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Die Erfindung betrifft eine Ventilbaugruppe für einen Brenngastank. Ferner betrifft die Erfindung einen Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe. Bei dem Brenngas kann es sich insbesondere um Wasserstoff oder Erdgas handeln, das in einem Brenngastank unter Druck gespeichert wird.
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Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Brennstoffzellen- und/oder Gasfahrzeuge, die mit Hilfe eines Brenngases angetrieben werden.
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Stand der Technik
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Bekannt sind mobile Brenngastanksysteme mit mindestens einem Brenngastank zur Speicherung von Brenngas, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas. Der Brenngastank ist dabei in der Regel als Hochdrucktank ausgelegt, insbesondere als Hochdruck-Gasflasche. Ein Hochdrucktank benötigt immer ein Absperrventil, um den Tank dicht abzusperren, wenn das Fahrzeug nicht in Betrieb ist. Aus Gründen der Sicherheit ist das Absperrventil in der Regel als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt.
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Das Absperrventil ist üblicherweise in eine Ventilbaugruppe integriert, die sowohl die Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank als auch das Betanken des Brenngastanks mit Brenngas ermöglicht. Die Ventilbaugruppe weist hierzu einen Grundkörper auf, in dem ein Entnahmepfad und ein Betankungspfad ausgebildet sind. In den Entnahmepfad ist ein ansteuerbares Absperrventil und in den Betankungspfad ist ein Rückschlagventil integriert. Das Rückschlagventil verhindert ein Entweichen von Brenngas aus dem Brenngastank über den Betankungspfad. Im Entnahmepfad kann ein weiteres Rückschlagventil angeordnet sein, so dass über die Rückschlagventile die Strömungsrichtung in den beiden Pfaden festgelegt ist.
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Aus der
DE 10 2016 008 443 A1 geht beispielhaft ein Tankventil zur Montage an einem Druckgasbehälter hervor, das einen Grundkörper mit einem Gasanschluss aufweist, über den einerseits der Druckgasbehälter betankt, andererseits Gas aus dem Druckgasbehälter entnommen werden kann. Innerhalb des Grundkörpers teilt sich der Gasanschluss in eine Betankungsleitung und eine Entnahmeleitung auf, wobei in der Entnahmeleitung ein Entnahmeventil angeordnet ist. Ein in Reihe mit dem Entnahmeventil geschaltetes Rückschlagventil sperrt bei der Entnahme von Gas den Durchfluss entgegen der vorgesehenen Strömungsrichtung. Das Rückschlagventil verhindert somit, dass beim Betanken Gas über die Entnahmeleitung in den Druckgasbehälter strömt. In der Betankungsleitung ist ein weiteres Rückschlagventil integriert, das in Betankungsrichtung öffnet und in Entnahmerichtung sperrt.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, eine Ventilbaugruppe mit integriertem Absperrventil zur Entnahme von Brenngas aus einem Brenngastank anzugeben, bei dem ein ungewolltes Öffnen des Absperrventils sicher verhindert wird. Ferner soll mit Hilfe des Absperrventils der Ventilbaugruppe zum Betanken des Brenngastanks genutzt werden können.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Ventilbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Brenngastank mit einer erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die für einen Brenngastank vorgeschlagene Ventilbaugruppe umfasst einen Grundkörper, in dem ein Entnahmepfad mit integriertem Absperrventil zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank sowie ein Betankungspfad mit integriertem Rückschlagventil zum Betanken des Brenngastanks mit Brenngas ausgebildet sind. Der Entnahmepfad und der Betankungspfad sind innerhalb des Grundkörpers in einem Pfad zusammengeführt, der in einen gemeinsamen Gasanschluss mündet. Erfindungsgemäß zweigt von diesem Pfad oder von einer Stirnfläche des gemeinsamen Gasanschlusses ein Druckausgleichspfad ab, der in Entnahmerichtung stromaufwärts des Absperrventils in den Entnahmepfad mündet. In den Druckausgleichspfad ist dabei ein Rückschlagventil integriert, das in Entnahmerichtung sperrt.
