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Die Erfindung betrifft ein Magnetventil für einen Druckgasbehälter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Druckgasbehälter mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil.
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Stand der Technik
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In Druckgasbehältern, vor allem in mobilen Anwendungen von technischen Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas, kommen zum sicheren Verschließen der Druckbehälter Sicherheitsmagnetventile zum Einsatz, die in stromlosem Zustand geschlossen sind. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einem Unfall oder einem Defekt zu keinem Zeitpunkt Gas austritt. Je Behälter muss zumindest ein Sicherheitsventil direkt an oder im Behälter vorgesehen sein. Abhängig von der Definition „Behälter“, wobei es sich sowohl um eine Einzelflasche als auch um ein Flaschenbündel handeln kann, kann sich daher die Anzahl der Sicherheitsmagnetventile schnell erhöhen. Für mobile Tanksysteme, beispielsweise zum Speichern von Wasserstoff oder Erdgas in Kraftfahrzeugen, sind in der Regel eine Vielzahl von Sicherheitsmagnetventilen vorgeschrieben. Daher ist der Bedarf an einem Sicherheitsmagnetventil, das zuverlässig dicht schließt und zugleich kostengünstig herstellbar ist, groß.
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Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Insbesondere soll ein Sicherheitsmagnetventil für einen Druckgasbehälter angegeben werden, das kostengünstig aufgebaut ist und gleichzeitig die hohen Sicherheitsanforderungen bezüglich Gasdichtheit für Druckgasbehälter jederzeit erfüllt. Insbesondere bei einem Unfall oder einem elektrischen Defekt, darf kein Gas unkontrolliert aus dem Druckgasbehälter in die Umgebung gelangen. Das Sicherheitsmagnetventil muss hierzu derart ausgelegt sein, dass es auch hohen Differenzdrücken von beispielsweise 15-1000 bar standhält. Das Ventil sollte weiterhin konstruktiv so gestaltet sein, dass im Betankungszustand innerhalb kurzer Zeit, d.h. ohne eine elektrische Ansteuerung, die erforderliche Menge in den Druckgasbehälter eingebracht werden kann.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Druckgasbehälter mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das für einen Druckgasbehälter vorgeschlagene Magnetventil umfasst einen im Betrieb gasumströmten Magnetanker sowie eine Magnetspule zur Einwirkung auf den Magnetanker. Der Magnetanker oder ein mit dem Magnetanker koppelbares Ventilschließelement ist dabei in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Schließfeder beaufschlagt, so dass das Magnetventil bei unbestromter Magnetspule geschlossen ist. Erfindungsgemäß ist bzw. sind der Magnetanker und/oder das Ventilschließelement auf der dem Druckgasbehälter zugewandten Seite durch eine Drucksperrscheibe mit mindestens einer Durchstromöffnung abgedeckt.
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Die Drucksperrscheibe schirmt den Magnetanker und/oder das Ventilschließelement ab, so dass die auf den Magnetanker und/oder auf das Ventilschließelement wirkenden Druckbelastungen reduziert sind. Die Anordnung der Drucksperrscheibe auf der dem Druckgasbehälter zugewandten Seite des Magnetventils verhindert, dass der im Druckgasbehälter herrschende hohe Druck unmittelbar auf den Magnetanker und/oder das Ventilschließelement wirken. Das Magnetventil ist somit in der Lage, Differenzdrücke von 15-1000 bar aufzunehmen.
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Die mindestens eine in der Drucksperrscheibe ausgebildete Durchstromöffnung gewährleistet, dass bei geöffnetem Magnetventil, das heißt bei bestromter Magnetspule, Gas aus dem Druckgasbehälter ausströmen kann. Das Gas strömt dabei über die Durchströmöffnung und mindestens einem Druckraum des Magnetventils in Richtung des Dichtsitzes. Je nach Strömungsführung kann die Druckbelastungen der Ventilbauteile weiter gesenkt werden.
