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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Weiterhin findet die Vorrichtung in einer Brennstoffzellenanordnung oder in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotor-System Anwendung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb und ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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Typischerweise sind die Absperrventile elektromagnetisch betrieben und benötigen für die Betätigung hohe magnetische Kräfte und ebenfalls Federn mit hohen Kräften.
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Vorteile der Erfindung
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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 bereitgestellt wird, welches mit geringen magnetischen Kräften und geringen Federkräften eine optimale Funktionsweise garantiert.
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Dazu weist die Vorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums eine Ventilvorrichtung auf, welche Ventilvorrichtung ein Ventilgehäuse umfasst. In dem Ventilgehäuse ist ein entlang einer Längsachse der Ventilvorrichtung bewegliches Vorsteuerventilelement angeordnet, welches Vorsteuerventilelement zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsöffnung mit einem ersten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil ausbildet. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse ein Hauptventilelement angeordnet, welches Hauptventilelement zum Öffnen und Schließen einer Hauptöffnung mit einem zweiten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Hauptventil ausbildet. Darüber hinaus ist das Hauptventilelement als Käfigelement ausgebildet und umgibt das Vorsteuerventilelement so zumindest teilweise und eine auf das Vorsteuerventilelement kraftausübende Hubfeder vollständig.
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So kann in konstruktiv einfacher Weise ein federunterstützendes Öffnen des Hauptventilelements so kombiniert werden, dass die öffnende Federkraft für das Hauptventil nicht in der Kraft der vorhandenen Federn berücksichtigt werden muss. Weiterhin resultiert der gesamte Hub in der Ventilvorrichtung dem Hub des Hauptventilelements, so dass der Hub des Vorsteuerventilelements nicht zusätzlich vorgehalten muss. So kann die Kraft der Schließfeder beispielsweise kleiner ausgelegt werden.
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In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Hauptventilelement eine Ausnehmung aufweist, in welcher Ausnehmung das Vorsteuerventilelement aufgenommen ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise ein kompakter Aufbau und ein Zusammenschluss zwischen dem Vorsteuerventilelement und dem Hauptventilelement erzielt werden, welcher auf einer geringen Federkraft beruht.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Ventilvorrichtung ein Steuerraum ausgebildet ist, in welchem Steuerraum das Hauptventilelement angeordnet ist und in welchem Steuerraum eine Schließfeder angeordnet ist, welche Schließfeder das Hauptventilelement zumindest mittelbar über das Vorsteuerventilelement mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes beaufschlagt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Vorsteuerventilelement einen Vorsprung aufweist, an welchem Vorsprung sich die Schließfeder abstützt. So kann die Schließfeder in konstruktiv einfacher Weise in die Ventilvorrichtung integriert werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Vorsteuerventilelement eine konische Anformung aufweist, welche konische Anformung mit dem ersten Dichtsitz zusammenwirkt, wobei der erste Dichtsitz an einer konischen Anformung des Haupventilelements ausgebildet ist. Diese konstruktive Ausführung unterstützt die Dichtheit am ersten Dichtsitz.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die konische Anformung des Vorsteuerventilelements vollständig von dem als Käfigelement ausgebildeten Hauptventilelement umgeben ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Vorsteuerventilelement einen Magnetanker aufweist, welcher Magnetanker mittels einer Magnetspule entlang der Längsachse bewegbar ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Ventilgehäuse ein Blockelement aufweist, wodurch ein Hub d des Magnetankers einstellbar ist. So kann in konstruktiv einfacher Weise zusätzlich mittels des Blockelements der Hub d des Magnetankers optimiert und an die Gegebenheiten des Vorsteuerventilelements angepasst werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Tankbehälter umfasst, wobei der Tankbehälter über einen Anschlusskanal mit der Ventilvorrichtung fluidisch verbunden und mittels der Ventilvorrichtung mit einem Verbrauchersystem, vorzugsweise eine Brennstoffzellenanordnung oder ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem verbindbar ist.
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Die beschriebene Vorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle.
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Die beschriebene Vorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem.
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In vorteilhaften Verwendungen kann die Vorrichtung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb verwendet werden.
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In vorteilhaften Verwendungen kann die Vorrichtung in Fahrzeugen mit einem Wasserstoffantrieb verwendet werden.
