DE112009004397B4

DE112009004397B4 - Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112009004397B4
Application number: DE112009004397.6T
Authority: DE
Inventors: Tsukuo Ishitoya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: US20110269045A1; CN102265083B; JPWO2010082348A1; DE112009004397T8; DE112009004397B8; CN102265083A; JP4784705B2; WO2010082348A1; DE112009004397T5; US8642225B2

Abstract

Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung (1), umfassend; ein Rohrleitungssystem (3), das ein Fluid aus einer Hochdruck-Fluidversorgungsquelle einem Fluidverbraucher (4) über eine erste Ventilvorrichtung (10) und eine zweite Ventilvorrichtung (20) zuführt; ein an einem Rohrteil (30) zwischen der ersten und der zweiten Ventilvorrichtung (10, 20) angeordnetes Dichtungselement (50), um die Dichtungseigenschaft des Rohrteils (30) aufrechtzuerhalten, wobei das Dichtungselement (50) aus einem elastischen Material gefertigt ist; und eine Steuereinheit (5), die das Schließen und Öffnen der ersten und der zweiten Ventilvorrichtung (10, 20) steuert, um befähigt zu sein, eine Druckänderungsgeschwindigkeit des Fluids im Rohrteil (30) einzustellen, wobei die Steuereinheit (5) die Druckänderungsgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der Temperatur des Dichtungselements (50) einstellt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellensystem ist ein Beispiel für ein System, das einen Vorrat eines Fluids über ein Hochdruck-Rohrleitungssystem aufnimmt, das in einer Hochdruck-Fluidversorgungsquelle, wie einem Hochdruck-Gastank, gespeichert ist, und dieses Fluid benutzt. Im Brennstoffzellensystem wird ein Brenngas unter hohem Druck von einem mit als Brenngas dienendem Wasserstoffgas oder Erdgas gefülltem Hochdruck-Gastank über ein Hochdruck-Leitungssystem einer Brennstoffzelle zugeleitet. Im Leitungssystem ist eine Mehrzahl von Ventilvorrichtungen vorgesehen, wodurch der Versorgungsdruck (Versorgungsmenge) des Brenngases stufenweise eingestellt werden kann:
In einem solchen Brennstoffzellensystem wird als Brenngas Wasserstoff oder dergleichen verwendet, und deshalb muß die Handhabung des Brennstoffzellensystems unter Sicherheitsgesichtspunkten ausreichend bedacht werden. Insbesondere muß ein Entweichen von Gas beim Schritt der Brenngasversorgung verhindert werden. Beispielsweise wird im Patentdokument 1 vorgeschlagen, daß ein Dichtungselement eines Hochdrucktanks mit einem Temperatureinsteller versehen wird, um eine Verringerung der Wirkung des Dichtungselements zu vermeiden.
Patentdokument 1: JP 2008-8 378 A
Die DE 298 14 306 U1 offenbart eine formschlüssige Dichtverbindung zwischen flexiblen Leitungselementen, bestehend aus einem dünnwandigen Rohr mit zwei endständigen kreisförmigen Längsabschnitten, sowie einem gewellten Mittelabschnitt und Anschlussteilen für Rohrleitungsenden. Jedes Anschlussteil weist eine umlaufende tiefe Nut mit eingelegter Dichtung auf, die endständigen kreisförmigen Längsabschnitte in die Anschlussteile, die Nut überdeckend eingesteckt und anschließend mittels Presswerkzeugen von innen nach radial außen in die Nut unter Bildung der Sicke verpresst ist.
Aus der JP 2008-34 126 A ist ein Brennstoffzellensystem und dessen Steuerverfahren bekannt. In dem System mit einem Gasleitungssystem zum Zuführen von Reaktionsgas zu einer Brennstoffzelle und einer Gaszufuhrsteuervorrichtung zum Verhindern des Zufuhrzustands des Reaktionsgases entsprechend der Leistungserzeugungsnachfrage wird das Zufuhrvolumen des Gases entsprechend der Temperatur der Brennstoffzelle verändert. Es wird bevorzugt, dass das Gaszufuhrvolumen entsprechend der Lebensdauertemperatureigenschaften eines Passagenelements, welches die das Reaktionsgas durchströmende Gaspassage bildet, verändert wird. Ferner wird bevorzugt, dass unter Berücksichtigung des Differenzialdrucks des Gaszufuhrzustands zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite der Brennstoffzelle der Differenzialdruck zwischen den beiden Polen durch Verhindern des Gaszufuhrvolumens auf der Kathodenseite verändert wird.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Jedoch kann das Entweichen von Gas beim Schritt der Brenngasversorgung nicht nur innerhalb des Hochdrucktanks, sondern auch innerhalb des Leitungssystems auftreten. Beispielsweise wird ein aus elastischem Material gefertigtes Dichtungselement für beispielsweise einen Verbindungsteil des Leitungssystems benutzt, und das Dichtungselement wird einer Druckänderung innerhalb des Leitungssystems folgend verformt, wodurch ein Entweichen von Gas aus dem Verbindungsteil verhindert wird. Jedoch kann die Wirksamkeit des Dichtungselements durch den Einfluß der Temperatur verringert werden. In einer solchen Situation nimmt beim raschen Aufbringen/Absenken des Drucks die folgende Verformung des Dichtungselements Zeit in Anspruch, was ein Entweichen von Gas aus dem Verbindungsteil des Leitungssystems zur Folge hat.
Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts der obigen Probleme der konventionellen Techniken und es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung zu schaffen, die das Entweichen von Gas aufgrund einer Reduzierung der Wirksamkeit eines innerhalb des Leitungssystems vorgesehenen Dichtungselements vermeidet.
Mittel zur Lösung des Problems
Um das obige Problem zu lösen, benutzt die Erfindung die folgenden Mittel: eine Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung umfassend: ein Rohrleitungssystem, das ein Fluid aus einer Hochdruck-Fluidversorgungsquelle einem Fluidverbraucher über eine erste Ventilvorrichtung und eine zweite Ventilvorrichtung zuführt; ein an einem Rohrteil zwischen der ersten und der zweiten Ventilvorrichtung angeordnetes Dichtungselement, um die Dichtungseigenschaft des Rohrteils aufrechtzuerhalten, wobei das Dichtungselement aus einem elastischen Material gefertigt sind; und eine Steuereinheit, die das Schließen und Öffnen der ersten und der zweiten Ventilvorrichtung steuert, um befähigt zu sein, eine Druckänderungsgeschwindigkeit des Fluids im Rohrteil einzustellen, wobei die Steuereinheit die Druckänderungsgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der Temperatur des Dichtungselements einstellt.
Mit einer solchen Gestaltung kann die Druckänderungsgeschwindigkeit des Fluids im Rohrteil in Übereinstimmung mit der Verformungswirkung des Dichtungselements eingestellt werden, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur verändert. Demgemäß kann eine Gasleckage aus dem Rohrteil aufgrund einer Verformungsverzögerung des Dichtungselements vermieden werden.
In dieser Beschreibung umfaßt „die Temperatur eines Dichtungselements” nicht nur eine durch direkte Messung am Dichtungselement erhaltene Temperatur, sondern auch eine geschätzte Temperatur des Dichtungselements, die ausgehend von einem Meßwert etc. geschätzt wird, von beispielsweise einer Temperatur in der Umgebung des Dichtungselements, der Temperatur eines durch ein Rohrteil fließenden Fluids, der Temperatur eines Fluidverbrauchers und einer Außentemperatur außerhalb einer Fluidversorgungsvorrichtung.
Außerdem bezieht sich in dieser Beschreibung „elastisches Material” auf ein Material, das eine größere Elastizität aufweist als jene von Metall etc., und bezieht sich typischerweise auf Kautschuk, Silikon etc. Zusätzlich bezieht sich „Hochdruck” auf einen Druck von beispielsweise 1 MPs oder mehr unter einem Quantitätsblickwinkel.
Des Weiteren veranlaßt, wenn die Temperatur des Dichtungselements niedriger ist als eine vorgegebene Temperatur, die Steuereinheit, daß die Druckänderungsgeschwindigkeit geringer wird als in dem Falle, in welchem die Temperatur höher ist als die vorgegebene Temperatur.
Gemäß einer solchen Konstruktion ist die Druckänderungsgeschwindigkeit in einer Umgebung mit niedriger Temperatur geringer, wo die Verformungswirkung des Dichtungselements reduziert ist, wodurch die Gasleckage am Rohrteil zuverlässiger verhindert werden kann; indessen muß die Druckänderungsgeschwindigkeit in einer Umgebung, in der die Verformungswirkung nicht hat reduziert ist, nicht gesenkt werden, und deshalb kann dies die Verkürzung der Zeit erleichtern, die erforderlich ist, um einen gewünschten Druck zu erreichen.
Weiterhin kann bei der obigen Gestaltung die Steuereinheit die Druckänderungsgeschwindigkeit einstellen, wenn der Fluiddruck im Rohrteil erhöht wird.
Wenn der Fluiddruck im Rohrteil erhöht wird, tritt eine Gasleckage aufgrund einer Verformungsverzögerung des Dichtungselements auf und somit ist die obige Gestaltung besonders nützlich.
