DE102020214212A1 - Device for storing a gaseous medium - Google Patents

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DE102020214212A1 DE102020214212.2A DE102020214212A DE102020214212A1 DE 102020214212 A1 DE102020214212 A1 DE 102020214212A1 DE 102020214212 A DE102020214212 A DE 102020214212A DE 102020214212 A1 DE102020214212 A1 DE 102020214212A1
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Andreas Rau
Joerg Hahn
Udo Schaich
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Abstract

Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums mit einem Tankgehäuse und einem Ventilgehäuse, in welchem Ventilgehäuse ein entlang einer Längsachse der Ventilvorrichtung bewegliches Vorsteuerventilelement angeordnet ist, welches Vorsteuerventilelement zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsöffnung mit einem ersten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil ausbildet. Die Ventilvorrichtung umfasst eine Magnetspule, durch welche Magnetspule das Vorsteuerventilelement entlang der Längsachse bewegbar ist, wobei in dem Ventilgehäuse ein Hauptventilelement angeordnet ist, welches Hauptventilelement zum Öffnen und Schließen einer Hauptöffnung mit einem zweiten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Hauptventil ausbildet. Darüber hinaus weist die Ventilvorrichtung einen Ventilgehäusetopf auf, welcher Ventilgehäusetopf fest mit dem Ventilgehäuse verbunden ist und welcher Ventilgehäusetopf in einem Halsbereich der Tankvorrichtung angeordnet und gegen einen Tankboden innerhalb des Halsbereichs gepresst ist. Das Ventilgehäuse ist mittels eines Verschraubungselements an dem Halsbereich der Tankvorrichtung fixiert. Weiterhin ist das Vorsteuerventilelement in einer Öffnung des Hauptventilelements aufgenommen und das Vorsteuerventilelement weist außerdem Querbohrungen auf. Diese Querbohrungen sind mit einer in dem Tankboden und in dem Ventilgehäusetopf ausgebildeten Durchgangsöffnung fluidisch verbunden. Darüber hinaus münden die Querbohrungen in einen Ringraum, welcher Ringraum von dem Vorsteuerventilelement und dem Hauptventilelement begrenzt und über den ersten Dichtsitz mit der Verbindungsöffnung verbindbar ist.Device for storing a gaseous medium with a tank housing and a valve housing, in which valve housing a pilot valve element that can be moved along a longitudinal axis of the valve device is arranged, which pilot valve element interacts with a first sealing seat to open and close a connection opening and thus forms a pilot valve. The valve device comprises a magnetic coil, by which magnetic coil the pilot valve element can be moved along the longitudinal axis, a main valve element being arranged in the valve housing, which main valve element interacts with a second sealing seat to open and close a main opening and thus forms a main valve. In addition, the valve device has a valve housing pot, which valve housing pot is firmly connected to the valve housing and which valve housing pot is arranged in a neck area of the tank device and pressed against a tank bottom within the neck area. The valve housing is fixed to the neck area of the tank device by means of a screw element. Furthermore, the pilot valve element is accommodated in an opening of the main valve element and the pilot valve element also has transverse bores. These transverse bores are fluidically connected to a through-opening formed in the tank bottom and in the valve housing pot. In addition, the transverse bores open into an annular space, which annular space is delimited by the pilot valve element and the main valve element and can be connected to the connection opening via the first sealing seat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb oder in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.The invention relates to a device for storing a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with a fuel cell drive or in vehicles with a hydrogen combustion engine as the drive.

Stand der TechnikState of the art

Die DE 10 2018 201 055 A1 beschreibt eine Tankvorrichtung mit mindestens einer Speichereinheit, welche ein Steuerventil aufweist, und welche über ein Leitungssystem mit einer Ausgangsleitung verbunden ist. Dabei ist mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit als Hauptventil ausgebildet, und mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit ist als Nebenventil ausgebildet, wobei das Hauptventil und das Nebenventil unterschiedlich ausgebildet sind.the DE 10 2018 201 055 A1 describes a tank device with at least one storage unit, which has a control valve and which is connected to an outlet line via a line system. At least one control valve of at least one storage unit is designed as a main valve, and at least one control valve of at least one storage unit is designed as a secondary valve, with the main valve and the secondary valve being designed differently.

Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Absperrventil aufweisen. So kann das Absperrventil bei einer Beschädigung der Tankvorrichtung hervorgerufen durch einen Unfall des Fahrzeugs, beispielsweise mit Brennstoffzellenantrieb, oder bei einem Bruch einer Leitung der Tankvorrichtung die Tankbehälter verschließen, so dass kein Gas aus der Tankvorrichtung austreten kann.The safety devices for such a tank device are standardized. Each tank device must have such a shut-off valve. In the event of damage to the tank device caused by an accident of the vehicle, for example with a fuel cell drive, or if a line of the tank device breaks, the shut-off valve can close the tank container so that no gas can escape from the tank device.

Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen an die Absperrventile und aufgrund hoher Systemdrücke von beispielsweise 800 bar oder mehr sind solche Absperrventile konstruktiv sehr herausfordernd und weisen einen großen Bauraum auf. Dies erhöht wiederum das Gesamtgewicht der gesamten Tankvorrichtung, was im Falle eines Unfalls des Fahrzeugs, beispielsweise mit Brennstoffzellenantrieb, zu hohen auftretenden Beschleunigungskräften und möglichen Verformungen der Ventilvorrichtung oder der Tankvorrichtung führen kann.Due to the high safety requirements for the shut-off valves and due to high system pressures of, for example, 800 bar or more, such shut-off valves are structurally very challenging and have a large installation space. This in turn increases the total weight of the entire tank device, which in the event of an accident of the vehicle, for example with a fuel cell drive, can lead to high acceleration forces and possible deformation of the valve device or the tank device.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfacher Weise ein kompakt ausgelegtes Sicherheitsventil für ein Tanksystem mit positiver Energiebilanz und Einhaltung aller sicherheitsrelevanten Kriterien erzielt wird.The device according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a compactly designed safety valve for a tank system with a positive energy balance and compliance with all safety-related criteria is achieved in a structurally simple manner.

Dazu weist die Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums eine Tankvorrichtung und eine Ventilvorrichtung auf. Die Ventilvorrichtung umfasst ein Ventilgehäuse, in welchem Ventilgehäuse ein entlang einer Längsachse der Ventilvorrichtung bewegliches Vorsteuerventilelement angeordnet ist. Das Vorsteuerventilelement wirkt zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsöffnung mit einem ersten Dichtsitz zusammen und bildet so ein Vorsteuerventil aus. Weiterhin umfasst die Ventilvorrichtung eine Magnetspule, durch welche Magnetspule das Vorsteuerventilelement entlang der Längsachse bewegbar ist. In dem Ventilgehäuse ist ein Hauptventilelement angeordnet, welches Hauptventilelement zum Öffnen und Schließen einer Hauptöffnung mit einem zweiten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Hauptventil ausbildet. Die Ventilvorrichtung weist einen Ventilgehäusetopf auf, welcher Ventilgehäusetopf fest mit dem Ventilgehäuse verbunden ist und welcher Ventilgehäusetopf in einem Halsbereich der Tankvorrichtung angeordnet und gegen einen Tankboden innerhalb des Halsbereichs gepresst ist. Außerdem ist das Ventilgehäuse mittels eines Verschraubungselements an dem Halsbereich der Tankvorrichtung fixiert, wobei das Vorsteuerventilelement in einer Öffnung des Hauptventilelements aufgenommen ist und wobei das Vorsteuerventilelement Querbohrungen aufweist. Die Querbohrungen sind dabei mit einer in dem Tankboden und in dem Ventilgehäusetopf ausgebildeten Durchgangsöffnung fluidisch verbunden. Weiterhin münden die Querbohrungen in einen Ringraum, welcher Ringraum von dem Vorsteuerventilelement und dem Hauptventilelement begrenzt ist und über den ersten Dichtsitz mit der Verbindungsöffnung verbindbar ist.For this purpose, the device for storing a gaseous medium has a tank device and a valve device. The valve device comprises a valve housing, in which valve housing a pilot valve element that can be moved along a longitudinal axis of the valve device is arranged. The pilot valve element interacts with a first sealing seat to open and close a connection opening and thus forms a pilot valve. Furthermore, the valve device comprises a magnetic coil, by means of which magnetic coil the pilot valve element can be moved along the longitudinal axis. A main valve element is arranged in the valve housing, which main valve element interacts with a second sealing seat to open and close a main opening and thus forms a main valve. The valve device has a valve housing pot, which valve housing pot is fixedly connected to the valve housing and which valve housing pot is arranged in a neck area of the tank device and pressed against a tank bottom within the neck area. In addition, the valve housing is fixed to the neck area of the tank device by means of a screw element, the pilot valve element being accommodated in an opening of the main valve element and the pilot valve element having transverse bores. The transverse bores are fluidically connected to a through-opening formed in the tank bottom and in the valve housing pot. Furthermore, the transverse bores open into an annular space, which annular space is delimited by the pilot valve element and the main valve element and can be connected to the connection opening via the first sealing seat.

So kann in einfacher Weise die Effizienz und die Funktionsweise der Vorrichtung für ein Tanksystem bei gleichzeitiger Kostenersparnis durch Minimierung der notwendigen magnetischen Kräfte für die Öffnung der Vorrichtung optimiert werden. Weiterhin wird durch optimale Auslegung des magnetischen Flusses aufgrund optimierter Materialwahl, der Querschnittsdimensionierungen und der Gestaltung der Oberflächenstrukturen der Ventilvorrichtung der Magnetkreis verbessert und so eine kompakte und kostengünstige Vorrichtung erzielt.In this way, the efficiency and functioning of the device for a tank system can be optimized in a simple manner while at the same time saving costs by minimizing the necessary magnetic forces for opening the device. Furthermore, the magnetic circuit is improved by optimal design of the magnetic flux based on optimized material selection, the cross-sectional dimensions and the design of the surface structures of the valve device, and a compact and cost-effective device is thus achieved.

