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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein elektrische Einrichtungen
zur Datenkommunikation und betrifft insbesondere solche Einrichtungen
mit ortsunabhängiger
Stromversorgung, beispielsweise öffentliche
Fernsprecher oder Datenterminals mit Zugangsmöglichkeit zu Netzwerken, wie
beispielsweise dem Internet.
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Hintergrund
der Erfindung
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Übliche Kommunikationseinrichtungen
der vorgenannten Art werden von einem örtlichen Stromnetz mit elektrischer
Energie versorgt, wie beispielhaft in der
DE 100 00 468 A1 oder
DE 198 31 171 A1 offenbart.
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Eine
solche Anordnung führt
jedoch in der Praxis zu erheblichen Einschränkungen, da stets für einen
ausreichend stabilen und gesicherten Zugang zum örtlichen Stromnetz gesorgt
werden muss. Dies ist jedoch nicht immer möglich, beispielsweise bei Massenveranstaltungen,
beispielsweise Konzerten oder Festen, oder wenn aufgrund eines geänderten Nutzerverhaltens
die Datenkommunikationseinrichtung an einem anderen Ort installiert
werden muss. Während
mit der Bereitstellung von Mobilfunknetzen oder WLAs grundsätzlich eine
ortsunabhängige
Anbindung an Kommunikationsnetze, wie beispielsweise ein öffentliches
Fernsprechnetz oder das Internet, ohne weiteres möglich ist,
stellt eine ausreichende Stromversorgung nach wie vor ein erhebliches
Problem dar. Denn elektrische Energie kann nur in begrenztem Umfang
gespeichert werden und Speicher, wie beispielsweise Akkumulatoren,
haben ein großes Bauvolumen
und eine nur begrenzte Ladekapazität.
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Zur
Vermeidung solcher Beschränkungen schlägt die
DE 198 11 487 A1 vor,
eine Mobilfunk-Telefonzelle mittels Solarzellen zu versorgen. Solarzellen
können
jedoch elektrische Energie nur bei ausreichender Sonneneinstrahlung,
nicht jedoch nachts, bereitstellen und nicht immer ist die tagsüber durch Sonneneinstrahlung
erzeugte elektrische und zwischengespeicherte elektrische Energie
ausreichend, um einen ausreichenden Betrieb auf nachts oder bei nicht
ausreichender Sonneneinstrahlung zu gewährleisten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Einrichtung zur Datenkommunikation
mit ortsunabhängiger
Stromversorgung bereitzustellen, die einen zuverlässigen Betrieb
auch über
einen längeren
Zeitraum und/oder hoher Auslastung zu gewährleisten.
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Diese
und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden
Erfindung durch eine Kommunikationseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der rückbezogenen
Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird die
Stromversorgung von einem Brennstoffbehälter mit einem Brennstoff versorgt
und ist diese ausgelegt, um durch elektrochemische Reaktion aus
dem Brennstoff elektrische Energie zur Stromversorgung der Kommunikationseinrichtung
zu gewinnen.
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Dabei
kann der Brennstoffbehälter
mit ausreichender Speicherkapazität ausgelegt werden, um einen
länger
anhaltenden Betrieb der Kommunikationseinrichtung zu gewährleisten.
Die maximale Betriebsdauer der Kommunikationseinrichtung skaliert im
wesentlichen nur mit der Speicherkapazität des Brennstoffbehälters, kann
also in einfachster Weise variiert werden.
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Zur
Stromversorgung eignen sich insbesondere Brennstoffzellen, wie diese
im Handel erhältlich sind
und dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind. Bekanntermaßen zeichnen
sich Brennstoffzellen durch einen zuverlässigen Betrieb bei hohem Wirkungsgrad
aus.
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Beispielhaft
seien als Brennstoffzellen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen
angeführt, wie
diese insbesondere in der
EP
1 046 723 A1 offenbart sind, deren Inhalt hiermit im Wege
der Bezugsnahme zu Offenbarungszwecken ausdrücklich in dieser Anmeldung
mit aufgenommen sei. Solche Brennstoffzellen können insbesondere reinen Wasserstoff hoch
effizient in elektrische Energie wandeln.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist zwischen die Brennstoffzelle und die zu versorgende Kommunikationseinrichtung
ein DC/DC-Wandler zwischengeschaltet. Dabei kann ein Mikrocontroller
und ein digitaler Speicher vorgesehen sein, womit die Funktion der
Brennstoffzelle überwacht
und der DC/DC-Wandler eingestellt und der Füllstand des Brennstoffbehälters kontrolliert werden
kann sowie die Auswertung und Einstellung der Betriebsparameter
der Brennstoffzelle und des DC/DC-Wandlers vorgenommen werden kann.
Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Stromversorgung weiter
optimiert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist zwischen der Stromversorgung und der Brennstoffzelle ein Druckreduzierventil
vorgesehen, um den Primärdruck
auf einen niedrigeren Druck stabil zu regeln, mit welchem die Brennstoffzelle
gespeist wird. Dadurch lässt
sich ein stabilerer und zuverlässigerer Betrieb
der Brennstoffzelle und eine gleichmäßigere Stromversorgung realisieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist das Druckreduzierventil so ausgelegt, dass zumindest eine der
Druckreduzierstufen zumindest abschnittsweise in dem Druckbehälter angeordnet
ist, wenn das Druckreduzierventil mit dem Verbindungsteil und dem
Druckbehälter
verbunden ist. Somit ergibt sich eine erhebliche Reduzierung der
Baulänge des
Druckreduzierventils außerhalb
des Druckbehälters.