Außerdem kann bei der obigen Gestaltung die Steuereinheit die Druckänderungsgeschwindigkeit einstellen, wenn der Fluiddruck im Rohrteil gesenkt wird.
Wenn die Verformung des Dichtungselements verzögert wird, während der Druck im Rohrteil reduziert wird, kann dies zu einem Defekt des Dichtungselements derart führen, daß dieses nach der Druckreduzierung nicht mehr in die richtige Position zurückkehrt. Jedoch vermeidet die obige Gestaltung Verformungsverzögerung des Dichtungselements während einer Druckreduzierung, wodurch ein solcher Defekt verhindert werden kann.
Des Weiteren kann bei der obigen Gestaltung das Rohrteil von einem ersten, mit der ersten Ventilvorrichtung verbundenen Rohrteil und einem zweiten, mit der zweiten Ventilvorrichtung verbundenen Rohrteil und einem den ersten und den zweiten Rohrteil verbindenden Verbindungsteil gebildet werden, und das Dichtungselement ist ein O-Ring oder eine Flachdichtung, die in jeder einer ersten Nut zwischen dem Verbindungsteil und dem ersten Rohrteil und einer zweiten Nut zwischen dem Verbindungsteil und dem zweiten Rohrteil angeordnet ist.
Mit der obigen Gestaltung kann eine Verformungsverzögerung des O-Rings oder der Flachdichtung in jeder einer ersten Nut zwischen dem Verbindungsteil und dem ersten Rohrteil und einer zweiten Nut zwischen dem Verbindungsteil und dem zweiten Rohrteil verhindert werden und somit kann eine Gasleckage am Verbindungsteil zwischen den Rohren mit der hohen Möglichkeit einer Gasleckage vermieden werden.
Außerdem kann das Fluid ein Brenngas und der Fluidverbraucher eine Brennstoffzelle sein.
Mit der obigen Gestaltung kann einer Gasleckage aufgrund einer Reduzierung der Wirkung eines Dichtungselements im Rohrleitungssystem eines Brennstoffzellensystems vorgebeugt werden.
Wirkung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann eine Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung schaffen, die eine Gasleckage aufgrund einer Reduzierung der Wirkung eines im Rohrleitungssystem vorgesehenen Dichtungselements vermeidet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Schaltbild einer Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht einer in ein Fahrzeug eingebauten Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Dichtungskonstruktion zwischen Rohrleitungsteilen und einem Verbindungsteil gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 ist ein schematisches Schaubild, das das Entweichen von Gas während einer niedrigen Temperatur entsprechend dem Stand der Technik erläutert.
5 ist ein Diagramm, das die Steuerung der Druckänderungsgeschwindigkeit bei gewöhnlicher Temperatur gemäß der Ausführungsform der Erfindung darstellt.
6 ist ein Diagramm, das die Steuerung der Druckänderungsgeschwindigkeit bei niedriger Temperatur gemäß der Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Beschreibung der Bezugszeichen

1: Fluidversorgungsvorrichtung, 2: Hochdruck-Gastank, 3: Rohrleitungssystem, 4: Gasverbraucher (fluidnutzende Vorrichtung), 5: Steuereinheit, 6: Temperaturfühler, 7: Druckfühler, 10: erstes Gasversorgungsventil (erste Ventilvorrichtung), 20: zweites Gasversorgungsventil (zweite Ventilvorrichtung), 30: Rohrteil, 310: erster Rohrteil, 320 zweiter Rohrteil, 40: Verbindungsteil, 41: Hauptteil, 410: hohler Abschnitt, 412: Nut, 42, 43, 44, 45: Befestigungshülse, 50: Dichtungselement, 100: Fahrzeug.

Beste Ausführungsform der Erfindung
Eine Fluidversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen sind die gleichen Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
(Gestaltung der Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung)
Zunächst wird die Grundstruktur der erfindungsgemäßen Fluidversorgungsvorrichtung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Dabei ist die 2 ein schematisches Schaltbild einer Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, schließt die Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung 1 einen Hochdruck-Gastank 2 (Hochdruck-Fluidversorgungsquelle), ein Rohrleitungssystem 3, einen Gasverbraucher 4 (fluidnutzende Vorrichtung) und eine Steuereinheit 6 ein.
Der Hochdruck-Gastank 2 ist ein Behälter, der Erdgas, Wasserstoffgas oder dergleichen als Brenngas Dienendes speichert, das mit hohem Druck komprimiert ist, und der Innendruck beträgt beispielsweise 70 MPa, wenn die maximale Brenngasmenge in den Hochdruck-Gastank 2 gefüllt ist. Das im Hochdruck-Gastank 2 gespeicherte Brenngas kann über das Rohrleitungssystem 3 dem Gasverbraucher 4 zugeführt werden.