Darüber hinaus wird aufgrund der konstruktiven Auslegung der Ventilvorrichtung innerhalb des Halsbereichs der Tankvorrichtung eine geringere Druckangriffsfläche erzielt, was geringere axiale Druckkräfte zur Folge hat. Bei hohen Drücken stellen geringere Druckangriffsflächen eine hohe Entlastung bezüglich Bauteilbelastungen dar, was sich in geringeren Verformungen, weniger Verschleiß und Dichtheitseinflüssen und einer erhöhten Lebensdauer der Tankvorrichtung und der Ventilvorrichtung und damit der gesamten Vorrichtung widerspiegelt.In addition, due to the structural design of the valve device, a smaller pressure contact area is achieved within the neck area of the tank device, which results in lower axial pressure forces. At high pressures, smaller pressure contact areas represent a high relief with regard to component loads, which is reflected in lower deformations, less wear and sealing effects and an increased service life of the tank device and the valve device and thus the entire device.

In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Ventilvorrichtung ein Steuerraum ausgebildet ist, in welchem Steuerraum das Hauptventilelement angeordnet ist und in welchem Steuerraum eine Feder angeordnet ist, welche Feder das Hauptventilelement mit einer Kraft in Richtung des Vorsteuerventilelements beaufschlagt.In a first advantageous development, it is provided that a control chamber is formed in the valve device, in which control chamber the main valve element is arranged and in wel Chem control chamber, a spring is arranged, which spring acts on the main valve element with a force in the direction of the pilot valve element.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Vorsteuerventilelement eine Öffnung aufweist, in welcher Öffnung eine Feder angeordnet ist, welche Feder das Vorsteuerventilelement mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes und welche Feder das Hauptventilelement mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes beaufschlagt.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the pilot valve element has an opening, in which opening a spring is arranged, which spring presses the pilot valve element with a force in the direction of the first sealing seat and which spring presses the main valve element with a force in the direction of the second sealing seat applied.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Verbindungsöffnung eine Drossel in Form einer Verengung der Verbindungsöffnung angeordnet ist und die Verbindungsöffnung in eine in dem Ventilgehäuse ausgebildete Hauptöffnung mündet, wobei die Verbindungsöffnung und die Hauptöffnung zylinderförmig ausgebildet sind und ein Durchmesser D der Hauptöffnung größer ist als ein Durchmesser d der Verbindungsöffnung. So kann der Fluss des gasförmigen Mediums in einfacher Weise gesteuert werden. Weiterhin wird eine schnelle und effiziente Öffnung der gesamten Ventilvorrichtung ermöglicht, da nur geringe magnetische Kräfte für die Öffnung notwendig sind.In an advantageous development, it is provided that a throttle in the form of a constriction of the connection opening is arranged in the connection opening and the connection opening opens into a main opening formed in the valve housing, the connection opening and the main opening being cylindrical and a diameter D of the main opening being larger as a diameter d of the connection hole. The flow of the gaseous medium can thus be controlled in a simple manner. Furthermore, a quick and efficient opening of the entire valve device is made possible, since only small magnetic forces are required for the opening.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Tankvorrichtung einen Tankinnenraum umfasst, wobei der Tankinnenraum mittels der Ventilvorrichtung und mittels einer Zulaufleitung mit einem Zulaufbereich eines Versorgungssystems verbindbar ist.In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the tank device comprises a tank interior, the tank interior being able to be connected to an inlet area of a supply system by means of the valve device and by means of an inlet line.

In vorteilhafter Weiterbildung ist der Tankinnenraum mittels der Ventilvorrichtung und mittels der Zulaufleitung mit einer Tankstelle verbindbar. Somit kann in konstruktiv einfacher Weise der Tankinnenraum über dieselbe Ventilvorrichtung und dieselbe Zulaufleitung mit einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, befüllt werden. Dieser wird auf diese Weise einem Versorgungssystem wie beispielsweise einem Brennstoffzellensystem oder einem System zur Wasserstoff-Verbrennung zur Verfügung gestellt wird.In an advantageous development, the tank interior can be connected to a gas station by means of the valve device and by means of the feed line. Thus, in a structurally simple manner, the tank interior can be filled with a gaseous medium, in particular hydrogen, via the same valve device and the same feed line. This is made available in this way to a supply system such as a fuel cell system or a system for hydrogen combustion.

Die beschriebene Vorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.The device described is preferably suitable in a fuel cell system for storing hydrogen for the operation of a fuel cell.

Die beschriebene Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff eignet sich weiterhin vorteilhaft für den Betrieb einer Brennstoffzelle in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug.The device described for storing hydrogen is also advantageously suitable for operating a fuel cell in a fuel cell-powered vehicle.