Ferner ist erfindungsgemäß die Hochdruckseite des
Druckreduzierventils von der Außenseite
des Druckbehälters
bzw. Druckreduzierventils her nicht zugänglich, was zu einer hohen
Sicherheit und zu einem zuverlässigen
Dauerbetrieb des Druckreduzierventils beiträgt. Das erfindungsgemäße Druckreduzierventil
eignet sich somit insbesondere auch für mobile Anwendungen, beispielsweise
für ortsunabhänige, mobile
bzw. transportable Stromversorgungsaggregate, die einfach bedient
und wieder befüllt
werden können.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der Ventilkörper
der zumindest einen in dem Druckbehälter anordenbaren bzw. angeordneten
Druckreduzierstufe druckentlastet. Vorteilhaft ist, dass dadurch
ein vom Vordruck unabhängiger
Betrieb der jeweiligen Druckreduzierstufe realisiert werden kann. Ferner
kann aufgrund der Druckentlastung ein schwächeres Rückstellelement, beispielsweise
eine dünnere,
schwächere
Druckfeder, verwendet werden, mit einer entsprechend geringeren
Hysterese, was in einer erhöhten
Regelgenauigkeit resultiert. Insgesamt kann somit eine erhöhte Zuverlässigkeit und
Regelgenauigkeit der jeweiligen Druckreduzierstufe erzielt werden.
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Bevorzugt
wirkt auf einen Ventilkörper
von zumindest einer Druckreduzierstufe zusätzlich zu der von einem Rückstellelement,
beispielsweise einer Rückstellfeder,
ausgeübten
Rückstellkraft
eine zusätzliche,
von dem jeweiligen Rückstellelement
unabhängige Rückstellkraft
ein, was eine geringere Belastung auf ein den Ventilkörper rückstellendes
Rückstellelement,
wie beispielsweise eine Rückstellfeder ermöglicht.
Mit anderen Worten, erfindungsgemäß kann das Rückstellelement
für geringere
Rückstellkräfte ausgelegt
werden, was in einer dementsprechenden höheren Regelgenauigkeit resultiert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann
die vorgenannte zusätzliche
Rückstellkraft durch
Einstellen eines Referenzdrucks in einer Druckkammer eingestellt
werden. Dieser Referenzdruck kann konstant oder variabel vorgegeben
werden. Insbesondere kann die vorgenannte zusätzliche Rückstellkraft dabei durch Überströmen von
Gas auf die Ausgangsseite des Ventilkörpers bewerkstelligt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wirkt
somit auf die Ausgangsseite des Ventilkörpers ein Druck ein, der die
Rückstellung
des Ventilkörpers unterstützt. Die
Rückstellkraft
eines auf den Ventilkörper
einwirkenden Rückstellkörpers, insbesondere Rückstellfeder,
kann somit geringer ausgelegt werden, was zu einer höheren Regelgenauigkeit
führt.
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Gemäß einer
bevorzugten weiteren Ausführungsform
wird die Ausgangsseite des druckmindernden Ventilkörpers mit
dem von diesem druckgeregelten Gas beaufschlagt. Vorteilhaft ist,
dass somit keine separate Referenzdruckkammer ausgebildet sein muss.
Zu diesem Zweck kann die den Ventilkörper aufnehmende Druckkammer über Bohrungen, Kanäle oder
dergleichen mit der Ausgangsseite des Ventilkörpers kommunizieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
ein noch kompakterer Aufbau und eine noch höhere Bediensicherheit gewährleistet
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist der Sekundärdruck
von der Außenseite
des Druckreduzierventils her in einfacher Weise mittels eines Druckregelmechanismus,
beispielsweise eines Handrads oder dergleichen, betätigbar.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die in dem Druckbehälter
angeordnete Druckreduzierstufe ohne weiteres ausgetauscht werden,
beispielsweise zu Montage- oder Wartungszwecken.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die erste in dem Druckbehälter
angeordnete Druckreduzierstufe ohne weiteres ausgetauscht werden
und kann derselbe Hauptgehäusekörper weiter verwendet
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
der ausgangsseitige Druck noch genauer geregelt werden, insbesondere
ergibt sich eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit des Durchflusses von
der Stellung des Ventilkörpers.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
ein im Wesentlichen konstanter Referenzdruck zum Regeln der ersten
Druckreduzierstufe erzielt werden. Zu Wartungs- und Montagezwecken
kann die Druckkammer entlüftet
und mit einem vorbestimmten Referenzdruck, der bevorzugt gleich
dem Atmosphärendruck
ist, wieder befüllt
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist in das Druckreduzierventil bzw. einem Hauptgehäusekörper des
Druckreduzierventils zusätzlich
ein Befüllanschluss
zum Wiederbefüllen
des Druckbehälters
mit dem Fluid vorgesehen. Das erfindungsgemäße Druckreduzierventil ist
somit sehr einfach handhabbar und kann ohne aufwendige Maßnahmen
wieder befüllt
werden.