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Zeichnungen
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt in
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Längsschnitt,
- 2 wasserstoffbetriebenes Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung oder einem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in vereinfachter schematischer Ansicht.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 mit einer Ventilvorrichtung 1, aufweisend eine Längsachse 20, im Längsschnitt.
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Die Ventilvorrichtung 1 umfasst ein Ventilgehäuse 24, in dem ein Steuerraum 36 ausgebildet ist. In dem Steuerraum 36 ist ein Hauptventilelement 6 und ein Vorsteuerventilelement 22 angeordnet. Der Steuerraum 36 wird durch das Hauptventilelement 6 und das Vorsteuerventilelement 22 in einen äußeren Steuerraum 36a und einen inneren Steuerraum 36b aufgeteilt.
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Das Hauptventilelement 6 ist hier als Käfigelement für das Vorsteuerventilelement 22 und eine auf das Vorsteuerventilelement 22 kraftausübende Hubfeder 8 ausgebildet. Das heißt, dass das Vorsteuerventilelement 22 und die Hubfeder 8 von dem Hauptventilelement 6 umgeben sind. Die Hubfeder 8 ist dabei vollständig von dem Hauptventilelement 6 umgeben, wohingegen das Vorsteuerventilelement 22 lediglich teilweise von dem Haupventilelement 6 umgeben ist. Weiterhin weist das Hauptventilelement 6 eine konische Anformung 38 auf, an dem ein erster Dichtsitz 4 ausgebildet ist. Die Hubfeder 8 stützt sich einerseits an dem Hauptventilelement 6 und andererseits an dem Vorsteuerventilement 22 ab und ist in dem inneren Steuerraum 36b angeordnet.
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Das Vorsteuerventilelement 22 weist eine konische Anformung 40 auf, mit welcher das Vorsteuerventilelement 22 mit dem ersten Dichtsitz 4 zusammenwirkt und so eine Verbindungsöffnung 28 öffnet oder schließt und ein Vorsteuerventil 32 ausbildet. Die Verbindungsöffnung 28 ist in dem Hauptventilelement 6 ausgebildet, insbesondere an der konischen Anformung 38 des Hauptventilelements 6.
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Außerdem ist ein der konischen Anformung 40 entgegengesetztes Ende des Vorsteuerventilelements 22 als Magnetanker 10 ausgebildet. Die konische Anformung 40 des Vorsteuerventilelements 22 ist dabei von dem Hauptventilelement 6 vollständig umgeben, während das als Magnetanker 10 ausgebildete Ende des Vorsteuerventilelements 22 in einer Ausnehmung 48 des Hauptventilelements 6 aufgenommen ist und in den äußeren Steuerraum 36b hineinragt.
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An dem Ventilgehäuse 24 ist ein zweiter Dichtsitz 2 ausgebildet, welcher mit dem Hauptventilelement 6, insbesondere der konischen Anformung 38 des Hauptventilelements 6, zusammenwirkt und so eine in dem Ventilgehäuse ausgebildete Hauptöffnung 30 öffnet oder schließt und ein Hauptventil 34 ausbildet. Die Verbindungsöffnung 28 mündet dabei in die Hauptöffnung 30.
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Der äußere Steuerraum 36a und der innere Steuerraum 36b sind über den ersten Dichtsitz 4 und die Verbindungsöffnung 28 verbindbar. Zusätzlich sind diese noch über einen Kanal 46, welcher in der konsichen Anformung 38 des Hauptventilelements 6 ausgebildet ist, fluidisch verbunden.
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Über einen Anschlusskanal 44 in dem Ventilgehäuse 24 ist der Steuerraum 36, insbesondere der äußere Steuerraum 36a, mit einem Tankbehälter 50 verbunden. Mittels der Ventilvorrichtung 1 kann gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Tankbehälter 50 zu einem Verbrauchersystem, vorzugsweise eine Brennstoffzellenanordnung 70 oder ein Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 geleitet werden.
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Die Ventilvorrichtung 1 ist dabei über die Hauptöffnung 30 mit dem Verbrauchersystem verbindbar.
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Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 24 eine Magnetspule 18 angeordnet. Durch diese ist der Magnetanker 10 entlang der Längsachse 20 bewegbar.