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Die Drucksperrscheibe des vorgeschlagenen Magnetventils lässt eine Druckbeaufschlagung der Funktionselemente lediglich dort zu, wo sie für die Funktionserfüllung benötigt wird. Die restlichen Bauteile des Magnetventils werden durch die Drucksperrscheibe von der Druckbelastung abgeschirmt. Die Kraftangriffsflächen, an denen der im Druckgasbehälter herrschende Druck anliegt, werden auf diese Weise minimiert. Dies mindert die auf das Magnetventil wirkende Drucklast.
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Bevorzugt weist die Drucksperrscheibe einen umlaufenden Flansch zur Abstützung an einem ringförmigen Absatz des Druckgasbehälters auf. Da an der Drucksperrscheibe der im Druckgasbehälter herrschende Druck anliegt, so dass auf die Drucksperrscheibe eine hohe Druckkraft wirkt, kann diese über die Abstützung der Drucksperrscheibe in den Druckgasbehälter eingeleitet werden. Das Magnetventil wird auf diese Weise weiter entlastet. Der ringförmige Absatz des Druckgasbehälters ist hierzu hinter der Drucksperrscheibe, das heißt auf der dem Magnetanker zugewandten Seite der Drucksperrscheibe angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Durchströmöffnung der Drucksperrscheibe radial innen in Bezug auf den Dichtsitz angeordnet und mündet in einen zentralen Druckraum, in dem vorzugsweise der Magnetanker aufgenommen ist. Der zentrale Druckraum ist vorzugsweise mittig angeordnet, sodass der Magnetanker mittig geströmt wird. Der Magnetanker wird somit gleichmäßig belastet bzw. in Richtung des Dichtsitzes gedrückt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Durchströmöffnung der Drucksperrscheibe radial außen in Bezug auf den Dichtsitz angeordnet und mündet in einen ringförmigen Druckraum, der vorzugsweise in einem Ventilkörper des Magnetventils ausgebildet ist. Auf diese Weise wird der Magnetanker nicht unmittelbar angeströmt, was zu einer weiteren Entlastung des Magnetventils einträgt.
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Vorteilhafterweise ist der Druckraum, in die ihn die mindestens eine Durchströmöffnung mündet, mit einem weiteren Druckraum verbunden, und zwar unabhängig davon, ob die Durchströmöffnung radial innen oder radial außen in Bezug auf den Dichtsitz angeordnet ist. Das aus dem Druckgasbehälter ausströmenden Gas wird somit über mehrere Druckräume geführt, wobei es vorzugsweise eine Umlenkung erfährt. Weiterhin vorzugsweise ist der die Druckräume verbindende Verbindungskanal als Drosselbohrung ausgeführt, so dass das hierüber ausströmende Gas eine Drosselung erfährt.
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Bevorzugt ist der Magnetanker in Öffnungsrichtung - unmittelbar oder mittelbar über das Ventilschließelement - von der Federkraft einer weiteren Feder beaufschlagt, so dass der Magnetanker in Schließstellung im wesentlichen druckausgeglichen ist. Das Magnetventil erfordert somit nur geringe Öffnungskräfte. Im Betankungsfall kann somit das Magnetventil allein druckgesteuert, das heißt ohne Magnetkraft, geöffnet werden. Dies ermöglicht eine Doppelfunktion des Magnetventils, da dieses nicht nur die Funktion eines Sicherheitsventils, sondern zugleich die eines Tankventils erfüllt.
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Des Weiteren bevorzugt sind der Magnetanker und das Ventilschließelement relativ zueinander beweglich und wirken einen weiteren Dichtsitz ausbildend zusammen. Die mehreren Dichtsitze weisen vorzugsweise unterschiedliche Sitzdurchmesser auf, so dass unterschiedliche Öffnungsquerschnitte darstellbar sind. Auf diese Weise kann der Mengendurchsatz durch das Magnetventil, beispielsweise im Betankungsfall, erhöht werden. Vorzugsweise weist der weitere Dichtsitz zwischen Magnetanker und Ventilschließelement einen kleineren Sitzdurchmesser als der erste Dichtsitz auf. Auf diese Weise kann das Magnetventil stufenweise geöffnet werden, um Gas aus dem Druckgasbehälter ausströmen zu lassen.