Das Rohrleitungssystem 3 schließt ein erstes Gasversorgungsventil 10 (erste Ventilvorrichtung) auf der Seite des Hochdruck-Gastanks 2 ein (nachfolgend als „stromauf gelegene Seite” bezeichnet) und ein zweites Gasversorgungsventil 20 (zweite Ventilvorrichtung) auf der Seite des Gasverbraucher 4 (nachfolgend als „stromab gelegene Seite” bezeichnet), und schließt zwischen diesen Versorgungsventilen einen Rohrteil 30 ein. Als das erste Gasversorgungsventil 10 und das zweite Gasversorgungsventil 20 können mechanische Druckminderventile, Druckregelventile vom elektromagnetisch betätigten Typ (Injektoren) usw. verwendet werden.
Der Rohrteil 30 schließt zwei körperlich getrennte Rohre ein, einen ersten Rohrteil 310, der auf der stromauf gelegenen Seite angeordnet und mit dem ersten Gasversorgungsventil 10 verbunden ist, und einen zweiten Rohrteil 320, der auf der stromab gelegenen Seite angeordnet und mit dem zweiten Gasversorgungsventil 20 verbunden ist. Der erste Rohrteil 310 und der zweite Rohrteil 320 sind mit einander durch ein Verbindungsteil 40 verbunden. Aus einem elastischen Material gefertigte (nicht gezeigte) Dichtungselemente sind jeweils zwischen dem Verbindungsteil 40 und dem Rohrteil 310 und zwischen dem Verbindungsteil 40 und dem Rohrteil 320 angeordnet, und diese Dichtungselemente bewahren die Dichtungseigenschaft des Rohrteils 30. Die Dichtungsstruktur des Rohrteils 30 ist unten im Detail beschrieben. Es ist zu beachten, daß der Rohrteil 30 einen Temperaturfühler 6 und einen Druckfühler 7 enthält und die jeweils durch diese Fühler gemessenen Werte der Temperatur und des Innendrucks des Rohrteils 30 in die Steuereinheit 5 eingegeben werden.
Der Gasverbraucher 4 ist eine Vorrichtung; die vom Hochdruck-Gastank 2 über das Rohrleitungssystem 3 zugeführtes Brenngas verbraucht und bei dieser Ausführungsform beispielsweise eine Brennstoffzelle (FC) ist. Die Brennstoffzelle besitzt eine stapelartige Struktur in welcher eine erforderliche Anzahl von Einzelzellen gestapelt sind, deren jede elektrische Leistung durch die Versorgung mit einem Brenngas und einem Oxidansgas (Reaktionsgase) erzeugt.
Die Steuereinheit 5 steuert verschiedene Aktionen der Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung 1. Beispielsweise steuert die Steuereinheit 5 das Schließen und Öffnen des ersten und des zweiten Gasversorgungsventils 10 und 20, um die Versorgungsmenge des Brenngases aus dem Hochdruck-Gastank 2 zum Gasverbraucher 4 auf der Basis der vom Gasverbraucher 4 geforderten Größe der Leistungserzeugung. Auch stellt die Steuervorrichtung 5 beispielsweise jeglichen Gasabfluß aus dem Hochdruck-Gastank 2 und dem Leitungssystem 3 fest, z. B. wenn die Leistungserzeugung des Gasverbrauchers 4 beginnt, oder nach dem Ende der Leistungserzeugung. Die Steuereinheit 5 wird von einem (nicht gezeigten) Computerystem gebildet. Ein solches Computerystem schließt eine CPU, ein ROM, ein RAM, eine HD, eine I/O-Schnittstelle, ein Display, etc. ein. Die CPU liest verschiedene im ROM gespeicherte Steuerprogramme um sie auszuführen, wodurch verschiedene Steueraktionen realisiert werden.
Es ist zu beachten, daß die Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform der Erfindung bei verschiedenen Systemen angewandt werden kann, die Hochdruckgas verwenden, wie beispielsweise ein in 2 gezeigtes, in einem Fahrzeug 100 eingebautes Brennstoffzellensystem.