Die beschriebene Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug, d.h. in einem Fahrzeug mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb.The device described for storing hydrogen is also advantageously suitable in a hydrogen-powered vehicle, i.e. in a vehicle with a hydrogen combustion engine as the drive.

Figurenlistecharacter list

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, gezeigt. Es zeigt in

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt,
  • 2 vergrößerter Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1.
The drawing shows an exemplary embodiment of a device according to the invention for storing a gaseous medium, in particular hydrogen. It shows in
  • 1 an embodiment of a device according to the invention in longitudinal section,
  • 2 enlarged section of the device according to the invention 1 .

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 18 mit einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 2 und einer Tankvorrichtung 1 mit einer Längsachse 101 im Längsschnitt. Die Tankvorrichtung 1 weist ein Tankgehäuse 100 auf, das einen Halsbereich 46 aufweist, welcher über einen Öffnungskanal 42 in einen Tankinnenraum 8 mündet. Dabei ist der Öffnungskanal 42 in einem Tankboden 45 der Tankvorrichtung 1 ausgebildet, welcher den Halsbereich 46 von dem Tankinnenraum 8 trennt. l shows an embodiment of a device 18 according to the invention with a valve device 2 according to the invention and a tank device 1 with a longitudinal axis 101 in longitudinal section. The tank device 1 has a tank housing 100 which has a neck region 46 which opens into a tank interior 8 via an opening channel 42 . The opening channel 42 is formed in a tank bottom 45 of the tank device 1 , which separates the neck area 46 from the tank interior 8 .

Die Ventilvorrichtung 2 ist in dem Halsbereich 46 der Tankvorrichtung 1 angeordnet und integriert. Dabei weist die Ventilvorrichtung 2 ein Ventilgehäuse 200 und ein Ventilgehäusetopf 201 auf, mit welchem Ventilgehäusetopf 201 die Ventilvorrichtung 2 in dem Halsbereich 46 eingebettet ist und an dem Tankboden 45 anliegt. Der Ventilgehäusetopf 201 weist eine Durchgangsöffnung 47 auf, welche in den Öffnungskanal 42 mündet. Das Ventilgehäuse 200 und das Tankgehäuse 100 sind dabei mittels Verschraubungselementen 202 fest miteinander verbunden.The valve device 2 is arranged and integrated in the neck area 46 of the tank device 1 . The valve device 2 has a valve housing 200 and a valve housing pot 201 , with which valve housing pot 201 the valve device 2 is embedded in the neck area 46 and bears against the tank bottom 45 . The valve housing pot 201 has a through opening 47 which opens into the opening channel 42 . In this case, the valve housing 200 and the tank housing 100 are firmly connected to one another by means of screwing elements 202 .

In der Ventilvorrichtung 2 ist ein entlang der Längsachse 101 bewegliches Vorsteuerventilelement 10 angeordnet, welches zusammen mit einem ersten Dichtsitz 32 ein Vorsteuerventil 105 ausbildet. Das Vorsteuerventilelement 10 weist eine zylinderförmige Durchgangsöffnung 16 auf, welche in eine zylinderförmige Öffnung 12 übergeht, wobei der Durchmesser D der Öffnung 12 größer ist als der Durchmesser d der Durchgangsöffnung 16. Die Öffnung 12 mündet außerdem in die Durchgangsöffnung 47.A pilot valve element 10 that is movable along the longitudinal axis 101 is arranged in the valve device 2 and forms a pilot valve 105 together with a first sealing seat 32 . The pilot valve element 10 has a cylindrical through-opening 16, which merges into a cylindrical opening 12, the diameter D of the opening 12 being larger than the diameter d of the through-opening 16. The opening 12 also opens into the through-opening 47.

Außerdem ist in der Ventilvorrichtung 2 koaxial zu dem Vorsteuerventilelement 10 ein Hauptventilelement 34 angeordnet, welches zusammen mit einem an dem Ventilgehäuse 200 ausgebildeten zweiten Dichtsitz 36 ein Hauptventil 340 ausbildet. Dabei ist der erste Dichtsitz 32 an dem Hauptventilelement 34 ausgebildet.In addition, a main valve element 34 is arranged in the valve device 2 coaxially to the pilot valve element 10 and forms a main valve 340 together with a second sealing seat 36 formed on the valve housing 200 . In this case, the first sealing seat 32 is formed on the main valve element 34 .

Das Hauptventilelement 34 weist eine Öffnung 342 auf, in der das Ende 22 des Vorsteuerventilelements 32 aufgenommen und geführt ist.The main valve element 34 has an opening 342 in which the end 22 of the pilot valve element 32 is received and guided.