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Über den Druckausgleichspfad mit integriertem Rückschlagventil ist sichergestellt, dass - unabhängig vom Druck im Brenngastank sowie unabhängig vom Druck im Bereich des Gasanschlusses - auf der Zuströmseite des Absperrventils stets der höhere Druck von beiden anliegt. Auf der Abströmseite des Absperrventils liegt dagegen immer der Druck an, der im Bereich des Gasanschlusses vorherrscht. Der Druck auf der Zuströmseite ist demzufolge stets größer oder gleich groß dem Druck auf der Abströmseite. Das heißt, dass am Absperrventil niemals ein Differenzdruck anliegt, der ein ungewolltes Öffnen des Absperrventils bewirken würde. Dadurch ist sichergestellt, dass das Absperrventil nur in Entnahmerichtung und nicht in umgekehrter Richtung durchströmt wird. Beim Betanken des Brenngastanks mit Brenngas ist demnach sichergestellt, dass kein mit Wasser kontaminiertes Brenngas in das Absperrventil gelang, bei tiefen Außentemperaturen gefriert und das Absperrventil blockiert.
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Vorteilhaft ist ferner, dass über den Druckausgleichspfad lediglich kurzzeitig, ein zudem geringer Gasstrom fließt, um den gewünschten Druckausgleich herzustellen. Dadurch können der Druckausgleichspfad sowie das darin integrierte Rückschlagventil für geringe Durchflüsse ausgelegt werden. Der zusätzliche Pfad und das zusätzliche Rückschlagventil benötigen dementsprechend wenig Bauraum.
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Bevorzugt ist in Entnahmerichtung stromaufwärts des einmündenden Druckausgleichpfads ein Rückschlagventil in den Entnahmepfad integriert, das in Entnahmerichtung öffnet und in der Gegenrichtung sperrt. Die Zuströmseite des Absperrventils ist somit durch zwei Rückschlagventile abgesichert. Das in den Druckausgleichspfad integrierte Rückschlagventil verhindert - analog zum Rückschlagventil im Betankungspfad - ein Ausströmen von Brenngas aus dem Brenngastank. Das in den Entnahmepfad integrierte Rückschlagventil verhindert ein Rückströmen von Brenngas von der Zuströmseite des Absperrventils in den Brenngastank und stellt dadurch sicher, dass über den Druckausgleichspfad kein dauerhafter Gasstrom erfolgen kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Grundkörper einen Verbindungsabschnitt zur Verbindung mit dem Brenngastank auf. Der Verbindungsabschnitt kann ein Außengewinde zum Einschrauben der Ventilbaugruppe in den Brenngastank, insbesondere in einen Flaschenhals des Brenngastanks aufweisen. Dadurch vereinfacht sich die Montage der Ventilbaugruppe am Brenngastank.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Entnahmepfad und der Betankungspfad über einen gemeinsamen Pfad mit einem Speichervolumen des Brenngastanks verbunden sind. Der Entnahmepfad und der Betankungspfad sind in diesem Fall nicht nur im Bereich des Gasanschlusses, sondern auch auf der Seite des Brenngastanks jeweils in einen Pfad zusammengeführt. Somit mündet nur ein Pfad in den Brenngastank. In der Folge kann der Verbindungsabschnitt zum Verbinden der Ventilbaugruppe mit dem Brenngastank kleiner dimensioniert werden, was sich insbesondere als Vorteil darstellt, wenn die Ventilbaugruppe in einen Flaschenhals des Brenngastanks eingesetzt werden soll.
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Sofern ausreichend Platz zur Verfügung steht, können der Entnahmepfad und der Betankungspfad auch als separate Pfade im Verbindungsabschnitt der Ventilbaugruppe ausgeführt sein. Auf diese Weise kann ein Bohrungsverschneidung eingespart werden. In diesem Fall münden der Entnahmepfad und der Betankungspfad als separate Pfade in den Brenngastank.
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Sofern ausreichend Platz zur Verfügung steht, können des Weiteren der Entnahmepfad und der Betankungspfad im gemeinsamen Gasanschluss als separate Pfade ausgeführt sein. Auf diese Weise kann eine weitere Bohrungsverschneidung eingespart werden. In diesem Fall können der Entnahmepfad und der Betankungspfad auch als separate Pfade in eine externe Gasanschlussleitung münden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das in den Entnahmepfad integrierte Rückschlagventil und das in den Druckausgleichspfad integrierte Rückschlagventil zu einem Bauelement zusammengefasst sind. Durch diese Maßnahme kann die Ventilbaugruppe vereinfacht und zugleich kompakter gestaltet werden.