(Dichtungsstruktur des Rohrteils)
Als Nächstes wird unter Benutzung der 3 die Struktur des Rohrteils 30 beschrieben. Die 30 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch eine Dichtungskonstruktion zwischen dem ersten und dem zweiten der Rohrteile und dem Verbindungsteil gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Wie in 3 gezeigt, besitzt in Hauptteil 41 des Verbindungsteils 40 in seinem Inneren einen hohlen Abschnitt 410 mit dem gleichen Durchmesser wie die Durchmesser des ersten und des zweiten Rohrteils 310 und 320. Das vom ersten Rohrteil 310 abströmende Brenngas wird über den hohlen Abschnitt 410 dem zweiten Rohrteil 320 zugeführt. Dabei werden die Verbindungsteile zwischen dem erste und dem zweiten Rohrteil 310 und 320 und dem Verbindungsteil 40 (nachfolgend einfach als „Verbindungsteile” bezeichnet) jeweils durch einen O-Ring 50 abgedichtet, wodurch eine Leckage vermieden wird.
Der erste und der zweite Rohrteil 310 und 320 und der Verbindungsteil 40 bilden eine achssymmetrische Struktur, deren Längsrichtung als Achse dient. Insbesondere ist der erste Rohrteil 310 unter Verwendung von Befestigungshülsen 42 und 43 an einem stromauf gelegenen Teil des Hauptkörpers 41 des Verbindungsteils 40 befestigt. Dabei ist ein stromab gelegenes Ende des ersten Rohrteils 310 mit einem Flansch versehen und liegt an dem stromauf weisenden Ende des Hauptteils 41 an. Ein stromauf weisender Anlageabschnitt des Hauptteils 41 ist mit einer Nut 412 versehen. Der aus elastischem Material gefertigte O-Ring 40 ist in die Nut 412 eingesetzt und weist eine vorgegebene Kompressibilität (z. B. 30%) auf.
Die Verbindungsstruktur zwischen dem Verbindungsteil 40 und dem zweiten Rohrteil 320 ist die gleiche wie oben. Das heißt, der zweite Rohrteil 320 ist unter Verwendung von Befestigungshülsen 44 und 45 an einem stromab gelegenen Teil des Hauptkörpers 41 des Verbindungsteils 40 befestigt. Dabei ist ein stromauf gelegenes Ende des zweiten Rohrteils 320 mit einem Flansch versehen und liegt an dem stromab weisenden Ende des Hauptteils 41 an. Ein stromab weisender Anlageabschnitt des Hauptteils 41 ist mit einer Nut 412 versehen. Der aus elastischem Material gefertigte O-Ring 40 ist in die Nut 412 eingesetzt und weist eine vorgegebene Kompressibilität (z. B. 30%) auf.
Beispiele von Materialien für den O-Ring 50 schließen Nitrilkautschuk (NBR), Butylkautschuk (IIR), Ethylen-Propylen-Kautschuk (EPDM), Fluorharz (PEFE) und Silikon ein und können aus den Materialien ausgewählt werden, die während einer niedrigen Temperatur eine hohe Formwiederherstellungskraft aufweisen. Es ist zu beachten, daß für den ersten und den zweiten Rohrteil 310 und 320, das Verbindungsteil 40, die Befestigungshülsen 43–45, etc. keine Materialbeschränkungen bestehen, sofern die Materialien eine ausreichende Festigkeit (Rigidität) aufweisen, um einen hohen Fluiddruck (z. B. 70 Mpa) zuzulassen, und beispielsweise metallische Materialien verwendet werden.
(Steuerung der Veränderungsgeschwindigkeit des Gasdrucks am Rohrteil)
Bei dieser Ausführungsform wird die Druckveränderung des durch den Rohrteil 30 fließenden Brenngases klein gehalten im Vergleich zu der Druckveränderung in einer Umgebung mit normaler Temperatur, wenn festgestellt wird, daß der O-Ring sich in einer Umgebung mit niedriger Temperatur befindet und die Verformungswirkung des O-Rings 50 relativ zur Druckänderung (nachfolgend auch als „die Verformungswirkung” bezeichnet) reduziert wird. Dies wird unten im Detail unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 beschrieben.
Zunächst wird anhand der 4 der Grund für eine solche Steuerung erläutert. Die 4 ist ein schematisches Schaubild, das das Entweichen von Gas während einer niedrigen Temperatur entsprechend dem Stand der Technik erläutert, wobei die Schaubilder auf der linken Seite für die Fälle (A) gewöhnliche Temperatur und (B) niedrige Temperatur jeweils entsprechende zeitliche Änderungen des Drucks (Gasdruck) des Brenngases und des Oberflächendrucks (Druck auf die Dichtungsoberfläche) des O-Rings 50 zeigen, und die Schaubilder auf der rechten Seite schematisch die Zustände des O-Rings vor der Druckbeaufschlagung, während einer raschen Druckbeaufschlagung und nach der Druckbeaufschlagung für die oben genannten Fälle der gewöhnlichen und der niedrigen Temperatur zeigen.
