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Stand der Technik
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In Druckspeichern, vor allem in mobilen Anwendungen von technischen Gasen, wie bspw. bei einem Wasserstoffantrieb oder einem Erdgasantrieb, werden zum sicheren Verschließen von Druckbehältern Sicherheitsmagnetventile verwendet, die im stromlosen Zustand geschlossen sind. Dadurch wird sichergestellt, dass im geschlossenen Zustand eines Sicherheitsmagnetventils und bei Unfällen oder Defekten eines Druckbehälters zu jedem Zeitpunkt ein Gasaustritt vermieden wird.
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Aufgrund von regulatorischen Bestimmungen kann es erforderlich sein, dass ein Sicherheitsventil direkt an oder in einem Druckbehälter angebracht ist, was bei einem Tanksystem einer Maschine, insbesondere eines Fahrzeugs, zu einer Vielzahl von Sicherheitsventilen an einem jeweiligen Tanksystem führen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Ventilsystem und ein Druckspeicher mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ventilsystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Druckspeicher und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen kosteneffizienten und sicheren Druckspeicher zum Betrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen.
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Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Ventilsystem zur Anordnung in einem Flaschenhals eines Druckspeichers, vorgestellt. Das Ventilsystem umfasst einen Zuströmungskanal zum Einführen von Fluid in den Druckspeicher, mindestens einen Überdruckkanal zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher, mindestens ein Überdruckelement zum Verschließen des mindestens einen Überdruckkanals bis zu einem vorgegebenen Druck, einen Hauptströmungskanal zum Leiten von Fluid aus dem Druckspeicher zu dem mindestens einen Überdruckkanal oder zum leiten Fluid durch den Zuströmungskanal in den Druckspeicher, ein Verbindungselement, das den Hauptströmungskanal, den Zuströmungskanal und den mindestens einen Überdruckkanal fluidleitend verbindet. Weiterhin umfasst das Ventilsystem ein Ventilelement, das beweglich in dem Verbindungselement angeordnet ist, wobei das Ventilelement zwischen einer Freigabestellung, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal freigegeben ist, und einer Schließstellung, in der die fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal durch das Ventilelement verschlossen ist, bewegbar ist.
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Unter einem Flaschenhals ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Bereich eines Druckspeichers zu verstehen, an dem der Druckspeicher einen geringsten Durchmesser aufweist bzw. ein Bereich, der einen Anschluss zum Befüllen des Druckspeichers mit einem Speichervolumen des Druckspeichers verbindet.
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Das vorgestellte Ventilsystem ist zur Anordnung in einem Flaschenhals eines Druckspeichers konfiguriert. Dies bedeutet, dass zumindest der Überdruckkanal, der Hauptströmungskanal, das Verbindungselement und das Ventilelements innerhalb des Flaschenhalses einen Druckspeichers anordenbar bzw. integrierbar sind. Dazu kann das vorgestellte Ventilsystem bspw. in einen Flaschenhalt eines Druckspeichers unter Verwendung eines Gewindes des Ventilsystems und eines Gegengewindes des Druckspeichers in den Flaschenhals eingeschraubt sein.
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Das vorgestellte Ventilsystem erfüllt eine Doppelfunktion indem es, als erste Funktion, ein Befüllen eines Druckspeichers durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zuströmungskanal mit Fluid und, als zweite Funktion, ein Ausströmen von Fluid bei einem Überdruck in dem Druckspeicher bzw. in dem Ventilsystem ermöglicht.
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Der Zuströmungskanal des vorgestellten Ventilsystems kann über eine Schnittstelle bzw. einen Anschluss mit einem Befüllungssystem zum Versorgen eines Druckspeichers mit Fluid verbunden werden. Entsprechend wird durch das Befüllungssystem Fluid, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas, in den Zuströmungskanal und durch den Zuströmungskanal über das Verbindungselement in den Hauptströmungskanal und durch den Hauptströmungskanal in einen jeweiligen Druckspeicher geleitet und dort gespeichert.
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Um ein Einströmen von Fluid durch den Zuströmungskanal des vorgestellten Ventilsystems selektiv bzw. lediglich während eines Befüllungsvorgangs zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäß vorgesehene Ventilelement des Ventilsystems zwischen einer Freigabestellung, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal freigegeben ist, und einer Schließstellung, in der die fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal durch das Ventilelement verschlossen ist, bewegbar ist.