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Das Bauelement kann hierzu zwei Ventilschließelemente aufweisen, zwischen denen eine Feder angeordnet ist, durch die jedes Ventilschließelement in Richtung eines Ventilsitzes vorgespannt ist. Über den die Feder aufnehmenden Raum zwischen den beiden Ventilschließelementen kann das Bauelement an die Zuströmseite des Absperrventils angebunden werden. Die beiden Ventilschließelemente können als Kugeln ausgeführt sein, die mit kegelförmigen Ventilsitzen zusammenwirken. Die Kugeln erfordern keine radiale Führung, da sie sich selbst in Bezug auf die kegelförmigen Ventilsitze ausrichten. Somit geben die Kugel beim Öffnen des Ventils einen ausreichenden Strömungsquerschnitt frei, um die Zuströmseite des Absperrventils über den Entnahmepfad mit dem Brenngastank oder über den Druckausgleichspfad mit dem Gasanschluss zu verbinden.
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Alternativ kann das Bauelement ein einteilig ausgeführtes, zwischen zwei Ventilsitzen hin und her bewegliches Ventilschließelement mit einer Umfangsnut und mindestens einer Längsnut aufweisen. Über die Umfangsnut kann das Bauelement an die Zuströmseite des Absperrventils angebundenen werden. Die mindestens eine Längsnut verbindet die Umfangsnut mit den Gasvolumina an den Ventilsitzen. Je nach Druckverhältnissen außerhalb der beiden Ventilsitze wird das Ventilelement rein pneumatisch entweder in die eine oder die andere Endlage gebracht, so dass jeweils ein Ventilsitz offen und der andere geschlossen ist. Niemals sind beide Ventilsitze gleichzeitig offen oder geschlossen. Das Öffnen und Schließen der Rückschlagventile kann somit rein pneumatisch bewirkt werden. Das heißt, dass eine Feder entbehrlich ist.
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Das Absperrventil ist vorzugsweise elektrisch ansteuerbar und/oder als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt. Als elektrisch ansteuerbares Ventil kann das Absperrventil besonders kompakt und robust ausgeführt werden. Zudem kann das Absperrventil aktiv geöffnet werden, um Brenngas aus dem Brenngastank zu entnehmen. In der Ausführung als stromlos geschlossenes Ventil erfüllt es die an einen Brenngastank gestellten Sicherheitsanforderungen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der gemeinsame Gasanschluss als Anschlussstutzen, vorzugsweise als Anschlussstutzen mit einem Außengewinde, ausgeführt ist. Der Anschlussstutzen erleichtert den Anschluss einer externen Gasleitung, über die Brenngas aus dem Brenngastank entnommen sowie Brenngas dem Brenngastank beim Betanken zugeführt werden kann. Sofern der Anschlussstutzen ein Außengewinde aufweist, kann die externe Gasleitung auf den Anschlussstutzen aufgeschraubt werden, so dass über die Schraubverbindung eine hochdruckfeste Verbindung zwischen der Gasleitung und der Ventilbaugruppe hergestellt ist.
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Der darüber hinaus vorgeschlagene Brenngastank zeichnet sich dadurch aus, dass er eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe aufweist. Vorzugsweise ist die Ventilbaugruppe abschnittsweise in den Brenngastank eingesetzt ist, so dass der gemeinsame Gasanschluss von außen zugänglich ist. Da der Entnahmepfad und der Betankungspfad zusammengeführt werden und als ein Pfad in den gemeinsamen Gasanschluss der Ventilbaugruppe münden, muss nur eine Gasleitung zur Entnahme von Brenngas sowie zum Betanken des Brenngastanks mit Brenngas angeschlossen werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer in einen Brenngastank eingesetzten erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe mit Pfeilen zur Darstellung der Gasströmungsrichtungen bei der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank, beim Betanken des Brenngastanks mit Brenngas sowie beim Druckausgleich,
- 2 eine schematische Darstellung einer in einen Brenngastank eingesetzten weiteren erfindungsgemäßen Ventilbaugruppe mit Pfeilen zur Darstellung der Gasströmungsrichtungen bei der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank, beim Betanken des Brenngastanks mit Brenngas sowie beim Druckausgleich,
- 3 einen Längsschnitt durch zwei gegengleich öffnende Rückschlagventile, die zu einem Bauelement mit zwei Ventilschließelementen, zwei Ventilsitzen und einer Feder zusammengefasst sind,
- 4 einen Längsschnitt durch zwei gegengleich öffnende Rückschlagventile, die zu einem Bauelement mit einem einteiligen Ventilschließelement zusammengefasst sind,
- 5 einen Querschnitt durch das Bauelement der 4 und
- 6 einen weiteren Längsschnitt durch das Bauelement der 4, jedoch in einer anderen Schaltstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Ventilbaugruppe 1 dient der Entnahme von Brenngas aus einem Brenngastank 2 sowie dem Betanken des Brenngastanks 2 mit Brenngas, insbesondere mit Wasserstoff oder mit Erdgas.