Bei gewöhnlicher Temperatur wird vor der Druckbeaufschlagung ein Oberflächendruck von beispielsweise um die 5 MPa auf den Verbindungsteil ausgeübt, verursacht durch die Kompression des O-Rings 50 während des Einbaus, wodurch der Verbindungsteil abgedichtet wird (a1). In diesem Zustand, wenn der Rohrteil 30 rasch mit Druck beaufschlagt wird, insbesondere, wenn bei einem geöffneten Hauptabsperrventil des Hochdruckgastanks 2 die Steuereinheit 5 das erste Gasversorgungsventil 10 öffnet und das zweite Gasversorgungsventil schließt, veranlaßt der zunehmende Druck den O-Ring 50 gegen eine Seite der Nut 412 gedrückt zu werden, so daß der O-Ring von einer O-Form zu einer D-Form verformt wird, so daß der Druck auf die Dichtungsfläche mit dem Gasdruck zunimmt (a2). Somit wird der Zustand, in welchem der Druck auf die Dichtungsfläche höher ist als der Gasdruck beibehalten. Dieser Zustand wird beibehalten, bis ein Zieldruck (hier 70 MPa) zu einem Zeitpunkt t₁ (hier 0,1 ms) erreicht wird und die Steuereinheit 5 das erste Gasversorgungsventil 10 schließt (a3). Das heißt, selbst mit rascher Druckbeaufschlagung bei gewöhnlicher Temperatur tritt eine Verzögerung der Verformung des O-Rings 50 nicht auf, und somit wird der Zustand, in welchem der Druck auf die Dichtungsoberfläche höher ist als der Gasdruck immer beibehalten. Demgemäß tritt eine Gasleckage aus dem Verbindungsteil nicht auf.
Indessen tritt eine Gasleckage während niedriger Temperatur auf. Dies ist der Fall, weil (1) bei niedriger Temperatur der Druck auf die Dichtungsoberfläche niedrig ist (z. B. um 3 MPa) im Zustand vor der Druckbeaufschlagung (b1) an erster Stelle wegen der Verhärtung des O-Rings 50 und (2) tritt eine Verformungsverzögerung aufgrund der Verringerung der Verformungswirkung des O-Rings während der raschen Druckbeaufschlagung (b2) auf, was einen Bereich erzeugt, in dem der Gasdruck höher ist als der Druck auf die Dichtungsoberfläche (Bereich A-B von (B) im Schaubild auf der linken Seite) bevor der Gasdruck den oberen Zieldruck erreicht (z. B. 70 MPa).
Somit beurteilt die Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung, ob es ein Problem bei der Verformungsweise des O-Rings 40 gibt oder nicht, insbesondere ob sich der O-Ring in einer Umgebung mit gewöhnlicher Temperatur befindet oder in einer Umgebung mit niedriger Temperatur, und verändert die Druckveränderungsgeschwindigkeit des Brenngases, das in Übereinstimmung mit diesem Beurteilungsergebnis über den Rohrteil 30 fließt.
Insbesondere wenn ein rascher Anstieg des Drucks im Rohrteil 30 erwartet wird, schätzt die Steuereinheit 5 die Temperatur des O-Rings 50 anhand des vom Temperaturfühler 6 gemessenen Werts der Brenngastemperatur. Die Steuereinheit 5 verändert dann die Geschwindigkeit des Druckanstiegs im Rohrteil 30 zwischen dem Falle einer gewöhnlichen Temperatur, in welchem der geschätzte Temperaturwert des O-Rings 5 höher ist als eine vorgegebene Temperatur, und dem Falle einer niedrigen Temperatur, in dem der geschätzte Temperaturwert niedriger ist als die vorgegebene Temperatur. Dabei ist die vorgegebene Temperatur beliebig eingestellt in Abhängigkeit von der Temperaturcharakteristik der Verformungswirkung des O-Rings 50 (z. B. die Temperaturcharakteristik, die von einem Test der Wiederherstellung der Elastik bei niedriger Temperatur erhalten wird, etc.), dem Zielwert des erhöhten Drucks, etc, und ist beispielsweise auf –10°C eingestellt.
Wenn der geschätzte Temperaturwert des O-Rings höher ist als die vorgegebene Temperatur, hält die Steuereinheit 5 das erste Gasversorgungsventil 10 bis zum Zeitpunkt t₁ (hier 0,5 ms) offen, was erforderlich ist, damit der Gasdruck den Zieldruck (hier 70 MPa) erreicht, wie in 5 gezeigt, (während das zweite Gasversorgungsventil 20 geschlossen gehalten wird. Dabei wurde die Verformungsweise des O-Rings 50 nicht reduziert und deshalb kann der Zustand, in dem der Gasdruck höher ist als der Druck auf die Dichtungsfläche immer beibehalten werden. Als Ergebnis kann der Gasdruck zuverlässig auf den Zieldruck erhöht werden, während eine Gasleckage am Rohrteil 30 verhindert werden kann.