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Figurenübersicht
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Nachfolgend
wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu
lösende Aufgaben
ergeben werden und worin:
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1 in
einer schematischen Schnittansicht ein Druckreduzierventil gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 in
einem vergrößerten Teilschnitt
das Druckreduzierventil gemäß der 1 darstellt;
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3a und 3b das
Druckventil gemäß der 1 in
einem eingebauten Zustand darstellen;
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4 in
einem schematischen Teilschnitt den Anschluss des Druckreduzierventils
gemäß der 1 an
einen Druckbehälter
darstellt;
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5 in
einem schematischen Diagramm die grundlegenden Funktionsgruppen
des Druckreduzierventils gemäß der vorliegenden
Erfindung zusammenfasst;
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6 in
einer schematischen Schnittansicht ein Druckreduzierventil gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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7 in
einem vergrößerten Teilschnitt
das Druckreduzierventil gemäß der 6 darstellt;
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8 in
einem schematischen Blockdiagramm ein mobiles Stromversorgungsaggregat
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt; und
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9 eine
von einem Stromversorgungsaggregat gemäß der 8 elektrisch
versorgte Kommunikationseinrichtung in Form einer Telefonzelle bzw.
eines öffentlichen
Fernsprechers.
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In
den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische im Wesentlichen
gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.
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Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Eine
Kommunikationseinrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird
nachfolgend ausführlicher
anhand der 9 für ein ganz besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
beschrieben werden. Die 9 zeigt eine allgemein mit dem
Bezugszeichen 100 bezeichnete Telefonzelle, die eine übliche Bezahl-Telefoneinheit 101 aufweist,
die an einer Säule
oder wie im dargestellten Ausführungsbeispiel in
einer Zelle mit Seitenwänden,
einer aufschwenkbaren Tür,
einer Decke und einem Boden 102 aufgenommen ist. In dem
Boden 102 versteckt aufgenommen ist ein Stromversorgungsaggregat 85,
wie nachfolgend anhand der 5 und 8 ausführlicher beschrieben,
das den über
den Befüllanschluss
IN befüllbaren
Gasbehälter 39 umfasst.
Der Befüllanschluss
IN ist von der Außenseite
der Zelle her ohne weiteres zugänglich.
Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich sein
wird, kann das Stromversorgungsaggregat 85 auch an beliebigem anderen
Ort in der Telefonzelle 100 untergebracht sein, insbesondere
im Deckenbereich oder einer Seitenwand. Über die elektrische Leitung 107 wird
die Telefoneinheit 101 mit der von dem Stromversorgungsaggregat 85 abgegebenen
elektrischen Energie versorgt. Diese kann über eine Steuer- und/oder Regeleinheit 108 eingestellt
werden. Der Fernsprecher 101 seinerseits ist über die
Mobilfunkantenne 103 und/oder eine Kommunikationsleitung 104 mit
einem Mobilfunknetz bzw. einem öffentlichen
Fernsprechnetz verbunden. Ergänzend
kann die Telefoneinheit 101, wie in der 9 dargestellt,
auch über Solarzellen 105 elektrisch
versorgt werden, die beispielsweise im Deckenbereich der Telefonzelle 100 geeignet
platziert sind. Selbstverständlich
kann die Telefoneinheit 101 auch durch eine beliebige andere Kommunikationseinrichtung
ersetzt werden, insbesondere einem Terminal bzw. Computer, beispielsweise
zur Verbindung mit dem Internet.
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Der
Druckbehälter 39 des
Stromversorgungsaggregats ist bevorzugt über ein Druckreduzierventil
mit der Brennstoffzelle des Stromversorgungsaggregats verbunden.
Der Aufbau eines erfindungsgemäß bevorzugten
Druckreduzierventils wird nachfolgend anhand der 1 bis 7 ausführlicher
beschrieben werden.
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Gemäß der 1 ist
das insgesamt mit 1 bezeichnete Druckreduzierventil mehrstückig aufgebaut
und umfasst mehrere Funktionsgruppen, die in Strömungsrichtung des in dem Druckbehälter 39 unter
hohem Druck stehenden Gases nachfolgend als Filtergruppe 2,
als erste Druckreduzierstufe 10 mit zugeordnetem Druckregelmechanismus 20 und
als Hauptgehäusekörper 40 mit
einer zweiten Druckreduzierstufe 46 mit zugeordnetem Druckregelmechanismus 66–68 bezeichnet
werden. Gemäß der 1 strömt das in
dem Druckbehälter 39 unter
hohem Druck stehende Gas in die als Primäreinlass wirkende Hülse 3 ein,
wird in der ersten Druckreduzierstufe 10 auf einen vergleichsweise
niedrigen Druck von beispielsweise etwa 5 % des Primärdrucks
geregelt, und strömt
zu der zweiten Druckreduzierstufe 46, um dort auf einen
niedrigeren Sekundärdruck
geregelt zu werden, der an dem Sekundäranschluss 51 abgelassen
wird. Gemäß der 1 ist
das Druckreduzierventil 1 mittels des Klemmrings 31 und
den Klemmringschrauben 32 an dem Anschlussstutzen 33 des Druckbehälters 39 vorgesehen.