Das Vorsteuerventilelement 10 weist, wie in 2 in einem vergrößerten Ausschnitt aus 1 gezeigt, an einem Ende 22 eine Anformung 25 auf. Weiterhin sind in dem Ende 22 des Vorsteuerventilelements 10 Querbohrungen 341, 343 ausgebildet, welche einerseits in die Durchgangsöffnung 16 münden und andererseits in einen Ringraum 344 münden. Dieser Ringraum 344 ist von dem Vorsteuerventilelement 10 und dem Hauptventilelement 34 begrenzt und über den ersten Dichtsitz 32 mit der Verbindungsöffnung 26 verbindbar.The pilot valve element 10 has, as in 2 in an enlarged section 1 shown, at one end 22 a projection 25 on. Furthermore, transverse bores 341, 343 are formed in the end 22 of the pilot valve element 10, which open into the through-opening 16 on the one hand and open into an annular space 344 on the other. This annular space 344 is delimited by the pilot valve element 10 and the main valve element 34 and can be connected to the connection opening 26 via the first sealing seat 32 .

Darüber hinaus ist in dem Hauptventilelement 34 eine zylinderförmige Verbindungsöffnung 26 mit einer Drossel 24 in Form einer Verengung der Verbindungsöffnung 26 ausgebildet. Dabei wirkt die Anformung 25 an dem Ende 22 des Vorsteuerventilelements 32 mit dem ersten Dichtsitz 32 zum Öffnen und Schließen der Verbindungsöffnung 26 zusammen.In addition, a cylindrical connection opening 26 with a throttle 24 in the form of a constriction of the connection opening 26 is formed in the main valve element 34 . The projection 25 on the end 22 of the pilot valve element 32 interacts with the first sealing seat 32 to open and close the connection opening 26 .

Die Verbindungsöffnung 26 mündet in eine in dem Ventilgehäuse 200 der Ventilvorrichtung 2 ausgebildeten zylinderförmigen Hauptöffnung 28, welche mit einer Zulaufleitung 30 verbunden ist. Die Zulaufleitung 30 ist beispielsweise mit einem Zulaufbereich 53 eines Versorgungssystems verbunden, beispielsweise mit einem Brennstoffzellensystem, um eine in dem Brennstoffzellensystem angeordneten Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen. Weiterhin kann es sich bei dem Versorgungssystem auch um ein System mit Wasserstoff-Verbrenner handeln.The connection opening 26 opens into a cylindrical main opening 28 which is formed in the valve housing 200 of the valve device 2 and which is connected to an inlet line 30 . The inlet line 30 is connected, for example, to an inlet area 53 of a supply system, for example to a fuel cell system, in order to supply hydrogen to a fuel cell arranged in the fuel cell system. Furthermore, the supply system can also be a system with a hydrogen burner.

Das Hauptventilelement 34 wirkt zum Öffnen und Schließen der Hauptöffnung 28 mit dem zweiten Dichtsitz 36 zusammen, wobei ein Öffnungsquerschnitt dieser Hauptöffnung 28 in Verbindung mit dem zweiten Dichtsitz 36 größer ist als ein Öffnungsquerschnitt der Verbindungsöffnung 26 in Verbindung mit dem ersten Dichtsitz 32. Denn der Durchmesser der Hauptöffnung 28 ist größer als der Durchmesser der Verbindungsöffnung 26.The main valve element 34 interacts with the second sealing seat 36 to open and close the main opening 28, with an opening cross section of this main opening 28 in connection with the second sealing seat 36 being larger than an opening cross section of the connecting opening 26 in connection with the first sealing seat 32. Because the diameter of the main opening 28 is larger than the diameter of the connection opening 26.

Das Ventilgehäuse 200 und das Hauptventilelement 34 begrenzen einen Steuerraum 40, in welchem eine Feder 20 angeordnet ist. Diese Feder 20 stützt sich einerseits an dem Ventilgehäuse 200 und andererseits an dem Hauptventilelement 34 ab und beaufschlagt das Hauptventilelement 34 mit einer Kraft in Richtung des Vorsteuerventilelements 10.The valve housing 200 and the main valve element 34 delimit a control chamber 40 in which a spring 20 is arranged. This spring 20 is supported on the one hand on the valve housing 200 and on the other hand on the main valve element 34 and applies a force to the main valve element 34 in the direction of the pilot valve element 10.

Das Vorsteuerventilelement 10 wird mittels einer Feder 4 in der Öffnung 12 mit einer Kraft in Richtung des Hauptventilelements 34 beaufschlagt, so dass das Vorsteuerventilelement 10 auf dem ersten Dichtsitz 32 anliegt.The pilot valve element 10 is acted upon by a spring 4 in the opening 12 with a force in the direction of the main valve element 34 so that the pilot valve element 10 rests on the first sealing seat 32 .

Weiterhin ist in der Ventilvorrichtung 2 eine Magnetspule 5 angeordnet, welche in der Ventilvorrichtung 2 zur Stromversorgung einen elektrischen Anschluss 50 aufweist. Die Magnetspule 5 bildet zusammen mit dem Vorsteuerventilelement 10 und dem Ventilgehäusetopf 201 ein elektromagnetisches Kraftsystem aus.Furthermore, a magnetic coil 5 is arranged in the valve device 2 and has an electrical connection 50 in the valve device 2 for the power supply. The magnetic coil 5 forms an electromagnetic force system together with the pilot valve element 10 and the valve housing pot 201 .

