The connection opening, the channel and the membrane can in particular be arranged in the pressure port. The sensor element can in particular be arranged in the connector housing. The pressure port and connector housing can in particular be connected to one another. For example, they can be clipped onto one another. This allows the pressure nozzle and connector housing to be manufactured independently, as well as simple maintenance of the components contained therein.
Das Verzögerungselement oder ein das Verzögerungselement enthaltendes Bauteil kann insbesondere ein Außengewinde aufweisen und in ein dazu komplementäres Innengewinde des Kanals eingeschraubt sein. Dies erlaubt eine einfache Montage des Verzögerungselements.The delay element or a component containing the delay element can in particular have an external thread and be screwed into a complementary internal thread of the channel. This allows simple assembly of the delay element.
Eine Verjüngung kann beispielsweise auch mittels eines einstückig mit dem Rest des den Kanal umgebenden Materials ausgebildeten oder auf sonstige Art verbundenen Materialvorsprungs ausgebildet sein.A taper can also be formed, for example, by means of a material projection formed in one piece with the rest of the material surrounding the channel or connected in some other way.
Der Gasdrucksensor kann insbesondere ein an dem Rest des Gasdrucksensors angeschweißtes Element aufweisen, in welchem das bzw. ein Verzögerungselement angeordnet ist. Dies erlaubt eine separate Herstellung eines Elements mit dem Verzögerungselement, welches dann durch ein einfaches Anschweißen am Rest des Gasdrucksensors befestigt werden kann. Auch andere Befestigungsvarianten wie beispielsweise Kleben oder Verklemmen können hierbei verwendet werden.The gas pressure sensor can in particular have an element welded to the rest of the gas pressure sensor, in which the or a delay element is arranged. This allows an element with the delay element to be produced separately, which element can then be attached to the rest of the gas pressure sensor by simply welding it on. Other fastening variants such as gluing or clamping can also be used here.
Das Verzögerungselement kann insbesondere eine Länge von 10 % bis 30 % einer Länge des Kanals haben. Derartige Ausführungen haben sich sowohl für eine Verjüngung wie auch für ein Wärmeabführelement als vorteilhaft erwiesen.The delay element can in particular have a length of 10% to 30% of a length of the channel. Such designs have proven to be advantageous both for a taper and for a heat dissipation element.
Sofern der Gasdrucksensor sowohl eine Verjüngung wie auch ein Wärmeabführelement aufweist, kann das Wärmeabführelement insbesondere näher an der Membran als die Verjüngung angeordnet sein. Dies erlaubt ein gezielteres Abführen von vor der Membran entstehender Wärme und ein rechtzeitiges Abhalten eines plötzlichen Druckanstiegs.If the gas pressure sensor has both a taper and a heat dissipation element, the heat dissipation element can in particular be arranged closer to the membrane than the taper. This allows a more targeted dissipation of heat generated in front of the membrane and a timely prevention of a sudden increase in pressure.
Der Gasdrucksensor kann insbesondere zum Messen eines Gasdrucks von Wasserstoff, jedoch auch von anderen Gasen ausgebildet sein.The gas pressure sensor can in particular be designed to measure a gas pressure of hydrogen, but also of other gases.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner eine Gasversorgungsanordnung. Die Gasversorgungsanordnung weist einen Druckbehälter zum Speichern von Gas auf. Sie weist eine Entnahmeleitung auf, welche an dem Druckbehälter angeschlossen ist. Die Gasversorgungsanordnung weist ein Ventil zum Schalten oder Steuern eines Gasdurchflusses auf, wobei das Ventil in der Entnahmeleitung oder zwischen Entnahmeleitung und Druckbehälter angeordnet ist. Die Gasversorgungsanordnung weist einen Gasdrucksensor wie hierin beschrieben auf, dessen Anschlussöffnung an der Entnahmeleitung angeschlossen ist, wobei sich das Ventil zwischen Gasdrucksensor und Druckbehälter befindet.The technology disclosed here also relates to a gas supply arrangement. The gas supply arrangement has a pressure vessel for storing gas. It has a withdrawal line which is connected to the pressure vessel. The gas supply arrangement has a valve for switching or controlling a gas flow, the valve being arranged in the extraction line or between the extraction line and the pressure vessel. The gas supply arrangement has a gas pressure sensor as described herein, the connection opening of which is connected to the extraction line, the valve being located between the gas pressure sensor and the pressure vessel.