Selbstverständlich kann
das Druckreduzierventil 1 auch unmittelbar in eine Mündung bzw.
einen Stutzen des Druckbehälters
eingeschraubt werden. In dem Druckbehälter 39 wird ein Gas,
bevorzugt Wasserstoff, mit einem hohen Primärdruck von beispielsweise 700
bar aufbewahrt. Mittels der ersten Druckreduzierstufe 10 wird der
Primärdruck
auf einen niedrigeren Druck von etwa 10–18 bar geregelt und über Kanäle 26, 27 zu der
zweiten Druckreduzierstufe 46 weitergeleitet, wo der Gasdruck
auf den mittels des Druckeinstellglieds 68 regelbaren Sekundärdruck geregelt
wird, der über den
fünften
Druckraum 47 und die Bohrungen 48, 49 an
den Sekundäranschluss 51 ausgegeben.
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Nachfolgend
wird anhand der 2 der grundlegende Aufbau des
Druckreduzierventils gemäß der vorliegenden
Erfindung ausführlicher
erläutert
werden. Gemäß der 2 ist
der Primäreinlass in
dem Filtergehäuse 2 ausgebildet,
wo in einer Hülse 3 ein
Filter 4 zum Filtern des einströmenden und unter dem Primärdruck stehenden
Gases vorgesehen ist, um so das Einströmen von Verunreinigungen zu verhindern,
die Ventilkörper
und Ventilsitze beschädigen
könnten.
In dem Kanal 7 sitzt eine Druckfeder 6, welche
die Kugel 5 gegen einen korrespondierend ausgebildeten
Ventilsitz vorspannt um zu gewährleisten,
dass nur dann Gas aus dem Druckbehälter 39 ausströmen kann,
wenn der Restdruck in dem Druckbehälter 39 einen durch
die Vorspannung der Druckfeder 6 vorgegebenen Mindestdruck
von beispielsweise 20 bar überschreitet.
Somit wird verhindert, dass der Druckbehälter 39 bis auf Atmosphärendruck entleert
wird. Gleichzeitig wirkt die Kugel 5 als Rückschlagventil,
um ein Rückströmen von
Gas über
den Sekundäranschluss 51 in
den Druckbehälter 39 zu verhindern.
Außerhalb
des Druckbehälters 39 befindliches
Gas, das normalerweise Sauerstoff enthält, kann so nicht mit dem in
dem Druckbehälter 39 aufbewahrten
Gas in Kontakt gelangen, das üblicherweise
zu explosionsartiger Oxidation neigt.
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Gemäß der 2 ist
das Filtergehäuse 2 auf ein
erstes Ventilgehäuse 10 aufgeschraubt
und mittels Dichtungen 14 gegen das Innere des Druckbehälters 39 abgedichtet.
Zwischen dem Filtergehäuse 2 und
dem ersten Ventilgehäuse 10 ist
ein erster Druckraum ausgebildet, über den das unter dem Primärdruck stehende
Gas durch Verbindungskanäle 9 in
einen zweiten Druckraum 11 strömt, der von dem Ventilkörper 12 abgesperrt
werden kann. Gemäß der 2 ist
das erste Ventilgehäuse 10 in
ein Kolbengehäuse 20 eingeschraubt
und mittels Dichtungen 15 gegen das Innere des Druckbehälters 39 abgedichtet.
In dem Kolbengehäuse 20 ist
eine Referenzdruckkammer 22 ausgebildet, in der ein Kolben 21 axial
verschieblich und abgedichtet aufgenommen ist. Der Kolben 21 ist
mittels einer Druckfeder 23 zu dem ersten Ventilgehäuse 10 hin
vorgespannt. In der Referenzdruckkammer 22 ist ein Gas
unter einem Referenzdruck aufgenommen. Zu Montage- und Wartungszwecken
kann ein unter dem Referenzdruck stehendes Gas über ein Nadelventil 25 und eine
Bohrung 24 in die Referenzdruckkammer 22 einströmen. Im
eingebauten Zustand sperrt das Nadelventil 25 die Referenzdruckkammer 22 gegen
das Innere des Druckbehälters 39 ab.
Der Kolben 21 führt somit
für sämtliche
Drücke
in dem Druckbehälter 39 zu
einer im Wesentlichen konstanten Vorspannkraft, die durch die Federkraft
der Druckfeder 23 und die allgemeinen Gasgesetze für das in
der Referenzdruckkammer 22 aufgenommene Gas vorgegeben ist.
Durch das in der Referenzdruckkammer 22 unter dem Referenzdruck
stehende Gas wirkt auf den Ventilkörper 12 eine zusätzliche
Rückstellkraft
ein. Dadurch kann eine dünnere,
schwächere
Druckfeder 23 verwendet werden, die eine geringere Hysterese
aufweist. Dadurch ist der Ausgangsdruck der ersten Druckreduzierstufe
konstanter. Die Höhe
des Referenzdrucks ist im Wesentlichen von der Auslegung und dem
Anwendungsbereich des Druckreduzierventils bestimmt und kann sowohl
dem Atmosphärendruck
als auch erhöhten
Drücken,
beispielsweise 10 bar, entsprechen.
