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Die Erfindung betrifft ein Absperrventil für ein Tanksystem, insbesondere ein Wasserstofftanksystem. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Tanksystem mit mindestens einem Druckgasbehälter und einem erfindungsgemäßen Absperrventil zum Absperren des Druckgasbehälters.
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Stand der Technik
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Bekannt sind mobile Wasserstofftanksysteme für Kraftfahrzeuge zur Umsetzung des Wasserstoffs in Brennstoffzellen oder in Wasserstoff-Verbrennungsmotoren. Für den Fall eines Leitungsbruchs oder Unfalls müssen die Wasserstofftanks mit Hilfe von Absperrventilen verschlossen werden, um einen unkontrollierten Wasserstoffaustritt zu verhindern. Die Absperrventile sind daher als selbsttätig stromlos schließende Ventile entsprechend den gültigen Richtlinien auszulegen.
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Die selbsttätige Schließfunktion wird üblicherweise mit Hilfe einer Feder realisiert, die in Schließrichtung, das heißt in Richtung eines Ventilsitzes, auf einen mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden, hubbeweglichen Ventilkolben des Absperrventils wirkt. Die Öffnungsfunktion kann direkt oder indirekt bewirkt werden. Bekannt sind Absperrventile, die beispielsweise durch mechanische Mitnehmer, öffnende Druckfedern oder Magnetkräfte geöffnet werden.
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In einem Wasserstofftanksystem wird bei geöffnetem Absperrventil eine pneumatische Verbindung zwischen einem Tankvolumen und einem Leitungssystem freigegeben. Um für nachfolgende pneumatische Elemente, wie beispielsweise Brennstoffzellen, Gasinjektoren und/oder Verbrennungsmotoren ein geeignetes Druckniveau bereitzustellen, ist im Leitungssystem üblicherweise ein Druckminderer angeordnet. Um den Druckminderer und/oder die nachfolgenden pneumatischen Elemente sowie das Leitungssystem selbst vor einer Überlastung zu schützen, muss der Druckanstieg im Leitungssystem zeitlich und amplitudenmäßig begrenzt werden. Herkömmliche Absperrventile begrenzen den Druckanstieg über die Auslegung eines Magnetkreises zur Ansteuerung des Absperrventils, über Mitnehmersysteme oder gar nicht. Letzteres ist beispielsweise bei indirekt gesteuerten Absperrventilen der Fall. Dies hat in der Regel eine Überdimensionierung der Magnetspule und/oder von Ventilbauteilen zur Folge, die wiederum zu Mehrkosten führen.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, ein Absperrventil für ein Tanksystem, insbesondere ein Wasserstofftanksystem, anzugeben, das eine Begrenzung der Öffungsdruckdifferenz ermöglicht und zugleich möglichst kleinvolumig und kompakt aufgebaut ist.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Absperrventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Tanksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das für ein Tanksystem, insbesondere für ein Wasserstofftanksystem, vorgeschlagene Absperrventil weist ein Ventilgehäuse auf, das einen Ventilraum ausbildet, in dem ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkender Ventilkolben hubbeweglich aufgenommen ist. In den Ventilraum mündet eine Gasleitung, über die der Ventilraum mit einem Tankvolumen des Tanksystems verbindbar ist, so dass der Ventilraum im Betrieb des Tanksystems mit Tankdruck beaufschlagbar ist. Im Bereich des Ventilsitzes mündet eine weitere Gasleitung in den Ventilraum, über die der Ventilraum mit einem pneumatischen Leitungssystem verbindbar ist. Erfindungsgemäß ist der Ventilkolben teil- und/oder abschnittsweise in axialer Richtung elastisch verformbar ausgebildet.
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Das vorgeschlagene Absperrventil weist demnach einen Ventilkolben mit einem in axialer Richtung elastisch verformbaren Teil und/oder Abschnitt auf. Die elastische Verformbarkeit kann dabei form- und/oder materialbedingt sein.