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Der darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Druckgasbehälter zeichnet sich dadurch aus, dass er ein erfindungsgemäßes Magnetventil umfasst. Das Magnetventil ist dabei zumindest abschnittsweise an einer Stirnseite des Druckgasbehälters in diesen eingesetzt und vorzugsweise über eine Schraubverbindung im oder am Druckgasbehälter fixiert. Durch die integrierte Anordnung des Magnetventils ist dieses vor äußeren Einwirkungen optimal geschützt. Insbesondere kann, beispielsweise bei einem Unfall, ein Abreißen des Magnetventils verhindert werden. Der Druckgasbehälter ist vorzugsweise flaschenförmig ausgestaltet. In diesem Fall ist das Magnetventil bevorzugt im Bereich eines Flaschenhalses des Druckgasbehälters angeordnet. Die Fixierung kann über ein Innengewinde des Druckgasbehälters und ein Außengewinde des Magnetventils erfolgen. Alternativ kann das Magnetventil mit Hilfe einer Überwurfmutter am Druckgasbehälter fixiert werden.
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Bevorzugt weist der Druckgasbehälter einen ringförmigen Absatz auf, an dem die Drucksperrscheibe abgestützt ist. Die Drucksperrscheibe kann hierzu mit einem Flansch ausgestattet sein. Über die Abstützung der Drucksperrscheibe am ringförmigen Absatz des Druckgasbehälters können die auf die Drucksperrscheibe wirkenden Kräfte in den Druckgasbehälter eingeleitet werden. Vorzugsweise ist die Drucksperrscheibe auf der dem Magnetventil abgewandten Seite des ringförmigen Absatzes des Druckgasbehälters angeordnet, so dass der im Druckgasbehälter herrschende Druck eine auf die Drucksperrscheibe wirkende Druckkraft erzeugt, welche die Drucksperrscheibe gegen den ringförmigen Absatz des Druckgasbehälters drückt. Die übrigen Teile des Magnetventils sind in diesem Fall jenseits des ringförmigen Absatzes angeordnet und dementsprechend entlastet.
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Die über die Drucksperrscheibe bewirkte Entlastung des Magnetventils ermöglicht eine kostengünstige Auslegung und Anfertigung des Magnetventils. Die gasumströmten Teile des Magnetventils, mit Ausnahme der Drucksperrscheibe, weisen einen geringeren Verschleiß und damit eine höhere Lebensdauer auf. Zugleich können die entlasteten Teile des Magnetventils leichter ausgeführt werden, was einen Gewichtsvorteil mit sich bringt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Magnetventil in einem Druckgasbehälter gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Magnetventil in einem Druckgasbehälter gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 3 eine perspektivische Darstellung einer Drucksperrscheibe für ein erfindungsgemäßes Magnetventil und
- 4 eine weitere perspektivische Darstellung der Drucksperrscheibe der 3.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Magnetventil 1 ist mit einem Druckgasbehälter 10 für ein technisches Gas, wie beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas, verbunden. Der Druckgasbehälter 10 ist flaschenförmig gestaltet und weist einen Flaschenhals auf, in den das Magnetventil 1 eingesetzt, vorliegend eingeschraubt, ist. Im Flaschenhals des Druckgasbehälter 10 ist hierzu ein Innengewinde ausgebildet, in das ein Ventilkörper 14 mit einem Außengewinde eingeschraubt ist. Das Magnetventil 1 ist dabei über eine Drucksperrscheibe 7 an einem ringförmigen Absatz 11 des Druckgasbehälters 10 abgestützt. Die Drucksperrscheibe 7 schirmt das Magnetventil 1 gegenüber dem Speicherdruck im Druckgasbehälter 10 ab. Das Magnetventil 1 wird somit entlastet.