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Gemäß der 2 ist
der Kolben 21 über
einen Ventilschaft 13 mit dem schräg bzw. konisch ausgebildeten
Ventilkörper 12 verbunden,
der in einem korrespondierend ausgebildeten Ventilsitz sitzt, um den
zweiten Druckraum 11 abzusperren. Von dem Kolben 21 und
dem Ventilkörper 12 wird
somit ein erster Druckregelmechanismus ausgebildet, der das unter
dem Primärdruck
stehende Gas auf einen relativ niedrigen Druck mindert, und zwar
im Wesentlichen unabhängig
von dem Primärdruck
des Gases in dem Druckbehälter 39.
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Gas,
das den Ventilkörper 12 passiert,
gelangt schließlich
in den dritten Druckraum 16 und von dort weiter über den
Verbindungskanal 26 und die Längsbohrung 27 in eine
Schrägbohrung 41 des Hauptgehäusekörpers 40.
Der Hauptgehäusekörper 40 ist
mittels Dichtungen 33 gegen den Anschlussstutzen 30 und
die Außenumgebung
abgedichtet.
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Gemäß der 2 ist
in den Hauptgehäusekörper 40 ein
zweites Ventilgehäuse 46 eingeschraubt
und mittels Dichtungen abgedichtet. In dem zweiten Ventilgehäuse 46 ist
ein vierter Druckraum 42 ausgebildet, der von dem schrägen bzw.
konischen Ventilkörper 44 abgesperrt
ist. Wie den 1 und 2 entnehmbar
ist, ist der Ventilkörper 44 über einen
Ventilschaft 45 mit einem Membrankolben 67 gekoppelt,
der in dem auf dem Hauptgehäusekörper 40 aufgeschraubten
Federgehäuse 65 sitzt
und mittels einer Dichtung 70 abgedichtet ist. In dem Federgehäuse 65 ist
eine Druckfeder 66 aufgenommen, welche den Membrankolben 67 zu
dem zweiten Ventilgehäuse 46 hin
vorspannt. Die Vorspannung der Druckfeder 66 kann mittels
des Druckeinstellglieds 68 variiert werden, um so den Sekundärdruck des Druckreduzierventils 1 geeignet
einzustellen. In dem Federgehäuse 65 ist
ein Druckausgleichvolumen 71 ausgebildet. Durch Verstellen
und Verwölben
des Membrankolbens 67 wird so der über den Ventilschaft 45 angekoppelte
Ventilkörper 44 in
dem korrespondierend ausgebildeten Ventilsitz geeignet verstellt,
um den Sekundärdruck
geeignet zu regeln.
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Das
mit dem Sekundärdruck
in den fünften Druckraum 47 einströmende Gas
wird über
die Längsbohrung 48,
die radiale Bohrung 49 und die Längsbohrung 50 an den
Sekundäranschluss 51 ausgegeben,
das mit einem Verbindungsstück
bzw. einer Druckanzeige 52 und einem Sekundärauslass 53 verbindet.
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Gemäß der 2 ist
in dem Hauptgehäusekörper 40 ferner
ein Befühlanschluss 57 ausgebildet, um
den Druckbehälter 39 mit
Gas zu befüllen.
Um das Einströmen
von Verunreinigungen, welche die Ventilkörper und Ventilsitze beschädigen könnten, zu verhindern,
ist in der Hülse 58 des
Anschlussstücks 57 ein
Filter 59 aufgenommen. Ferner ist in dem Anschlussstück 57 eine
als Rückschlagventil
wirkende Kugel 60 aufgenommen, um den Befüllanschluss
zu sperren und ein Rückströmen von
Gas aus dem Druckbehälter 39 zu
verhindern. Gas, das über
den Befüllanschluss 57 einströmt, gelangt über die
radiale Bohrung 61 und den Befüllkanal 62 in den
Ringspalt 34 zwischen dem Anschlussstutzen 30 und
dem Kolbengehäuse 20.
Von dem Ringspalt 34 gelangt das Gas weiter in das Innere
des Druckbehälters 39. Gemäß der 2 ist
das Rückschlagventil 60 innerhalb
des Hauptgehäusekörpers 40 angeordnet
und somit für
den Endanwender nicht zugänglich.
Der Endanwender hat somit keinen Zugriff auf den Hochdruck. Da die
erste Druckreduzierstufe 10 vollständig innerhalb des Druckbehälters 39 angeordnet
ist, ist das erfindungsgemäße Druckreduzierventil
kleiner und kompakter ausgebildet als herkömmliche Druckreduzierventile.
Insbesondere kann der Endanwender nur an den Niederdruck hinter
der ersten Druckreduzierstufe 10 ankoppeln, was im Hinblick auf
allgemeine Sicherheitsanforderungen von Vorteil ist. Erfindungsgemäß ist der
Hochdruckbefüllanschluss 57 als
weitere Sicherungsmaßnahme
nur mit einem speziellen Werkzeug bzw. Adapter zugänglich, so
dass der Druckbehälter 39 nicht
unkontrolliert durch den Endanwender befüllt werden kann. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
kann vorgesehen sein, dass der Befüllanschluss 57 nur
bei leerem Druckbehälter 39 zugänglich ist.