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Das Ventilelement des vorgestellten Ventilsystems ist beweglich gelagert, sodass das Ventilelement, je nach Position des Ventilelements in dem Ventilsystem, ein Durchströmen des Verbindungselements mit Fluid aus dem Druckspeicher oder mit Fluid aus einem Befüllungssystem ermöglicht. Entsprechend wird, in Abhängigkeit einer Position des Ventilelements, eine Strömungsrichtung von Fluid durch den Hauptströmungskanal geändert bzw. vorgegeben.
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Befindet sich das Ventilelement in seiner Schließstellung, dichtet das Ventilelement einen Übergang von dem Zuströmungskanal zu dem Hauptkanal ab. Insbesondere dichtet das Ventilelement in seiner Schließstellung den Zuströmungskanal an sich ab, sodass das Ventilelement in den Zuströmungskanal eingreift bzw. den Zuströmungskanal umgibt und diesen fluiddicht verschließt bzw. abdichtet.
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Es ist insbesondere vorgesehenen, dass das Ventilelement durch einen in einem jeweiligen Druckspeicher vorliegenden Druck und/oder durch ein Federelement in seine Schließstellung bewegt bzw. in seiner Schließstellung gehalten wird. Dies bedeutet, dass das Ventilelement lediglich unter Einwirkung einer Kraft, die bspw. von einem durch ein Befüllungssystem bereitgestellt wird, indem ein Fluid mit Druck in den Zuströmungskanal geleitet wird, in seine Freigabestellung bewegt werden kann.
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Es kann optional vorgesehen sein, dass eine Öffnungsbewegung des Ventilelements zum Bewegen des Ventilelements von seiner Schließstellung in seine Freigabestellung von einem Aktuator, wie bspw. einem Elektromagneten unterstützt wird.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass das Ventilelement des vorgestellten Ventilsystems passiv bzw. stromlos in seine Schließstellung bewegbar ist, sodass sich das Ventilelement standardmäßig in seiner Schließstellung befindet. Entsprechend ist für eine Bewegung des Ventilelements in seine Freigabestellung eine Kraft bzw. eine aktive Bewegung erforderlich, die jeweiligen das Ventilelement in seine Schließstellung drängenden bzw. drückenden Kräften entgegenwirken. Dies bedeutet, dass sich das Ventilelement nur dann in seine Freigabestellung bewegt, wenn dieses mit einer Kraft beaufschlagt wird, die größer ist als bspw. ein Druck in einem jeweiligen Druckspeicher bzw. eine Federkraft eines auf das Ventilelement einwirkenden Federelements.
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Wenn sich das Ventilelement des vorgestellten Ventilsystems in seiner Schließstellung befindet, ist insbesondere vorgesehen, dass das Verbindungselement, das bspw. zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal angeordnet ist, über den Hauptströmungskanal mit Fluid aus einem jeweiligen Druckspeicher geflutet wird, sodass eine Fluidverbindung zwischen dem Überdruckkanal und dem Druckspeicher besteht und, für den Fall, dass der Druck in dem Druckspeicher größer wird als ein vorgegebener Schwellenwert, das Überdruckelement des Ventilsystems sich öffnet und das Fluid in eine Umgebung des Druckspeichers entweicht.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Ventilsystem mindestens einen Aktuator zum Bewegen des Ventilelements von der Schließstellung in die Freigabestellung umfasst.
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Mittels eines Aktuators, wie bspw. einer Magnetspule bzw. einem Elektromagneten oder einem Elektromotor, kann das Ventilelement des vorgestellten Ventilsystems mit einer exakt vorgegebenen Kraft beaufschlagt werden, sodass bspw. bei einem Befüllungsvorgang mittels eines Aktuators eine Kraft bereitgestellt wird, die das Ventilelement in seine Freigabestellung bewegt. Alternativ kann der Aktuator eine Kraft bereitstellen, die einen Gegendruck zu einer von einem Federelement zum Drücken des Ventilelements in seine Schließstellung bereitgestellten Federkraft bewirkt, sodass bei einem Befüllungsvorgang, unabhängig von einem Druck, mit dem ein Fluid zum Befüllen bereitgestellt wird, das Fluid in den Druckspeicher strömen kann.