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Die Drucksperrscheibe 7 schirmt insbesondere einen Magnetanker 2 des Magnetventils 1 ab, der bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetventils 1 mit einem Ventilschließelement 4 koppelbar und in Richtung eines Dichtsitzes 5 von der Federkraft einer Schließfeder 6 beaufschlagt ist. Die mit dem Dichtsitz 5 zusammenwirkende Dichtkontur ist vorliegend an dem Ventilschließelement 4 ausgebildet. Die Federkraft der Schließfeder 6 wirkt mittelbar über den Magnetanker 2 auf das Ventilschließelement 4. In Öffnungsrichtung wird das Ventilschließelement 4 zusätzlich von der Federkraft einer Feder 17 beaufschlagt, so dass der Magnetanker 2 und das Ventilschließelement 4 weitgehend druckausgeglichen sind. Es bedarf demnach einer vergleichsweise geringen Magnetkraft, um das Magnetventil 1 zu öffnen. Das Öffnen wird mit Hilfe einer Magnetspule 3 bewirkt, die vorliegend als „drückende“ Magnetspule 3 ausgelegt ist. D.h., dass bei einer Bestromung der Magnetspule 3 eine Magnetkraft erzeugt wird, die den Magnetanker 2 entgegen der Federkraft der Schließfeder 6 in Richtung der Drucksperrscheibe 7 drückt.
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Beim Öffnen des Magnetventils 1 öffnet durch die Bewegung des Magnetankers 2 zunächst ein Dichtsitz 18, der zwischen dem Magnetanker 2 und dem Ventilschließelement 4 ausgebildet ist. Auf diese Weise wird eine Verbindung eines den Magnetanker 2 aufnehmenden Druckraums 16 mit einem weiteren Druckraum 25 hergestellt, der wiederum über einen Verbindungskanal 19 mit einem Strömungskanal 26 verbunden ist. Mit ansteigendem Druck im Druckraum 25 hebt schließlich das Ventilschließelement 4 vom Dichtsitz 5 ab, so dass ein größerer Querschnitt öffnet. In den Druckraum 16 gelangt das Gas aus dem Druckgasbehälter 10 über eine in der Drucksperrscheibe 7 ausgebildete Durchströmöffnung 8, die zunächst in einen ringförmigen Druckraum 13 mündet, der im Ventilkörper 14 ausgebildet ist. Der ringförmige Druckraum 13 ist wiederum über einen Verbindungskanal 15 mit dem Druckraum 16 verbunden. Das aus dem Druckgasbehälter 10 ausströmende Gas wird somit beim Ausströmen mehrfach umgelenkt und gedrosselt, da der Verbindungskanal 15 vorliegend als Drosselbohrung ausgeführt ist.
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Zum Schließen des Magnetventils 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, so dass die in Schließrichtung auf den Magnetanker 2 wirkenden Schließkräfte größer als die öffnenden Kräfte sind. Der Magnetanker 2 bewegt sich in Richtung des Ventilschließelements 4, bis er an diesem anschlägt. In der weiteren Bewegung führt der Magnetanker 2 das Ventilschließelement 4 mit, bis dieses wieder zur Anlage am Dichtsitz 5 gelangt. Dieses Prinzip des selbständigen Verschließens funktioniert auch bei einem Notfall, wenn die Stromzufuhr unterbrochen ist.
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Im Betankungsfall steht im Druckraum 25 ein höherer Druck als im Druckgasbehälter 10 an, so dass auf den Magnetanker 2 und das Ventilschließelement 4 eine öffnende Kraft wirkt. Die Federkraft der Schließfeder 6 wird überwunden und das Magnetventil 1 öffnet auch ohne Bestromung der Magnetspule 3. Der Druckgasbehälter 10 kann nunmehr mit Gas befüllt werden. Durch Befüllen des Druckgasbehälters 10 gleicht sich der Druck auf beiden Seiten des Magnetventils 1 an, so dass schließlich die Federkraft des Schließventils 6 das Schließen des Magnetventils 1 bewirkt.