Indessen, wenn der geschätzte Temperaturwert des O-Rings 50 niedriger ist als die vorgegebene Temperatur, steuert die Steuereinheit 5 das Schließen und Öffnen des ersten Gasversorgungsventils 10 derart, daß die Zeit t₂, die für den Gasdruck erforderlich ist, um den Zieldruck (hier 70 MPa) zu erreichen, länger (z. B. 0,3 ms) ist, als die Zeit t₁ in 5, Insbesondere wird, wie in 6 gezeigt, die Ventilöffnungszeit des ersten Gasversorgungsventils 10 verkürzt und es werden auch Intervalle vorgesehen, um das Schließen und Öffnen des ersten Gasversorgungsventils 10 zu wiederholen (während das zweite Gasversorgungsventil 20 geschlossen gehalten wird). Somit nimmt, selbst mit einer Verformungsverzögerung aufgrund der Reduzierung der Durchführung der Verformung des O-Rings 50, der Gasdruck und der Druck auf die Dichtungsoberfläche allmählich stufenweise ab, und der Zustand, bei dem der Druck auf die Dichtungsoberfläche höher ist als der Gasdruck wird immer beibehalten. Demgemäß kann eine Gasleckage am Rohrteil 30 verhindert werden.
(Abwandlungen)
Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung oben beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt und kann in verschiedener Hinsicht verändert werden, ohne von ihrem Grundgedanken abzuweichen.
Obwohl der am Rohrteil 30 angeordnete Temperaturfühler 6 bei der obigen Ausführungsform benutzt wird, um die Temperatur des O-Rings 50 abzuschätzen, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Temperatur des O-Rings kann direkt gemessen werden oder kann abgeschätzt werden anhand beispielsweise der Temperatur des Verbindungsteils 40, der Temperatur des Gasverbrauchers 4 und einer Außenluftemperatur für die Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung 1.
Außerdem ist, obwohl die Druckveränderungsgeschwindigkeit während der Druckbeaufschlagung in zwei Stufen verändert wird, während einer gewöhnlichen Temperatur und während einer niedrigen Temperatur bei der obigen Ausführungsform, die Erfindung nicht darauf beschränkt. Das Öffnen und Schließen des ersten Gasversorgungsventils 10 kann derart gesteuert werden, daß, wenn die Temperatur niedriger ist, die Druckveränderungsgeschwindigkeit während der Druckbeaufschlagung niedriger ist. Beispielsweise kann die Steuerung derart ausgeführt werden, daß, wenn die Temperatur nicht geringer ist als –20°C die Druckveränderungsgeschwindigkeit 70 Mpa/s beträgt, wenn die Temperatur geringer ist als –20°C und nicht geringer ist als –40°C, die Druckveränderungsgeschwindigkeit 50 Mpa/s beträgt, und wenn die die Temperatur geringer ist als –50°C, die Druckveränderungsgeschwindigkeit 5 Mpa/s beträgt. Demgemäß können sowohl die Kürzung der zum Erreichen des gewünschten Drucks erforderlichen Zeit als auch die Verhinderung einer Gasleckage aufgrund der absinkenden Temperatur ins Gleichgewicht gebracht werden.
Außerdem kann die Geschwindigkeit der Druckänderung während der Druckbeaufschlagung unter Berücksichtigung der altersbedingten Verschlechterung der Wirkung des O-Rings bei niedrigen Temperaturen verändert werden. Beispielsweise wird unter der Annahme, daß die Lebensdauer des O-Rings 50, des Gasverbrauchers 4, etc. 5 Jahre beträgt, 50 MPa/s bei –30°C, wenn die Lebensdauer 15 Jahre beträgt, 5 MPa/s bei –30°C angewandt.
Wird weiter angenommen, daß, wenn die Druckänderung groß ist, der Einfluß der Verformungsverzögerung des O-Rings 50 groß ist, kann die Druckänderungsgeschwindigkeit während der Druckbeaufschlagung in Übereinstimmung mit dem Betrag der Drucksteigerung verändert werden. Das heißt, wenn der Betrag der Drucksteigerung groß ist, (z. B. der Druck von 0 MPa auf 70 MPa erhöht wird), kann die Druckänderungsgeschwindigkeit niedrig eingestellt werden, und wenn der Betrag der Drucksteigerung klein ist, (z. B. der Druck von 0 MPa auf 10 MPa erhöht wird), kann die Druckänderungsgeschwindigkeit hoch eingestellt werden.