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Durch eine mittels eines Aktuators bereitgestellte Kraft zum Bewegen des Ventilelements in seine Freigabestellung kann sichergestellt werden, dass das Ventilelement nur dann in seine Freigabestellung bewegt wird, wenn der Aktuator aktiv ist. Entsprechend wird eine ungewollte Bewegung des Ventilelements in seine Freigabestellung vermieden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Federkraft des mindestens einen Federelements derart gewählt ist, dass sich das Ventilelement bei einer Beaufschlagung mit einem Druck durch ein zum Befüllen des Druckspeichers vorgesehenes Fluid, von der Schließstellung in die Freigabestellung bewegt.
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Mittels eines Federelements, das eine vorgegebene bzw. definierte Federkraft bereitstellt, kann eine Befüllung durch Systeme, die ein Fluid mit zu geringem Druck bereitstellen, wie bspw. beschädigte oder ungeeignete Systeme, vermieden werden.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mindestens eine Überdruckelement ein reversibel und/oder ein irreversibel öffnendes Überdruckventil umfasst.
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Mittels eines reversibel zu öffnenden Überdruckelements, wie bspw. einem zwischen einer Freigabestellung und einer Schließstellung bewegbaren Überdruckventil, insbesondere einem mittels eines Aktuators, wie bspw. einem Federelement, einem Elektromagnet oder einem Elektromotor bewegbaren Überdruckventil, kann ein kontrolliertes Ablassen von Fluid aus einem Druckspeicher bis zu einem vorgegebenen Druck erfolgen, sodass ein Ablassen von Fluid über den vorgegebenen Druck hinaus vermieden wird. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Aktuator das Überdruckventil bis zu dem vorgegebenen Druck in seine Schließstellung drückt oder ab dem vorgegebenen Druck in seine Freigabestellung drückt.
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Mittels eines irreversibel zu öffnenden Überdruckelements, wie bspw. einer Berstscheibe, die bei einem vorgegebenen Druck und/oder einer vorgegebenen Temperatur bricht bzw. berstet, kann ein vollständiges Entleeren bzw. ein im Wesentlichen vollständiges Entleeren eines Druckspeichers in einer sicherheitsrelevanten Situation, wie bspw. einer Überdrucksituation oder einer Überhitzungssituation, erfolgen.
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Es kann weiterhin vorgegeben sein, dass das mindestens eine Überdruckelement und/oder das mindestens eine Ventilelement mittels einer Kontrolleinheit in Abhängigkeit eines mittels eines Temperatursensors ermittelten aktuellen Temperaturwerts oder mittels eines thermosensitiven Elements zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher konfigurierbar ist.
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Um eine dynamische bzw. eine regelbare/steuerbare Entleerung eines Druckbehälters zu ermöglichen, kann eine Kontrolleinheit vorgesehen sein, die mit einem Aktuator zusammenwirkt, um ein Ablassen von Fluid aus dem Druckbehälter zu bewirken. Dazu kann die Kontrolleinheit einen Aktuator zum Bewegen des Ventilelements oder einen Aktuator zum Bewegen des Überdruckelements, insbesondere in Abhängigkeit jeweiliger von einem Sensor, wie bspw. einem Temperatursensor und/oder einem Drucksensor ermittelter Messwerte, in kommunikativer Verbindung stehen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Ventilsystem mindestens eine Leitvorrichtung umfasst, wobei die mindestens eine Leitvorrichtung dazu konfiguriert ist, durch das mindestens eine Überdruckelement strömendes Fluid in einen vorgegebenen Strömungspfad zu leiten.
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Mittels einer Leitvorrichtung, wie bspw. einem Leitblech, kann ein unkontrolliertes Strömen von Fluid aus dem vorgestellten Ventilsystem verhindert und ein Strömen von aus einem jeweiligen Druckspeicher abzulassenden Fluid entlang eines durch die Leitvorrichtung vorgegebenen Strömungspfades erreicht werden. Insbesondere kann durch eine Leitvorrichtung ein Strömen von Fluid in vorgegebene Sicherheitsbereiche bzw. von unsicheren Bereichen, wie bspw. thermisch aktiven Bereichen einer Maschine weg, erreicht werden.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen Druckspeicher mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Ventilsystems, wobei das Ventilsystem in einem Flaschenhals des Druckspeichers angeordnet ist.