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Im
Betrieb strömt
somit das Gas über
den Filter 4 und die erste Druckreduzierstufe 10,
um auf einen vergleichsweise niedrigen Druck gemindert zu werden.
Das Gas unter dem erheblich geminderten Druck strömt schließlich über die
Schrägbohrung 41 in
den vierten Druckraum 42 ein, wo der Sekundärdruck mittels
des schrägen
Ventilkörpers 44 und
des angekoppelten Membrankolbens 67 auf einen mittels des
Druckeinstellglieds 68 einstellbaren Sekundärdruck geregelt
wird, der über
den Sekundärauslass abgelassen
wird. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die erste Druckreduzierstufe 10 so ausgelegt, dass
der Primärdruck
von 700 bar auf einen Ausgangsdruck von 10 bar in dem dritten Druckraum 16 gemindert
wird und dass der Gasdruck bei einem Rest-Primärdruck von nur 20 bar auf einen
Ausgangsdruck von 18 bar in dem dritten Druckraum gemindert wird.
Dabei ist die Federkraft der Druckfeder 6 auf einen Mindest-Primärdruck in
dem Druckbehälter 39 von
20 bar eingestellt. Gemäß dieser
Ausführungsform
wird der Ausgangsdruck in dem vierten Druckraum 42 mittels
des Ventilkörpers 44 auf
einen Sekundärdruck
von 5 bar ± 1
bar gemindert. Das die zweite Druckreduzierstufe 46 aufgrund
der erheblichen Druckminderung in der ersten Druckreduzierstufe 10 nur
eine vergleichsweise geringe Druckänderung je nach dem vorherrschenden
Primärdruck
in dem Druckbehälter 39 sieht,
kann die zweite Druckreduzierstufe 46 den Sekundärdruck mit
hoher Genauigkeit regeln.
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Gemäß der 1 ist
die maximale Außenabmessung
der von dem ersten Ventilgehäuse 10 und dem
Kolbengehäuse 20 gebildeten
ersten Druckreduzierstufe kleiner als die maximale Innenabmessung
des Stutzens 30, so dass die erste Druckreduzierstufe ohne
weiteres in das Innere des Druckbehälters 39 eingeführt werden
kann. Dadurch wird eine erhebliche Verkürzung der Baulänge des
Druckreduzierventils 1 außerhalb des Druckbehälters 39 realisiert.
Zwar wird durch diese Maßnahme
das zur Verfügung
stehende Volumen des Druckbehälters 39 gemindert,
was jedoch durch den Sicherheitsvorteil, dass außenseitig nur noch ein vergleichsweise
niedriger Druck zugänglich
ist, mehr als aufgewogen wird. Wie vorstehend ausgeführt, sind
die Ventilkörper
der Druckreduzierstufen schräg
bzw. konisch ausgebildet. Dies bewirkt, dass der freie Querschnitt
des Ventils sich in Abhängigkeit
des Hubs in etwa linear vergrößert. Dies
ergibt eine bessere Kraftverteilung auf den Ventilkörper, ermöglicht eine
geringere Schließkraft
der zugeordneten Druckfeder und eine bessere Strömungsführung. Aufgrund der linearen
Kraftverteilung ergibt sich auch eine bessere Regelung bei schwankenden
Durchflüssen.
Wie dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres
ersichtlich sein wird, können
erfindungsgemäß weitere
Druckreduzierstufen der vorstehend beschriebenen Art in den Druckbehälter 39 integriert werden,
was eine noch höhere
Regelgenauigkeit ergibt.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind die Ventilkörper
der Druckreduzierstufen, bevorzugt sämtlicher Druckreduzierstufen,
druckentlastet, was den Vorteil einer fehlenden Vordruckabhängigkeit des
von der jeweiligen Druckreduzierstufe geminderten Drucks bietet.
Eine weitere Erhöhung
der Regelgenauigkeit lässt
sich auch dadurch bewerkstelligen, dass der Ventilkörper von
Druckreduzierstufen, die der ersten Druckreduzierstufe nachgeordnet
sind, eine größere Regelfläche bietet
als der Ventilkörper der
ersten Druckreduzierstufe. Dies kann beispielsweise durch Erhöhung des
Querschnitts des Ventilkörpers
der nachgeordneten Druckreduzierstufe erzielt werden. Weil die nachgeordnete
Druckreduzierstufe in dem Hauptgehäusekörper des Druckreduzierventils
angeordnet ist, steht für
eine Vergrößerung des
Querschnitts des Ventilkörpers
der nachgeordneten Druckreduzierstufe zu diesem Zweck ein erheblich
größeres Bauvolumen
zur Verfügung.
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Schließlich fasst
die 5 die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Druckreduzierventils schematisch
zusammen. Über
den Befüllanschluss IN,
den Filter 59 und das Rückschlagventil 60 kann der
Druckbehälter 39 befüllt werden. Über den
Filter 4 und das Rückschlagventil 5 gelangt
ausströmendes
Gas zunächst
zu der ersten Druckreduzierstufe, wo das Gas auf einen niedrigen
Druck von etwa 10–18
bar gemindert wird. Schließlich
strömt
das Gas über
die zweite Druckreduzierstufe 46 zu dem Auslass OUT, mit
einem Sekundärdruck
von etwa 5 bar + 1 bar.