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Die dargestellte Ventilbaugruppe 1 weist einen Grundkörper 3 mit einem Verbindungsabschnitt 13 auf, über den die Ventilbaugruppe 1 mit dem Brenngastank 2 verbunden ist. Andernends bildet der Grundkörper 3 einen Gasanschluss 8 für den Anschluss einer externen Gasleitung (nicht dargestellt) aus.
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Im Grundkörper 3 sind ein Entnahmepfad 4 zur Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank 2 sowie ein Betankungspfad 5 zum Betanken des Brenngastanks 2 ausgebildet. In den Entnahmepfad 4 ist ein Absperrventil 6 integriert, das elektrisch ansteuerbar und als stromlos geschlossenes Ventil ausgeführt ist. In Entnahmerichtung (Pfeil 23) stromaufwärts des Absperrventils 6, das heißt auf der Zuströmseite des Absperrventils 6, ist ein Rückschlagventil 11 angeordnet, das in Entnahmerichtung öffnet und in der Gegenrichtung sperrt. In den Betankungspfad 5 ist ein weiteres Rückschlagventil 7 integriert, das in Betankungsrichtung (Pfeil 24) öffnet und in Gegenrichtung sperrt. Auf der Abströmseite des Absperrventils 6 sind der Entnahmepfad 4 und der Betankungspfad 5 zu einem Pfad 9 zusammengeführt, der in den Gasanschluss 8 mündet. Von diesem Pfad 9 zweigt ein Druckentlastungspfad 10 ab, der in Entnahmerichtung stromaufwärts des Absperrventils 6 in den Entnahmepfad 4 mündet, und zwar stromabwärts des in den Entnahmepfad 4 integrierten Rückschlagventils 11. Der Druckausgleichspfad 10 verbindet somit die Abströmseite mit der Zuströmseite des Absperrventils 6. Um zu verhindern, dass über den Druckausgleichspfad 10 Brenngas aus dem Brenngastank 2 abströmt, ist in den Druckausgleichspfad 10 ein weiteres Rückschlagventil 12 integriert, das in Entnahmerichtung sperrt. In Gegenrichtung (Pfeil 25) erlaubt das Rückschlagventil 12 dagegen einen Druckausgleich zwischen der Abströmseite und der Zuströmseite des Absperrventils 6. Dadurch ist sichergestellt, dass der Druck pin auf der Zuströmseite des Absperrventils 6 niemals unter den Druck p2 auf der Abströmseite fällt. Die am Absperrventil 6 anliegenden Druckverhältnisse stellen somit sicher, dass das Absperrventil 6 nicht ungewollt öffnen kann. Insbesondere beim Betanken des Brenngastanks 2 mit Brenngas kann der Druck p2 auf der Abströmseite nicht über den Druck pin auf der Zuströmseite des Absperrventils 6 steigen.
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Im Bereich des Verbindungsabschnitts 13 sind der Entnahmepfad 4 und der Betankungspfad 5 in einen Pfad 14 zusammengeführt, so dass nur dieser eine Pfad 14 in den Brenngastank 2 mündet. Der Verbindungsabschnitt 13 kann in diesem Fall sehr klein dimensioniert werden.
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Zur Vermeidung einer weiteren Bohrungsverschneidung können der Entnahmepfad 4 und der Betankungspfad 5 auch als separate Pfade mit dem Speichervolumen des Brenngastanks 2 verbunden werden. Diese Ausführungsform ist beispielhaft in der 2 dargestellt. Im Übrigen entspricht die Ausführungsform der 2 der der 1.
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Zur Vermeidung einer weiteren Bohrungsverschneidung kann auch der Druckausgleichspfad 10 nicht innerhalb des Grundkörpers 3 in den Pfad 9 münden, sondern stattdessen direkt zur Stirnfläche des Grundkörpers 3 bzw. des Gasanschlusses 8 geführt sein, so dass er direkt in eine angeschlossene externe Gasleitung mündet. Diese Ausführungsform ist in den Figuren nicht nochmals separat dargestellt, da sie aus den 1 und 2 abgeleitet werden kann.