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Durch ein in einem Flaschenhals des vorgestellten Druckspeichers angeordnetes Ventilsystem kann ein besonders kompakter und sicherer Druckspeicher bereitgestellt werden, der sich besonders für enge Bauräume, wie bspw. in einem Fahrzeug, eignet.
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Der vorgestellte Druckspeicher kann insbesondere ein Druckspeicher zum Speichern von Wasserstoff oder Erdgas sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Ventilsystem mit dem Flaschenhals verschraubt ist.
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Durch eine Verschraubung zwischen einem Flaschenhals des vorgestellten Druckspeichers und dem Ventilsystem kann das Ventilsystem, bspw. nach einem Bersten eines Überdruckelements, schnell und einfach ausgetauscht werden.
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Insbesondere ermöglicht eine Verschraubung von Ventilsystem und Druckspeicher eine Anpassung eines Druckspeichers an jeweilige Infrastrukturen, wie bspw. in einem Land verwendete Befüllungssysteme, indem ein entsprechend angepasstes Ventilsystem in den Druckspeicher eingeschraubt bzw. an dem Druckspeicher angeschraubt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Ventilsystems in einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Druckspeichers,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung eines reversibel zu betätigenden Ü berd ruckelements,
- 3 eine mögliche Ausgestaltung eines irreversibel zu betätigenden Überdruckelements.
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In 1 ist ein Druckspeicher 100 mit einem Flaschenhals 101 dargestellt. Auf den Flaschenhals 101 ist ein Ventilsystem 103 aufgeschraubt.
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Das Ventilsystem 103 umfasst einen Zuströmungskanal 105 zum Einführen von Fluid in den Druckspeicher 100, Überdruckkanäle 107a und 107b zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher 100, ein erstes Überdruckelement 109 und ein alternatives zweites Überdruckelement 111 zum Verschließen der Überdruckkanäle 107a und 107b bis zu einem vorgegebenen Druck, einen Hauptströmungskanal 113 zum Leiten von Fluid aus dem Druckspeicher 100 zu den Überdruckkanälen 107a und 107b oder zum leiten Fluid durch den Zuströmungskanal 105 in den Druckspeicher 100, ein Verbindungselement 115, das den Hauptströmungskanal 113, den Zuströmungskanal 105 und die Überdruckkanäle 107a und 107b fluidleitend verbindet.
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Weiterhin umfasst das Ventilsystem 103 ein Ventilelement 117, das beweglich in dem Verbindungselement 115 angeordnet ist, wobei das Ventilelement 117 zwischen einer Freigabestellung, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal 105 und dem Hauptströmungskanal 113 freigegeben ist, und einer Schließstellung, in der die fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal 105 und dem Hauptströmungskanal 113 durch das Ventilelement 117 verschlossen ist, bewegbar ist.
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Vorliegend ist das Verbindungselement 115 kreisförmig mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt ausgestaltet und an zwei Stellen bzw. über mindestens zwei Zuführleitungen mit dem Hauptströmungskanal 113 verbunden. Entsprechend wird ggf. durch den Hauptströmungskanal 113 in das Verbindungselement 115 strömendes Fluid entlang eines direkten Strömungspfads bzw. einem Strömungspfad mit minimaler Länge zu den Überdruckkanälen 107a und 107b geleitet. Die Überdruckkanäle 107a und 107b sind an einer dem Hauptströmungskanal 113 gegenüberliegenden Seite an dem Verbindungselement 115 angeordnet und ermöglichen ein besonders direktes Entweichen von Überdruck aus dem Hauptströmungskanal 113, indem potentiell Druckstaubereiche, wie bspw. Winkel oder Kurven vermieden werden.
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Das Ventilelement 117 wird mittels eines optionalen Federelements 119 auf einen Ventilsitz 131 des Zuströmungskanals 105 gedrückt, um diesen abzudichten. Entsprechend muss zum Befüllen des Druckspeichers 100 mit Fluid durch den Zuströmungskanal ein Fluid unter Druck in den Zuströmungskanal gepumpt werden und/oder das Ventilelement 117 mittels eines optionalen Aktuators, wie bspw. einer Magnetspule 121 in die Freigabestellung bewegt werden.