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Die teil- und/oder abschnittsweise elastische Verformbarkeit des Ventilkolbens in axialer Richtung erlaubt eine druckunabhängige definierte Öffnungsdruckdifferenz. Denn diese kann über eine definierte Abstimmung zwischen dem Hub des Ventilkolbens und der Verformbarkeit bzw. Steifigkeit des elastisch verformbaren Teils bzw. Abschnitts des Ventilkolbens eingestellt bzw. appliziert werden. Eine Überdimensionierung von Bauteilen aufgrund von Unsicherheiten und/oder Toleranzen in der Schaltkette ist demzufolge nicht mehr notwendig. Zudem kann eine Anpassung an unterschiedliche pneumatische Systeme einfach und kostengünstig realisiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ventilkolben einen Abschnitt mit verringerter axialer Steifigkeit auf, so dass der Ventilkolben in diesem Abschnitt in axialer Richtung elastisch verformbar ist. Der Ventilkolben kann in diesem Fall einteilig ausgeführt sein, da kein separates Teil zur Ausbildung des elastisch verformbaren Abschnitts benötigt wird. Die verringerte axiale Steifigkeit und damit elastische Verformbarkeit kann beispielsweise durch einen verringerten Querschnitt des Ventilkolbens in diesem Abschnitt realisiert werden. Alternativ oder ergänzend kann der Ventilkolben in diesem Abschnitt umfangseitig eingebrachte Aussparungen aufweisen, die jeweils in ihrer Winkellage versetzt zueinander in gleichmäßigen axialen Abständen angeordnet sind und sich jeweils über einen Winkelbereich von 180° oder mehr erstrecken.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ventilkolben mehrteilig ausgeführt und weist mindestens ein in axialer Richtung elastisch verformbares Teil auf, beispielsweise in Form einer Feder oder eines Elastomerkörpers. Die mehrteilige Ausführung des Ventilkolbens ermöglicht einen Materialwechsel, so dass die elastische Verformbarkeit über das Material des elastisch verformbaren Teils realisiert werden kann. Ferner kann der Ventilkolben mit einfachen Standardbauteilen, wie beispielsweise einer einfachen Feder, insbesondere Schraubenfeder, kombiniert werden, so dass das Absperrventil kostengünstig herstellbar ist.
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Vorteilhafterweise ist das in axialer Richtung elastisch verformbare Teil zwischen zwei weiteren Teilen des Ventilkolbens angeordnet. Das heißt, dass der mehrteilig ausgeführte Ventilkolben mindestens drei Teile umfasst, und zwar zwei Kolbenteile mit einer vergleichsweise hohen axialen Steifigkeit und einem zwischenliegenden Teil mit verringerter axialer Steifigkeit, so dass lediglich das zwischenliegende Teil elastisch verformbar ist. Die außenliegenden Teile ermöglichen das Aufbringen einer Dichtkraft in Schließstellung sowie eine Führung beim Öffnen und Schließen. Bevorzugt weist das dem Ventilsitz zugewandte Teil eine mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche auf. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das dem Ventilsitz abgewandte Teil mit einer Aktorik wirkverbunden ist. Die Aktorik kann insbesondere einen Magnetaktor umfassen, der direkt oder indirekt auf den Ventilkolben wirkt. Die indirekte Ansteuerung kann beispielsweise mit Hilfe eines Steuerventils realisiert werden.
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Das Absperrventil ist als stromlos schließendes Ventil ausgeführt, um die für Tanksysteme, insbesondere für Wasserstofftanksysteme, geltenden Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.
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Vorzugsweise ist der Ventilkolben in Richtung des Ventilsitzes von der Federkraft einer Schließfeder beaufschlagt. Bei unbestromter Aktorik drückt die Schließfeder den Ventilkolben in den Ventilsitz. Die Absperrfunktion des Absperrventils ist somit gewährleistet. Die Federkraft der Schließfeder kann unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise über einen Mitnehmer, Stößel oder Steuerventilkolben, auf den Ventilkolben wirken. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schließfeder einerseits am Ventilkolben, andererseits am Ventilgehäuse abgestützt. Der Ventilkolben kann hierzu einen als Federteller dienenden Ringbund aufweisen.
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Da der bevorzugte Anwendungsbereich eines erfindungsgemäßen Absperrventils ein Tanksystem ist, wird des Weiteren ein Tanksystem, insbesondere ein Wasserstofftanksystem, mit mindestens einem Druckgasbehälter und einem erfindungsgemäßen Absperrventil zum Absperren des Druckgasbehälters vorgeschlagen. Mit Hilfe des Absperrventils kann der Druckanstieg in einem an das Absperrventil angeschlossenen Leitungssystem begrenzt werden, so dass eine Überlastung des Leitungssystems verhindert wird.