Bezüglich des Gasdrucksensors kann auf alle hierin beschriebenen Ausführungen und Varianten zurückgegriffen werden.With regard to the gas pressure sensor, all of the designs and variants described herein can be used.
Mittels einer solchen Gasversorgungsanordnung kann ein Gasdruck in der Entnahmeleitung überwacht werden, ohne dass es zu den eingangs beschriebenen negativen Effekten eines deutlich erhöhten Druckwerts beim Aufschalten von Ventilen kommt. Die Entnahmeleitung kann dabei insbesondere zu einem Verbraucher wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor oder einer Brennstoffzelle führen, welche mit im Druckbehälter gespeichertem Gas, also in diesem Fall gasförmigem Brennstoff, betrieben wird.A gas pressure in the extraction line can be monitored by means of such a gas supply arrangement without the negative effects of a significantly increased pressure value described at the outset occurring when valves are switched on. The extraction line can in particular lead to a consumer such as an internal combustion engine or a fuel cell, which is operated with gas stored in the pressure vessel, that is to say in this case with gaseous fuel.
Die Gasversorgungsanordnung kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug wie beispielsweise einem Personenkraftwagen, einem Kraftrad oder einem Nutzfahrzeug verwendet werden. Der Druckbehälter dient dabei insbesondere zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigem Brennstoff. Die Gasversorgungsanordnung kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem (auch „Compressed Natural Gas“ oder CNG genannt) oder verflüssigtem (auch „Liquid Natural Gas“ oder LNG genannt) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Die Anschlussleitung kann mit mindestens einem Energiewandler fluidverbunden sein, der eingerichtet ist, die chemische Energie des Brennstoffs in andere Energieformen umzuwandeln. Der Druckbehälter kann insbesondere ein Composite Overwrapped Pressure Vessel sein. Er kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter 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 Kraftfahrzeugs liegen.The gas supply arrangement can in particular be used in a motor vehicle such as a passenger car, a motorcycle or a utility vehicle. The pressure vessel is used in particular to store fuel that is gaseous under ambient conditions. The gas supply arrangement can be used, for example, in a motor vehicle that is operated with compressed (also called “Compressed Natural Gas” or CNG) or liquefied (also called “Liquid Natural Gas” or LNG) natural gas or with hydrogen. The connecting line can be fluidly connected to at least one energy converter which is set up to convert the chemical energy of the fuel into other forms of energy. The pressure vessel can in particular be a composite overwrapped pressure vessel. For example, it can be a cryogenic pressure vessel or a high pressure gas vessel. High-pressure gas containers are designed to store fuel permanently at ambient temperatures at a nominal operating pressure (also called “nominal working pressure” or NWP) of approx. 350 barg (= overpressure compared to atmospheric pressure), further preferably of approx. 700 barg or more. A cryogenic pressure vessel is suitable for storing the fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures which are well below the operating temperature of the motor vehicle.
Bei dem Ventil kann es sich insbesondere um ein Tankabsperrventil handeln. Dieses kann auch als shut-off valve bezeichnet werden. Das Tankabsperrventil ist beispielsweise das Ventil, dessen Eingangsdruck (zumindest im Wesentlichen) dem Behälterdruck entspricht. Das Tankabsperrventil ist insbesondere ein steuerbares bzw. regelbares und insbesondere stromlos geschlossenes Ventil. Das Tankabsperrventil ist in der Regel in ein on-tank-valve integriert. Das on-tank-valve ist direkt an einem Ende des Druckbehälters montiert und eine mit dem Inneren des Druckbehälters direkt fluidverbundene Ventileinheit. In der Verordnung (EU) Nr.
Ein Druckbehälter kann insbesondere einen Liner und/oder eine Wandung aufweisen.A pressure vessel can in particular have a liner and / or a wall.