Die Funktionsweise der Tankvorrichtung 1 ist wie folgt: Bei einer Bestromung der Magnetspule 5 bildet sich ein magnetisches Feld aus, was zu einer magnetischen Kraftwirkung zwischen dem Vorsteuerventilelement 10 und dem Ventilgehäusetopf 201 führt. Bei ausreichend hoher Magnetkraft hebt das Vorsteuerventilelement 10 von dem ersten Dichtsitz 32 ab und gibt den Öffnungsquerschnitt zwischen dem Ringraum 344 und der Verbindungsöffnung 26 und damit die Drossel 24 frei. So strömt nun gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Tankinnenraum 8 über den Öffnungskanal 42, die Durchgangsöffnung 47, die Öffnung 12 des Vorsteuerventilelements 10, die Durchgangsöffnung 16 und den Ringraum 344 in die Hauptöffnung 28.The functioning of the tank device 1 is as follows: when the magnetic coil 5 is energized, a magnetic field is formed, which leads to a magnetic force effect between the pilot valve element 10 and the valve housing pot 201 . If the magnetic force is sufficiently high, the pilot valve element 10 lifts off the first sealing seat 32 and releases the opening cross section between the annular space 344 and the connecting opening 26 and thus the throttle 24 . Gaseous medium, for example hydrogen, now flows from the tank interior 8 via the opening channel 42, the through-opening 47, the opening 12 of the pilot valve element 10, the through-opening 16 and the annular space 344 into the main opening 28.

Dies führt dazu, dass sich die Hauptöffnung 28 mit gasförmigem Medium füllt und so durch das Drucksystem ein ausgleichendes Druckniveau um das Hauptventilelement 34 aufgebaut wird. Dabei stellt sich mit der Zeit ein Druckniveau ein, welches vergleichbar mit dem Druckniveau am Vorsteuerventilelement 10 ist. Durch die Druckausgeglichenheit des Hauptventilelements 34 wird dieses durch die Kraft der Feder 20 aus dem zweiten Dichtsitz 36 gehoben und öffnet so den großen Öffnungsquerschnitt, eine Verbindung zwischen der Hauptöffnung 28 und dem Steuerraum 40. So strömt nun beispielsweise Wasserstoff zur Versorgung des Versorgungssystems mit Wasserstoff in Richtung des Zulaufbereichs 53.This leads to the main opening 28 being filled with gaseous medium and a compensating pressure level being built up around the main valve element 34 by the pressure system. Over time, a pressure level is established which is comparable to the pressure level at the pilot valve element 10 . Due to the pressure balance of the main valve element 34, it is lifted out of the second sealing seat 36 by the force of the spring 20 and thus opens the large opening cross section, a connection between the main opening 28 and the control chamber 40. For example, hydrogen now flows in to supply the supply system with hydrogen Direction of the inlet area 53.

Wird die Bestromung der Magnetspule 5 unterbrochen, so bricht das magnetische Feld zusammen und es wird eine schließende Kraft auf das Vorsteuerventilelement 10 und das Hauptventilelement 34 durch die Feder 4 und den pneumatischen Druckverhältnissen in der Ventilvorrichtung 2 ausgeübt. Das Vorsteuerventilelement 10 und das Hauptventilelement 34 bewegen sich dadurch wieder in Richtung des ersten Dichtsitzes 32 und des zweiten Dichtsitzes 36 und dichten so wieder die Öffnungsquerschnitte an dem ersten Dichtsitz 32 und dem zweiten Dichtsitz 36 ab. Gasförmiges Medium strömt nun nicht mehr aus der Tankvorrichtung 1 über die Ventilvorrichtung 2 in Richtung des Zulaufbereichs 53.If the energization of the magnet coil 5 is interrupted, the magnetic field collapses and a closing force is exerted on the pilot valve element 10 and the main valve element 34 by the spring 4 and the pneumatic pressure conditions in the valve device 2 . The pilot valve element 10 and the main valve element 34 thereby move again in the direction of the first sealing seat 32 and the second sealing seat 36 and thus again seal the opening cross sections on the first sealing seat 32 and the second sealing seat 36 . Gaseous medium no longer flows out of the tank device 1 via the valve device 2 in the direction of the inlet area 53.

Das Prinzip des selbstständigen Verschließens der Ventilvorrichtung 2 wirkt auch bei einem Notfall, wenn beispielsweise die Stromzufuhr unterbrochen ist. So kann sichergestellt werden, dass der Wasserstoff in der Tankvorrichtung 1 eingeschlossen ist und dieser nicht unkontrolliert in die Umgebung abgegeben wird.The principle of the automatic closing of the valve device 2 also works in an emergency, for example if the power supply is interrupted. In this way it can be ensured that the hydrogen is enclosed in the tank device 1 and that it is not released into the environment in an uncontrolled manner.