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Bevorzugt weist der Druckgasbehälter ein Tankvolumen auf, das mit dem Ventilraum des Absperrventils verbunden ist. Im Ventilraum des Absperrventils herrscht demnach Tankdruck. Im Fall eines Wasserstofftanksystems herrscht im Ventilraum Hochdruck, da Wasserstoff in einem Druckgasbehälter üblicherweise unter Hochdruck gespeichert wird. Die Einstellung der Öffnungsdruckdifferenz erfolgt über eine definierte Abstimmung zwischen dem Hub des Ventilkolbens und der Steifigkeit des elastisch verformbaren Teils oder Abschnitts des Ventilkolbens.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Absperrventil in Schließstellung,
- 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Absperrventil in Schließstellung und
- 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Absperrventil in Schließstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte Absperrventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, das einen Ventilraum 3 umschließt. In dem Ventilraum 3 ist ein mehrteilig ausgeführter hubbeweglicher Ventilkolben 5 aufgenommen, der mit einem im Ventilgehäuse 2 ausgebildeten Ventilsitz 4 zusammenwirkt. Bei unbestromter Aktorik (nicht dargestellt) wird der Ventilkolben 5 von der Federkraft einer Schließfeder 13 im Ventilsitz 4 gehalten. Das Absperrventil 1 ist demnach als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt.
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Eine Aktorik zum Öffnen des Absperrventils ist nicht dargestellt, da diese variieren kann. Abhängig von der Wahl der Aktorik kann die Öffnungskraft Föff insbesondere eine mechanische, magnetische oder pneumatische Kraft sein. Die von der Aktorik bereitgestellte Öffnungskraft Föff kann zudem unmittelbar oder mittelbar auf den Ventilkolben 5 wirken.
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In der 1 ist der Ventilkolben 5 mehrteilig ausgeführt, wobei ein erstes Teil 10 eine mit dem Ventilsitz 4 zusammenwirkende Dichtfläche 12 aufweist. Ein zweite Teil 11 weist einen Ringbund 14 auf, an dem die Schließfeder 13 abgestützt ist. Zwischen den Teilen 10, 11 ist ein weiteres Teil 9 angeordnet, das in axialer Richtung elastisch verformbar ist und einerseits über Fixiermittel 15 am ersten Teil 10 sowie andererseits über Fixiermittel 15 am zweiten Teil 11 des Ventilkolbens 5 befestigt ist. Die beim Öffnen auf den Ventilkolben 5 wirkende Öffnungskraft Föff wird demnach vom zweiten Teil 11 über das elastisch verformbare Teil 9 auf das erste Teil 10 des Ventilkolbens 5 übertragen. Die Öffungsdruckdifferenz hängt dabei von der Verformbarkeit bzw. Steifigkeit des elastisch verformbaren Teils 9 ab.
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In der 1 ist das elastisch verformbare Teil 9 als Feder dargestellt. Diese Darstellung ist nur symbolhaft gewählt. Denn das Teil 9 muss nicht zwingend eine Feder sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Teil 9 auch um einen Elastomerkörper handeln.
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1 zeigt ferner, dass im Ventilraum 3 Hochdruck pHD herrscht. Denn der Ventilraum 3 ist über eine Gasleitung 6 mit einem Tankvolumen eines Druckgasbehälters (nicht dargestellt) eines Tanksystems verbunden, in dem Gas unter Hochdruck gespeichert wird. Auslassseitig herrscht ein Systemdruck psys. Denn der Ventilsitz 4 öffnet in eine Gasleitung 7, über die das Absperrventil 1 an ein Leitungssystem (nicht dargestellt) angeschlossen ist, in dem der Systemdruck psys herrscht. Bei geöffnetem Absperrventil 1 ist eine pneumatische Verbindung zwischen dem Tankvolumen des Druckgasbehälters und dem Leitungssystem hergestellt. Über das Leitungssystem kann dann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel oder ein Verbrennungsmotor mit dem jeweils benötigten Gas versorgt werden.
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Der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absperrventils 1 zu entnehmen. In dieser ist der Ventilkolben 5 ebenfalls mehrteilig ausgeführt und weist ein in axialer Richtung elastisch verformbares Teil 9 zwischen zwei weiteren Teilen 10, 11 auf. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 ist die Schließfeder 13 jedoch nicht über einen Ringbund 14 an dem oberen Teil 11 des Ventilkolbens 5 abgestützt, sondern an einem Ringbund 14 des unteren Teils 10. Auf diese Weise kann ein besonders kompakt bauendes Absperrventil 1 geschaffen werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absperrventils 1 ist in der 3 dargestellt. Der Ventilkolben 5 ist hier einteilig ausgeführt und weist anstelle eines elastisch verformbaren Teils 9 einen elastisch verformbaren Abschnitt 8 auf. Die einteilige Ausführung des Ventilkolbens 5 erspart Füge- und/oder Verbindungsprozesse. Zur Ausbildung des elastisch verformbaren Abschnitts 8 kann der Querschnitt des Ventilkolbens 5 in diesem Abschnitt 8 verringert werden. Alternativ oder ergänzend können Aussparungen 16 eingebracht werden, welche die axiale Steifigkeit des Ventilkolbens 5 verringern. Der Ventilkolben 5 selbst bildet in diesem Fall eine Art Feder aus.