Mit anderen Worten wurde erkannt, dass es beim Aufschalten von Ventilen in verbundenen Leitungen zu sehr schnellen Druckerhöhungen kommen kann, wobei durch schlagartigen Druckanstieg in einer Sackgasse vor einer Membran Kompressionsenergie entstehen kann, welche in Wärme umgewandelt wird und das Gas erwärmt. Dies führt durch Wärmeübertragung auch zu einer Temperaturerhöhung im umliegenden Metall, vor allem an der meist dünnsten Stelle, der Messmembran. Dadurch reduziert sich ihre Steifigkeit, was eine erhöhte Verformung zur Folge hat. Die Dehnung eines auf der Membran aufgebrachten Dehnungsmessstreifens wird erhöht und ein Sensor ermittelt dadurch für einen bestimmten Zeitraum einen höheren Druck, der physikalisch nicht gegeben ist.In other words, it has been recognized that switching on valves in connected lines can lead to very rapid pressure increases, whereby a sudden pressure increase in a dead end in front of a membrane can generate compression energy, which is converted into heat and heats the gas. As a result of heat transfer, this also leads to an increase in temperature in the surrounding metal, especially at the usually thinnest point, the measuring membrane. This reduces their rigidity, which results in increased deformation. The expansion of a strain gauge applied to the membrane is increased and a sensor thereby determines a higher pressure for a certain period of time, which is not physically present.
Eine solche Messabweichung kann beispielsweise über 10 % des Messbereichs betragen und damit für Funktionen des Systems zu Problemen führen, da zum Beispiel Sicherheitsfunktionen fälschlicherweise ausgelöst werden können. Die Temperaturkompensation, welche bei bekannten Ausführungen verwendet wird, ist typischerweise zu träge, um diesen Effekt zu kompensieren. Dieser ist dafür ausgelegt, Temperaturänderungen des gesamten Bauteils zu kompensieren, nicht die punktuelle und sehr schnelle Erwärmung der Messmembran.Such a measurement deviation can be, for example, over 10% of the measuring range and thus lead to problems for functions of the system, since, for example, safety functions can be triggered incorrectly. The temperature compensation used in known designs is typically too sluggish to compensate for this effect. This is designed to compensate for temperature changes of the entire component, not the selective and very rapid heating of the measuring membrane.
Zur Lösung des Problems kann beispielsweise eine Bohrung zur offenen Seite hin stark verjüngt werden, zum Beispiel durch Montage einer Blende. To solve the problem, for example, a hole can be strongly tapered towards the open side, for example by installing a cover.
Aufgrund des Druckverlusts im verjüngten Bereich ist der Druckgradient im Bohrungshohlraum deutlich geringer. Dadurch ist der Druckanstieg und damit der Effekt der Erwärmung deutlich reduziert und die Messung wird weniger stark verfälscht.Due to the pressure loss in the tapered area, the pressure gradient in the bore cavity is significantly lower. This significantly reduces the pressure increase and thus the heating effect and the measurement is less falsified.
Beispielsweise kann in die Bohrung bzw. in den Kanal ein Innengewinde geschnitten werden und eine Madenschraube mit schmaler Bohrung kann montiert werden. Es kann auch eine Blende aufgeschweißt werden oder es kann eine Blende mit Außengewinde aufgeschweißt werden.For example, an internal thread can be cut into the bore or into the channel and a grub screw with a narrow bore can be installed. A cover can also be welded on or a cover with an external thread can be welded on.
Es kann auch in die Bohrung bzw. in den Kanal ein gut temperaturleitfähiges Material so eingesetzt werden, dass die Bohrung weiterhin ausreichend gasdurchlässig bleibt, um eine Messung zu ermöglichen. Die entstehende Wärme kann dann zu einem großen Teil von der Messmembran weg und in andere Bereiche der Komponente geleitet werden. Deshalb wird der Effekt der Erwärmung der Messmembran deutlich reduziert und die Messung wird weniger stark verfälscht.A material with good thermal conductivity can also be used in the bore or in the channel in such a way that the bore remains sufficiently gas-permeable to enable a measurement. A large part of the heat generated can then be conducted away from the measuring membrane and into other areas of the component. Therefore, the effect of heating the measuring membrane is significantly reduced and the measurement is less falsified.
Um eine gute Wärmeübertragung zwischen Gas und eingesetztem Material bzw. Wärmeabführelement zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn die Struktur des eingesetzten Materials bzw. Wärmeabführelements eine möglichst große Oberfläche aufweist. Beispielsweise kann ein Gewebe oder ein Honeycomb verwendet werden. Besonders geeignet hat sich ein Einsatz aus Sinterfilter-Material erwiesen. Das Verhältnis „Länge Filter“/„Länge Kanal im Sensor“ kann beispielsweise zwischen 0,1 und 0,3 betragen. Derartige Werte haben sich als vorteilhaft erwiesen.In order to enable good heat transfer between the gas and the material or heat dissipation element used, it is advantageous if the structure of the material or heat dissipation element used has the largest possible surface area. For example, a fabric or a honeycomb can be used. An insert made of sintered filter material has proven to be particularly suitable. The ratio “length filter” / “length channel in sensor” can be between 0.1 and 0.3, for example. Such values have proven to be advantageous.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 : einen Druckverlauf bei Gasdrucksensoren gemäß dem Stand der Technik, -
2 : einen Gasdrucksensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, -
3 : einen Gasdrucksensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, -
4 : einen Gasdrucksensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und -
5 : eine Gasversorgungsanordnung.