Außerdem ist, obwohl die Steuerung der Druckänderungsgeschwindigkeit während der Druckbeaufschlagung bei der obigen Ausführungsform beschrieben wurde, die Erfindung nicht darauf beschränkt. Eine Steuerung der Druckänderungsgeschwindigkeit basierend auf der Temperatur des O-Rings 50, die der obigen Steuerung ähnlich ist, kann während der Druckreduzierung ausgeführt werden. Wenn beim O-Ring 50 eine Verformungsverzögerung während einer Druckreduzierung in einer Umgebung mit niedriger Temperatur auftritt, kann dies zu einem Defekt führen, wonach der O-Ring nach der Druckreduzierung nicht in die richtige Position (d. h. das Zentrum der Nut 412) zurückkehren wird. Jedoch kann ein solcher Defekt dadurch verhindert werden, daß die Steuerung der Druckänderungsgeschwindigkeit basierend auf der Temperatur des O-Rings 50 auch während der Druckreduzierung ausgeführt wird.
Des Weiteren ist die die Struktur der Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung 1 nicht auf die oben beschriebene Struktur beschränkt. Beispielswese ist das Dichtungselement nicht auf einen O-Ring beschränkt und es kann eine aus Kautschuk oder Kunstharz bestehende Flachdichtung angewandt werden. Alternativ kann eine Gestaltung angewandt werden, bei der ein O-Ring angewandt wird und zugleich der O-Ring mit einem Stützring versehen ist. Außerdem wird die Konstruktion angewandt, bei der der erste Rohrteil 310 und der zweite Rohrteil 320 durch den Verbindungsteil 40 verbunden sind, jedoch kann beispielsweise auch eine Konstruktion angewandt werden, bei der in den Enden des ersten Rohrteils 310 und des zweitem Rohrteils 320 Nuten eingeformt und Dichtungselemente in die Nuten eingesetzt sind, wodurch eine direkte Dichtungsverbindung zwischen den Rohrteilen hergestellt wird.

Claims

Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung (1), umfassend; ein Rohrleitungssystem (3), das ein Fluid aus einer Hochdruck-Fluidversorgungsquelle einem Fluidverbraucher (4) über eine erste Ventilvorrichtung (10) und eine zweite Ventilvorrichtung (20) zuführt; ein an einem Rohrteil (30) zwischen der ersten und der zweiten Ventilvorrichtung (10, 20) angeordnetes Dichtungselement (50), um die Dichtungseigenschaft des Rohrteils (30) aufrechtzuerhalten, wobei das Dichtungselement (50) aus einem elastischen Material gefertigt ist; und eine Steuereinheit (5), die das Schließen und Öffnen der ersten und der zweiten Ventilvorrichtung (10, 20) steuert, um befähigt zu sein, eine Druckänderungsgeschwindigkeit des Fluids im Rohrteil (30) einzustellen, wobei die Steuereinheit (5) die Druckänderungsgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit der Temperatur des Dichtungselements (50) einstellt.
Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der, wenn die Temperatur des Dichtungselements (50) niedriger ist als eine vorgegebene Temperatur, die Steuereinheit (5) veranlaßt, daß die Druckänderungsgeschwindigkeit geringer wird als in dem Falle, in welchem die Temperatur höher ist als die vorgegebene Temperatur.
Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Steuereinheit (5) die Druckänderungsgeschwindigkeit einstellt, wenn der Druck im Rohrteil (30) steigt.
Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Steuereinheit (5) die Druckänderungsgeschwindigkeit einstellt, wenn der Druck im Rohrteil (30) abnimmt.
Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das Rohrteil (30) von einem ersten, mit der ersten Ventilvorrichtung (10) verbundenen Rohrteil (310) und einem zweiten, mit der zweiten Ventilvorrichtung (20) verbundenen Rohrteil (320) und einem den ersten und den zweiten Rohrteil (310, 320) verbindenden Verbindungsteil (40) gebildet wird, und das Dichtungselement (50) ein O-Ring oder eine Flachdichtung ist, die in einer ersten Nut (412) zwischen dem Verbindungsteil (40) und dem ersten Rohrteil (310) und einer zweiten Nut (415) zwischen dem Verbindungsteil (40) und dem zweiten Rohrteil (320) angeordnet ist.
Hochdruck-Fluidversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Fluid ein Brenngas ist, und der Fluidverbraucher (4) eine Brennstoffzelle ist.