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Das Ventilgehäuse 24 weist ein Blockelement 26 auf, wodurch ein Hub d des Magnetankers 10 einstellbar ist. Denn in dem Ventilgehäuse 24 ist in dem äußeren Steuerraum 36a eine Schließfeder 12 angeordnet, welche sich einerseits an einem der Hauptöffnung 30 gegenüberliegenden Ende des Ventilgehäuses 24 und andererseits an dem als Magnetanker 10 ausgebildeten Ende des Vorsteuerventilelements 22 abstützt, insbesondere an einem Vorsprung 42 des Vorsteuerventilelements 22. Je nach konstruktiver Auslegung des Blockelements 26 ist die Wirkung der Federkraft der Schließfeder 12 auslegbar und damit der maximal mögliche Hub d des Magnetankers 10 einstellbar. Die Schließfeder 12 beaufschlagt das Vorsteuerventilelement 22 mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes 4 und drückt dieses so gegen das Hauptventilelement 6 und das Hauptventilelement 6 seinerseits gegen den zweiten Dichtsitz 2 und damit gegen das Ventilgehäuse 24.
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Die Funktionsweise der Vorrichtung 100 ist wie folgt: Bei unbestromter Magnetspule 18 sind der erste Dichtsitz 4 und der zweite Dichtsitz 2 aufgrund der Schließfeder 12 geschlossen, so dass kein gasförmiges Medium aus dem Steuerrraum 36 in Richtung der Hauptöffnung 30 und dem Verbrauchersystem strömt. Die Kraft der Hubfeder 8 wird über das als Käfigelement ausgebildetes Hauptventilelement 6 abgeleitet, so dass diese Kraft nicht auf den zweiten Dichtsitz 2 wirkt.
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Bei einer Bestromung der Magnetspule 18 bildet sich ein magnetisches Feld aus, was zu einer magnetischen Kraftwirkung zwischen dem als Magnetanker 10 ausgebildeten Vorsteuerventilelement 22 und dem Ventilgehäuse 24 führt, entgegen der Kraft der Hubfeder 8 und der Schließfeder 12. Bei ausreichend hoher Magnetkraft hebt das Vorsteuerventilelement 22 von dem ersten Dichtsitz 4 ab und gibt die Verbindungsöffnung 28 frei. So strömt nun gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem inneren Steuerraum 36b über die Verbindungsöffnung 28 und die Hauptöffnung 30 in Richtung des Verbrauchersystems. So kann nun zusätzlich zu dem Kanal 46, welcher in den äußeren Steuerraum 36a mündet, gasförmiges Medium aus dem inneren Steuerraum 36b abgelassen werden.
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Dies führt zu einem Druckausgleich, wodurch bewirkt wird, dass mittels der Hubfeder 8 das Hauptventilelement 6 von dem zweiten Dichtsitz 2 abhebt und diesen freigibt. Nun strömt gasförmiges Medium auch über den äußeren Steuerraum 36a und direkt vom Anschlusskanal 44 über die Hauptöffnung 30 in Richtung des Verbrauchersystems.
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Wird die Bestromung der Magnetspule 18 unterbrochen, so bricht das magnetische Feld zusammen und es wird durch die Schließfeder 12 eine schließende Kraft auf das Vorsteuerventilelement 22 und das Hauptventilelement 6 und den pneumatischen Druckverhältnissen in der Ventilvorrichtung 100 ausgeübt. Das Vorsteuerventilelement 22 und das Hauptventilelement 6 bewegen sich dadurch wieder in Richtung des ersten Dichtsitzes 4 und des zweiten Dichtsitzes 2 und dichten so wieder die Öffnungsquerschnitte an dem ersten Dichtsitz 4 und dem zweiten Dichtsitz 2 ab. Gasförmiges Medium strömt nun nicht mehr aus dem Tankbehälter 50 über die Ventilvorrichtung 100 in Richtung des Verbrauchersystems.
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2 zeigt in vereinfachter schematischer Ansicht ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug 72, welches beispielsweise mit der Brennstoffzellenanordnung 70, ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug 73, oder dem Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 betrieben werden kann. Die Brennstoffzellenanordnung 70 bzw. das Wasserstoff-Verbrennungsmotorsystem 71 weist für die Bereitstellung von Wasserstoff die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 mit der Ventilvorrichtung 1 auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018201055 A1 [0002]