Im Betankungsfall wird die Hauptöffnung 28 über eine Tankeinheit mit Druck versorgt. Dabei ist der anstehende Druck in der Hauptöffnung 28 höher als in der Ventilvorrichtung 2 und dem Tankinnenraum 8. Die unterschiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, dass das Hauptventilelement 34 aus dem zweiten Dichtsitz 36 gedrückt wird und der große Öffnungsquerschnitt an dem zweiten Dichtsitz 36 freigegeben wird. Der Tankinnenraum 8 kann nun mit Wasserstoff befüllt werden. Wird der Tankvorgang beendet, so gleicht sich der Druck in der Hauptöffnung 28 wieder dem Druck in der Ventilvorrichtung 2 und dem Tankinnenraum 8 an, so dass sich das Hauptventilelement 34, unterstützt durch die Kraft der Feder 4, in Richtung des zweiten Dichtsitzes 36 bewegt und diesen wieder verschließt. Somit kann der Tankinnenraum 8 über die Zulaufleitung 30, welche hier dann an eine Tankstelle 54 angeschlossen wird, über dieselbe Ventilvorrichtung 2 mit Wasserstoff befüllt werden, wie der Wasserstoff dem Versorgungssystem zur Verfügung gestellt wird.When refueling, the main opening 28 is supplied with pressure via a tank unit. The pressure present in the main opening 28 is higher than in the valve device 2 and the tank interior 8. The different pressure conditions mean that the main valve element 34 is pressed out of the second sealing seat 36 and the large opening cross section at the second sealing seat 36 is released. The tank interior 8 can now be filled with hydrogen. When the refueling process is completed, the pressure in the main opening 28 equalizes the pressure in the valve device 2 and the tank interior 8 again, so that the main valve element 34, supported by the force of the spring 4, moves in the direction of the second sealing seat 36 and closes it again. Thus, the tank interior 8 can be filled with hydrogen via the feed line 30, which is then connected here to a gas station 54, via the same valve device 2 as the hydrogen is made available to the supply system.

Die Vorrichtung 18 für Tanksysteme zur Speicherung eines gasförmigen Mediums kann neben brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen beispielsweise auch zur Wasserstoff-Speicherung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoff-Verbrenner als Antrieb verwendet werden.The device 18 for tank systems for storing a gaseous medium can also be used, for example, for hydrogen storage in vehicles with a hydrogen combustion engine as the drive, in addition to fuel cell-operated vehicles.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102018201055 A1 [0002]DE 102018201055 A1 [0002]

Claims (9)