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Die in den 1 und 2 dargestellten, gegengleich öffnenden Rückschlagventile 11, 12 können zu einem Bauelement 15 zusammengefasst werden, um Bauraum einzusparen. Mögliche Ausführungsformen eines solchen Bauelements 15 sind beispielhaft in den 3 bis 6 dargestellt.
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Eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Bauelements 15 zeigt die 3. Hier weist das Bauelement 15 zwei Ventilschließelemente 18.1, 18.2 auf, wobei jedes Ventilschließelement 18.1, 18.2 über eine zwischen den beiden Ventilschließelementen 18.1, 18.2 angeordnete, gemeinsame Feder 19 in Richtung eines Ventilsitzes 16, 17 vorgespannt ist. Jedem Ventilschließelement 18.1, 18.2 ist somit ein Ventilsitz 16, 17 zugeordnet. Die Feder 19 ist in einem Ventilraum 22 aufgenommen, der das Bauelement 15 mit der Zuströmseite des Absperrventils 6 verbindet. Bei der Entnahme von Brenngas aus dem Brenngastank 2 öffnet das Rückschlagventil 11 mit dem Ventilschließelement 18.1 entgegen der Federkraft der Feder 19, während das Ventilschließelement 18.2 gegen seinen Ventilsitz 17 gedrückt wird und so das Rückschlagventil 12 verschließt. Bei einem Druckausgleich über den Druckausgleichspfad 10 öffnet das Rückschlagventil 12 mit dem Ventilschließelement 18.2 entgegen der Federkraft der Feder 19, während das Ventilschließelement 18.1 gegen seinen Ventilsitz 16 gedrückt wird und so das Rückschlagventil 11 verschließt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Bauelements 15 ist in den 4 bis 6 dargestellt. Hier ist das Ventilschließelement 18 einteilig ausgeführt und wird allein über den Druck, das heißt pneumatisch gesteuert, so dass eine Feder 19 entbehrlich ist. Das Ventilschließelement 18 weist hierzu eine Umfangsnut 20 auf, über die der Ventilraum 22 an die Zuströmseite des Absperrventils 6 angebunden ist.
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Da das Ventilschließelement 18 radial geführt ist, weist es auf jeder Seite der Umfangsnut 20 zudem mindestens eine in die Umfangsnut 20 mündende Längsnut 21 als Gasströmungskanal auf (siehe 5). Bei geöffnetem Rückschlagventil 11 strömt Gas von dort über die mindestens eine Längsnut 21 zwischen der Umfangsnut 20 und dem dem Ventilsitz 16 zugewandten Ende der Führung des Ventilschließelements 18 zum Ventilraum 22. Bei geöffnetem Rückschlagventil 12 bzw. Ventilsitz 17 strömt das Gas von dort über die mindestens eine Längsnut 21 zwischen der Umfangsnut 20 und dem dem Ventilsitz 17 zugewandten Ende der Führung des Ventilschließelements 18 zum Ventilraum 22.
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4 zeigt das Ventilschließelement 18 in einer Schaltstellung, die dieses einnimmt, wenn p2 > p1 ist. Über das geöffnete Rückschlagventil 12 kann dann ein Druckausgleich bewirkt werden, der ein ungewolltes Öffnen des Absperrventils 6 verhindert. Das Rückschlagventil 11 ist in dieser Schaltstellung geschlossen.
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6 zeigt das Ventilschließelement 18 in einer Schaltstellung, die dieses einnimmt, wenn p2 < p1 ist und das Absperrventil 6 aktiv geöffnet wird. Über das geöffnete Rückschlagventil 11 kann dann Brenngas aus dem Brenngastank 2 entnommen und über das geöffnete Absperrventil 6 zum Gasanschluss 8 geführt werden. Das Rückschlagventil 12 ist in dieser Schaltstellung geschlossen.
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Eine erfindungsgemäße Ventilbaugruppe kann neben den dargestellten Ventilen weitere Ventile und/oder Komponenten aufweisen. Zum Beispiel kann bzw. können ein manuelles Absperr- und/oder Abblasventil, ein thermisches und/oder druckgesteuertes Sicherheitsventil sowie ein Temperatur- und/oder Drucksensor in die Ventilbaugruppe integriert sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016008443 A1 [0005]