-
1 : a pressure curve for gas pressure sensors according to the state of the art, -
2 : a gas pressure sensor according to a first embodiment, -
3rd : a gas pressure sensor according to a second embodiment, -
4th : a gas pressure sensor according to a third embodiment, and -
5 : a gas supply arrangement.
Wie gezeigt verbleibt der Druck zunächst, d.h. vor dem Öffnen eines Ventils, auf einem sehr niedrigen Wert. Beim Öffnen eines Ventils erhöht sich das Signal S schlagartig, fällt dann jedoch etwa exponentiell wieder auf einen Wert ab, welcher sich dann nicht mehr verändert. Der letztere Wert entspricht im Wesentlichen dem Innendruck eines Druckbehälters abzüglich einer meist nur geringfügigen Verringerung des Drucks aufgrund des Öffnens des Ventils. Der höchste erreichte Wert ist jedoch um einen Wert P höher, er stellt somit einen Peak dar. Dieser entspricht jedoch nicht einem tatsächlich vorhandenen Druck, sondern hat seine Ursache in einer Temperaturerhöhung unmittelbar vor einer Messmembran, wobei die Temperaturerhöhung die Flexibilität der Messmembran erhöht und somit deren Verformung ebenfalls erhöht. Diese Verformung wird in das Signal S umgesetzt und führt somit zu dem in
In dem Druckstutzen
In dem Kanal
In der gezeigten Ausführung ist die Verjüngung
An der Entnahmeleitung
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, die/eine Entnahmeleitung, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Druckbehälter, die mindestens eine Entnahmeleitung etc.).For reasons of legibility, the expression “at least one” has been partially omitted for the sake of simplicity. If a feature of the technology disclosed here is described in the singular or indefinitely (e.g. the / a pressure vessel, the / a withdrawal line, etc.), the plurality of these should also be disclosed at the same time (e.g. the at least one pressure vessel, the at least one withdrawal line Etc.).
Der Begriff „im Wesentlichen“ (z.B. „im Wesentlichen dem Behälterdruck entspricht“) umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert (z.B. „entspricht dem Behälterdruck“) sowie jeweils für die Funktion der Eigenschaft des Wertes unerhebliche Abweichungen (z.B. „tolerierbare Abweichung vom Behälterdruck“).The term “essentially” (eg “essentially corresponds to the container pressure”) in the context of the technology disclosed here includes the exact property or the exact value (e.g. “corresponds to the container pressure”) as well as irrelevant for the function of the property of the value Deviations (eg "tolerable deviation from the container pressure").
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.The preceding description of the present invention is for illustrative purposes only and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 10:10:
- GasdrucksensorGas pressure sensor
- 12:12:
- DruckstutzenDischarge port
- 14:14:
- SteckergehäuseConnector housing
- 20:20:
- Kanalchannel
- 22:22:
- AnschlussöffnungConnection opening
- 24:24:
- Innengewindeinner thread
- 30:30:
- Membranmembrane
- 40:40:
- SensorelementSensor element
- 50:50:
- LeiterplatteCircuit board
- 60:60:
- Verjüngungrejuvenation
- 61:61:
- BauteilComponent
- 62:62:
- AußengewindeExternal thread
- 70:70:
- WärmeabführelementHeat dissipation element
- 80:80:
- angeschweißtes Elementwelded element
- 82:82:
- SchweißnahtWeld
- 84:84:
- erster Dichtringfirst sealing ring
- 86:86:
- zweiter Dichtringsecond sealing ring
- 100:100:
- GasversorgungsanordnungGas supply arrangement
- 110:110:
- Druckbehälterpressure vessel
- 120:120:
- VentilValve
- 130:130:
- EntnahmeleitungSampling line
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- EP 29/2009 [0031]EP 29/2009 [0031]
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