Vorrichtung (18) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums mit einer Tankvorrichtung (1) und mit einer Ventilvorrichtung (2), welche Ventilvorrichtung (2) ein Ventilgehäuse (200) umfasst, in welchem Ventilgehäuse (200) ein entlang einer Längsachse (101) der Ventilvorrichtung (2) bewegliches Vorsteuerventilelement (10) angeordnet ist, welches Vorsteuerventilelement (10) zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsöffnung (26) mit einem ersten Dichtsitz (32) zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil (105) ausbildet, wobei die Ventilvorrichtung (2) eine Magnetspule (5) umfasst, durch welche Magnetspule (5) das Vorsteuerventilelement (10) entlang der Längsachse (101) bewegbar ist, wobei in dem Ventilgehäuse (200) ein Hauptventilelement (34) angeordnet ist, welches Hauptventilelement (34) zum Öffnen und Schließen einer Hauptöffnung (28) mit einem zweiten Dichtsitz (36) zusammenwirkt und so ein Hauptventil (340) ausbildet, wobei die Ventilvorrichtung (2) einen Ventilgehäusetopf (201) aufweist, welcher Ventilgehäusetopf (201) fest mit dem Ventilgehäuse (101) verbunden ist und welcher Ventilgehäusetopf (201) in einem Halsbereich (46) der Tankvorrichtung (1) angeordnet und gegen einen Tankboden (45) innerhalb des Halsbereichs (46) gepresst ist, wobei das Ventilgehäuse (101) mittels eines Verschraubungselements (202) an dem Halsbereich (46) der Tankvorrichtung (1) fixiert ist, wobei das Vorsteuerventilelement (10) in einer Öffnung (342) des Hauptventilelements (34) aufgenommen ist und wobei das Vorsteuerventilelement (10) Querbohrungen (341, 343) aufweist, welche Querbohrungen (341, 343) mit einer in dem Tankboden (45) und in dem Ventilgehäusetopf (201) ausgebildeten Durchgangsöffnung (47) fluidisch verbunden sind, welche Querbohrungen (341, 343) in einen Ringraum (344) münden, welcher Ringraum (344) von dem Vorsteuerventilelement (10) und dem Hauptventilelement (34) begrenzt ist und über den ersten Dichtsitz (32) mit der Verbindungsöffnung (26) verbindbar ist.Device (18) for storing a gaseous medium with a tank device (1) and with a valve device (2), which valve device (2) comprises a valve housing (200), in which valve housing (200) a longitudinal axis (101) of the valve device (2) a movable pilot valve element (10) is arranged, which pilot valve element (10) interacts with a first sealing seat (32) to open and close a connection opening (26) and thus forms a pilot valve (105), the valve device (2) having a magnetic coil (5), by means of which magnetic coil (5) the pilot valve element (10) can be moved along the longitudinal axis (101), a main valve element (34) being arranged in the valve housing (200), which main valve element (34) for opening and closing a Main opening (28) interacts with a second sealing seat (36) and thus forms a main valve (340), the valve device (2) having a valve housing pot (201), which valve housing pot (201) is firmly connected to the valve housing (101) and which valve housing pot (201) is arranged in a neck area (46) of the tank device (1) and is pressed against a tank bottom (45) within the neck area (46), the The valve housing (101) is fixed to the neck area (46) of the tank device (1) by means of a screw element (202), the pilot valve element (10) being received in an opening (342) of the main valve element (34) and the pilot valve element (10) Has transverse bores (341, 343), which transverse bores (341, 343) are fluidically connected to a through-opening (47) formed in the tank bottom (45) and in the valve housing pot (201), which transverse bores (341, 343) lead into an annular space ( 344), which annular space (344) is delimited by the pilot valve element (10) and the main valve element (34) and can be connected to the connection opening (26) via the first sealing seat (32). Vorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ventilvorrichtung (2) ein Steuerraum (40) ausgebildet ist, in welchem Steuerraum (40) das Hauptventilelement (34) angeordnet ist und in welchem Steuerraum (40) eine Feder (20) angeordnet ist, welche Feder (20) das Hauptventilelement (34) mit einer Kraft in Richtung des Vorsteuerventilelements (10) beaufschlagt.Device (18) according to one of the preceding claims, characterized in that a control chamber (40) is formed in the valve device (2), in which control chamber (40) the main valve element (34) is arranged and in which control chamber (40) a spring (20) is arranged, which spring (20) acts on the main valve element (34) with a force in the direction of the pilot valve element (10). Vorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventilelement (10) eine Öffnung (12) aufweist, in welcher Öffnung (12) eine Feder (4) angeordnet ist, welche Feder (4) das Vorsteuerventilelement (10) mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes (32) und welche Feder (4) das Hauptventilelement (34) mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes (36) beaufschlagt.Device (18) according to one of the preceding claims, characterized in that the pilot valve element (10) has an opening (12), in which opening (12) a spring (4) is arranged, which spring (4) the pilot valve element (10) with a force in the direction of the first sealing seat (32) and which spring (4) acts on the main valve element (34) with a force in the direction of the second sealing seat (36). Vorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsöffnung (26) eine Drossel (24) in Form einer Verengung der Verbindungsöffnung (26) angeordnet ist und die Verbindungsöffnung (26) in eine in dem Ventilgehäuse (200) ausgebildete Hauptöffnung (28) mündet, wobei die Verbindungsöffnung (26) und die Hauptöffnung (28) zylinderförmig ausgebildet sind und ein Durchmesser D der Hauptöffnung (28) größer ist als ein Durchmesser d der Verbindungsöffnung (26).Device (18) according to one of the preceding claims, characterized in that a throttle (24) in the form of a constriction of the connection opening (26) is arranged in the connection opening (26) and the connection opening (26) in a valve housing (200) formed main opening (28), wherein the connecting opening (26) and the main opening (28) are cylindrical and a diameter D of the main opening (28) is larger than a diameter d of the connecting opening (26). Vorrichtung (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankvorrichtung (1) einen Tankinnenraum (8) umfasst, wobei der Tankinnenraum (8) mittels der Ventilvorrichtung (2) und mittels einer Zulaufleitung (30) mit einem Zulaufbereich (53) eines Versorgungssystems verbindbar ist.Device (18) according to one of the preceding claims, characterized in that the tank device (1) comprises a tank interior (8), the tank interior (8) being connected to an inflow area (53 ) of a supply system can be connected. Vorrichtung (18) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankinnenraum (8) mittels der Ventilvorrichtung (2) und mittels der Zulaufleitung (30) mit einer Tankstelle (54) verbindbar ist.Device (18) according to the preceding claim, characterized in that the tank interior (8) can be connected to a filling station (54) by means of the valve device (2) and by means of the feed line (30). Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung (18) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Fuel cell system with a device (18) for storing a gaseous medium for the operation of a fuel cell according to one of Claims 1 until 6 . Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Vorrichtung (18) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Fuel cell-powered vehicle with a device (18) for storing a gaseous medium for operating a fuel cell according to one of Claims 1 until 6 . Wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Vorrichtung (18) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Hydrogen-powered vehicle with a device (18) for storing a gaseous medium according to one of Claims 1 until 6 .
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