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Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetventils 1 zu entnehmen. Dieses ist ebenfalls im Bereich eines Flaschenhalses in einem Druckgasbehälter 10 eingesetzt. Die Fixierung erfolgt vorliegend mit Hilfe einer Überwurfmutter 20, die außen auf den Flaschenhals aufgeschraubt ist. Beim Aufschrauben wird eine außenliegende Drucksperrscheibe 7 des Magnetventils 1 gegen einen ringförmigen Absatz 11 des Druckgasbehälters 10 gezogen. Das Magnetventil 1 ist somit über Drucksperrscheibe 7 an dem ringförmigen Absatz 11 abgestützt. Die Drucksperrscheibe 7 weist hierzu einen umlaufenden Flansch 9 auf.
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Bei dem Magnetventil 1 der 2 ist die Magnetspule 3 in der Nähe der Drucksperrscheibe 7 angeordnet. Die axiale Bauhöhe des Magnetventils 1 ist somit deutlich reduziert. Die Magnetspule 3 ist in den Ventilkörper 14 integriert, der wiederum von einem magnetischen Gehäuse 21 umgeben ist. Über eine amagnetische Scheibe 22 wird eine magnetische Trennung bewirkt. Zwischen diesen Bauteilen können Dichtungen 23 angeordnet sein, um das Speichervolumen des Druckgasbehälters 10 nach außen abzudichten. Eine Strömungsverbindung zwischen dem Speichervolumen des Druckgasbehälters 10 und einem Auslass (nicht dargestellt) des Magnetventils 1 ist vorliegend über eine Durchströmöffnung 8 in der Drucksperrscheibe 7 sowie in dem magnetischen Gehäuse 21 hergestellt. Die Durchstromöffnung 8 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mittig angeordnet und mündet in einen zentralen Druckraum, in dem ein Magnetanker 2 aufgenommen ist. Der Magnetanker 2 dient vorliegend zugleich als Ventilschließelement 4 (siehe Bezugszeichen in Klammern), so dass sich die Anzahl der Bauteile reduziert. Auf diese Weise wird ein besonders kompaktbauendes Magnetventil 1 geschaffen.
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Zum Öffnen des Magnetventils 1 wird die Magnetspule 3 bestromt. Auf diese Weise wird eine Magnetkraft erzeugt, welche den Magnetanker 2 entgegen der Schließkraft einer Schließfeder 6 in Richtung der Drucksperrscheibe 7 bewegt. Der Magnetanker 2 hebt dabei von einem Dichtsitz 5 ab, so dass das Magnetventil 1 öffnet und Gas aus dem Druckgasbehälter 10 ausströmen kann. Der Strömungsweg führt dabei über die Durchströmöffnung 8 zunächst in einen zentral angeordneten Druckraum 12 und von dort über einen im Magnetanker 2 ausgebildeten Verbindungskanal 15 in einen dem Dichtsitz 5 vorgelagerten Druckraum 16.
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Um die Montage einer Drucksperrscheibe 7 zu erleichtern, kann diese gemäß dem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel gestaltet sein. Insbesondere kann eine mehrteilige Ausführung der Drucksperrscheibe 7 gewählt werden. Beispielsweise kann die Drucksperrscheibe 7 - wie dargestellt - zweiteilig ausgeführt werden. Die Drucksperrscheibe 7 weist vorliegend zwei im Wesentlichen gleich ausgebildete Hälften auf. Diese können einzeln und gekippt in den Druckgasbehälter 10 eingeführt und zur Anlage an dem ringförmigen Absatz 11 gebracht werden. Damit sich die beiden Hälften gegenseitig stützen können, weisen diese im Verbindungsbereich einen Stufenfalz 24 auf.