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Erfindungsgemäß lässt sich
somit ein sicheres und zuverlässiges
Druckreduzierventil mit kompaktem Aufbau realisieren. Dieses eignet
sich somit als Druckreduzierventil für ein mobiles bzw. portables Stromversorgungsaggregat,
beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Energie für einen
elektrischen Antrieb. Ein solches mobiles Stromversorgungsaggregat
umfasst einen Druckbehälter,
in dem ein unter einem hohen Druck stehendes Gas, beispielsweise
Wasserstoff, aufbewahrt wird. Ferner ist ein Stromgenerator vorgesehen,
der mit dem Druckbehälter
verbunden ist und mit dem Gas versorgt wird, um durch elektrochemische
Reaktion elektrische Energie zu erzeugen, beispielsweise in Form
einer handelsüblichen
Brennstoffzelle. Mit dem erfindungsgemäßen Druckreduzierventil, wie
vorstehend beschrieben, kann der Stromgenerator mit einem nahezu
konstanten Sekundärdruck
von beispielsweise 5 bar im Wesentlichen unabhängig vom Primärdruck des
Gases in dem Druckbehälter
versorgt werden. Da auch der Befüllanschluss
in das Druckreduzierventil integriert ist, kann das mobile Stromversorgungsaggregat
durch Anschluss des Druckreduzierventils an eine Befüllstation
in einfacher Weise „wiederbetankt" werden.
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Nachfolgend
wird anhand den 6 und 7 ein Druckreduzierventil
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Der Aufbau entspricht dabei
im Wesentlichen dem gemäß der vorstehend
anhand der 1 und 2 beschriebenen
ersten Ausführungsform.
Bei der zweiten Ausführungsform
ist der Ventilkörper 12 wie
folgt druckentlastet: Gemäß der 6 kommuniziert
der dem Ventilkörper 12 nachgeordnete
dritte Druckraum 16 über
eine in der Seitenwand des Kolbengehäuses 20 ausgebildete
Längsbohrung 26 und
eine sich von dieser abzweigenden Querbohrung 200 mit der
Druckkammer 22, in welcher der Kolben 21 längsverschieblich
gelagert ist. Der Kolben 21 ist über den Ventilschaft 13 mit
dem Ventilkörper 12 starr
verbunden. Der Kolben 21 ist gegen die von der Druckfeder 23 ausgeübte Rückstellkraft
verschieblich. Wenn der Ventilkörper 12 den Ventilsitz
freigibt, strömt
das abzugebende Gas über die
den Ventilschaft 13 aufnehmende Bohrung, den dritten Druckraum 16,
die Längsbohrung 26 und
die Querbohrung 200 in die Druckkammer 22. Von
dort strömt
das abzugebende Gas in der vorstehend beschriebenen Weise über die
Bohrung 41 weiter zu der nachgeordneten zweiten Druckreduzierstufe 46. Auf
diese Weise wird die Rückseite
des Kolbens 21 bzw. die Ausgangsseite des Ventilkörpers 12 mit
einer zusätzlichen
Rückstellkraft
beaufschlagt, die aus der Summe der von der Rückstellfeder 23 ausgeübten Rückstellkraft
und dem auf die Fläche
des Kolbens 21 ausgeübten
Kraft resultiert. Dies ermöglichet die
Verwendung einer dünneren,
schwächeren
Rückstellfeder 23 mit
einer geringeren Hysterese, was in einer erhöhten Regelgenauigkeit resultiert.
Die Rückstellfeder 23 kann
somit für
geringere Rückstellkräfte ausgelegt
werden, was zu einer höheren
Regelgenauigkeit führt.
Eine solche zusätzliche
Druckbeaufschlagung der Ausgangsseite des Ventilkörpers 12 lässt sich
selbstverständlich
durch geeignete andere Verbindungskanäle realisieren, wie dem Fachmann
auf diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich. Auch gemäß der zweiten
Ausführungsform
ist der Ventilkörper
zumindest der ersten Druckreduzierstufe und bevorzugt sämtlicher
Druckreduzierstufen druckentlastet.
-
Die 7 zeigt
die erste Druckreduzierstufe gemäß der 6 in
einem vergrößerten Teilschnitt. Gemäß der 7 ist
die Längsbohrung 26 von
der Abgabeseite des Kolbengehäuses 20 in
dessen Seitenwand gebohrt, und zwar in Form einer Sackbohrung, die
das am Boden des Kolbengehäuses 20 ausgebildete
dritte Druckvolumen 16 anschneidet. Zur Realisierung der
Querbohrung 200 wird in die diametral gegenüberliegende
Seitenwandung des Kolbengehäuses 20 eine
Querbohrung gesetzt, welche die Längsbohrung 26 auf
der diametral gegenüberliegenden
Seitenwand schneidet. Anschließend
wird die Durchgangsbohrung 202 mit einem Verschlusskörper 201,
beispielsweise einer Schraube, druckdicht verschlossen.