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Ein Überdruck in dem Ventilsystem 103 und/oder dem Druckspeicher 100 wird reduziert, indem Fluid, das von einem Befüllungssystem bereitgestellt wird oder das aus dem Druckspeicher 100 strömt, über die Überdruckkanäle 107a, 107b dem ersten Überdruckelement 109 und/oder dem alternativen Überdruckelement 111 zugeführt und in eine Umgebung abgelassen wird.
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Es kann vorgesehenen, dass eine Berstscheibe 123 des ersten Überdruckelements 107 berstet, wenn ein Druck in dem ersten Überdruckkanal 107a höher als ein vorgegebener Schwellenwert bzw. höher als eine Drucktoleranz der Berstscheibe 123 ist, sodass eine Sollbruchstelle in dem Ventilsystem 103 besteht, durch die ein Überdruck in dem Ventilsystem 103 bzw. dem Druckspeicher 100 abgebaut werden kann.
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Das zweite Überdruckelement 111 basiert auf einem Ventilbolzen 125, der bewegbar in dem Überdruckkanal 107 b gelagert und ist über eine Haltefeder 133, deren Druck über eine Halterschaube 127 einstellbar ist, auf einen Ventilsitz 129 des Überdruckkanals 107b gedrückt wird, um diesen abzudichten.
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Mittels eines optionalen Kontrollgeräts kann der Aktuator über eine Schnittstelle 135 angesteuert werden, um das Ventilelement 117 in seine Freigabestellung zu bewegen, sodass Fluid durch den Zuströmungskanal 105 über den Hauptströmungskanal 113 und durch eine Öffnung 137 in einem Grundkörper 139 des Ventilsystems 103 aus dem Druckspeicher 100 strömen kann.
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Die in dem Ventilsystem 103 verbauten Materialien können zur Ausbildung eines magnetischen Flusses durch die Magnetspule 121, das Ventilelement 117 eine Überwurfmutter 139 und eine Trägerstruktur 141 optimiert sein. Dazu können bspw. Querschnittsdimensionierungen und Oberflächenstrukturen des Ventilsystems 103 derart gewählt werden, dass sich eine besonders starke magnetische Kraft beim Ansteuern der Magnetspule 121 mit elektrischem Strom ergibt.
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In 2 ist ein Überdruckelement 200 dargestellt, das einen Überdruckkanal 201 mittels einer Kugel 203 abdichtet. Die Kugel 203 wird durch ein Federelement 205 auf einen Ventilsitz 207 des Überdruckkanals 201 gedrückt.
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Wenn ein Druck in dem Überdruckkanal 201 größer wird als eine durch das Federelement 205 bereitgestellte Kraft bzw. ein durch das Federelement 205 bereitgestellter Gegendruck, wird die Kugel 203 durch den Druck in dem Überdruckkanal 201 dem Federelement 205 entgegen gedrückt, sodass sich das Federelement 205 verkürzt und die Kugel 203 den Überdruckkanal 201 frei gibt, wodurch schließlich Fluid durch den Überdruckkanal 201 an Kugel 203 vorbei, an einer Leitvorrichtung 209 entlang, die das Fluid von einer Wärmequelle weg leitet, in eine Umgebung ausgeleitet und der in dem Überdruckkanal 201 und einem den Überdruckkanal 201 mit Fluid beströmenden Druckspeicher reduziert wird.
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In 3 ist ein Überdruckelement 300 dargestellt. Das Überdruckelement 300 umfasst eine Berstscheibe 301, die durch einen Überdruckkanal 303 mit Fluid aus einem Druckspeicher angeströmt wird.
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Für den Fall, dass sich ein Druck in dem Druckspeicher und entsprechend in dem Überdruckkanal 303 über eine Belastungsgrenze der Berstscheibe 301 erhöht, zerbricht die Berstscheibe 301 und ermöglicht ein Ausströmen des Fluids aus dem Druckspeicher über eine Leitvorrichtung 305 in eine Umgebung.
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Selbstverständlich kann die Berstscheibe 301 auch derart konstruiert sein, dass diese ab einer vorgegebenen Temperatur schmilzt, sodass bspw. bei einem Brand ein frühzeitiges Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher erreicht wird.