-
Die 8 zeigt
in einem schematischen Blockdiagramm ein mobiles Stromversorgungsaggregat 85 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Dieses umfasst einen Druckbehälter 39 mit dem darin
unter hohem Druck aufgenommenen Gas, das zur Energiegewinnung geeignet
ist, sowie ein Druckreduzierventil, wie vorstehend anhand der 5 näher beschrieben.
Der mit IN bezeichnete Befüllanschluss
ist aus dem Stromversorgungsaggregat 85 herausgeführt bzw.
von außen
ohne weiteres zugänglich.
Das Druckreduzierventil ist über
den Anschluss OUT mit einer üblichen
Brennstoffzelle 86 verbunden, die mit dem auf einen vorbestimmten
vergleichsweise niedrigen Druck geregelten Gas, beispielsweise Wasserstoff,
versorgt wird und mittels elektrochemischer Reaktionen in der bekannten
Weise Strom erzeugt. Die Stromerzeugung wird mittels einer Steuer-
und/oder Regeleinrichtung 87 gesteuert und/oder geregelt.
Die so erzeugte elektrische Energie kann in einem Akkumulator 88 zwischengespeichert
werden und wird im übrigen über einen
Stromversorgungsanschluss 89 in Form eines Gleichstroms
an eine zu versorgende elektrische Einrichtung abgegeben. Die von
der elektrischen Einrichtung abgegebene Leistung kann mittels der
Steuer- und/oder Regeleinrichtung 87 und/oder durch Variieren
des von dem Druckreduzierventil abgegebenen Gasstroms verändert werden.
-
Als
elektrische Einrichtungen, die mittels eines solchen mobilen Stromversorgungsaggregats mit
elektrischer Energie versorgt werden können, seien beispielhaft angeführt: elektrische
Antriebe für Land-,
Luft- oder Wasserfahrzeuge; autark betriebene Kommunikationseinrichtungen
mit ortsunabhängiger
Stromversorgung, wie beispielsweise öffentliche Fernsprecher, Telefonzellen
oder Kommunikationssäulen,
auch zur Verbindung mit dem Internet in drahtloser oder drahtgebundener
Weise.
-
- 1
- Druckreduzierventil
- 2
- Filtergehäuse
- 3
- Hülse
- 4
- Filter
- 5
- Kugel
- 6
- Feder
- 7
- Kanal
- 8
- Erster
Druckraum
- 9
- Verbindungskanal
- 10
- Erstes
Ventilgehäuse/erste
Druckreduzierstufe
- 11
- Zweiter
Druckraum
- 12
- Ventilkörper
- 13
- Ventilschaft
- 14
- Dichtung
- 15
- Dichtung
- 16
- Dritter
Druckraum
- 17
- Ring
- 20
- Kolbengehäuse
- 200
- Querbohrung/Verbindungskanal
- 201
- Verschlusskörper/Schraube
- 202
- Durchgangsbohrung
- 21
- Kolben
- 22
- Referenzdruckkammer/Druckkammer
- 23
- Feder
- 24
- Bohrung/Belüftungskanal
- 25
- Nadelventil
- 26
- Verbindungskanal
- 27
- Längsbohrung
- 28
- Rückschlagventil
- 30
- Stutzen
- 31
- Klemmring
- 32
- Klemmringschraube
- 33
- Dichtung
- 34
- Ringspalt
- 39
- Druckbehälter
- 40
- Hauptgehäusekörper
- 41
- Schrägbohrung
- 42
- Vierter
Druckraum
- 43
- Hülse
- 44
- Ventilkörper
- 45
- Ventilschaft
- 46
- Zweites
Ventilgehäuse/zweite
Druckreduzierstufe
- 47
- Fünfter Druckraum
- 48
- Längsbohrung
- 49
- Radiale
Bohrung
- 50
- Längsbohrung
- 51
- Sekundäranschluss
- 52
- Verbindungsstück/Druckanzeige
- 53
- Sekundärauslass
- 57
- Anschlussstück
- 58
- Hülse
- 59
- Filter
- 60
- Kugel/Rückschlagventil
- 61
- Radiale
Bohrung
- 62
- Befüllkanal
- 63
- Sperrventil
- 65
- Federgehäuse
- 66
- Feder
- 67
- Kolben
- 68
- Druckeinstellglied
- 69
- Kappe
- 70
- Dichtung
- 71
- Druckausgleichvolumen
- 80
- Druckmindereinheit
- 85
- Stromversorgungsaggregat
- 86
- Brennstoffzelle
- 87
- Steuer-
und/oder Regeleinrichtung
- 88
- Akkumulator
- 89
- Stromversorgungsanschluss
- 100
- Telefonzelle/Öffentlicher
Fernsprecher/Digitale Kommunikationssäule
- 101
- Telefoneinheit
/ Kommunikationseinheit
- 102
- Boden
- 103
- Mobilfunkantenne/Drahtlose
Sende-/Empfängereinheit
- 104
- Kommunikationsleitung
- 105
- Solarzellen
- 106
- Elektrische
Leitung
- 107
- Elektrische
Leitung
- 108
- Steuer-
und/oder Regeleinheit