-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckreduzierer bzw. ein Druckminderventil für gasförmige Medien.
-
Nachfolgend werden nur direkt wirkende und damit ohne Hilfsenergie arbeitende Druckreduzierer betrachtet. Aus dem Stand der Technik sind Druckreduzierer in zahlreichen Bauformen bekannt, die trotz unterschiedlicher Drücke auf einer Eingangsseite eines Gehäuses dafür sorgen, dass auf einer Ausgangsseite ein bestimmter Ausgangsdruck nicht überschritten wird.
-
Die Bauformen von Druckreduzierern können sich je nach Einsatzzweck, gasförmigen oder flüssigen Medien sowie den Drücken an der Eingangsseite sowie die an der Ausgangsseite voneinander unterscheiden, wobei jedoch das Prinzip stets gleich bleibt: Der Druck auf der Ausgangsseite wirkt auf eine Seite eines Drucksensors, wie z.B. einer Membran, auf der andere Seite wirken z.B. der Luftdruck und eine Einstellfeder. Die Membran ist mechanisch mit dem Ventil gekoppelt. Der jeweilige Drucksensor und ein mit ihm gekoppeltes Ventil sind die beiden zentralen Bauteile eines jeden Druckreduzierers: Je höher der Druck auf der Ausgangsseite ansteigt, desto weiter wird das Ventil geschlossen. Auf den Ausgangsdruck einwirkende Störgrößen, wie schwankender Abnahmevolumenstrom und/oder Druckveränderungen im Eingang eines Druckreduzierers, werden durch mehr Öffnen oder Schließen des Ventils im Sinne einer Angleichung des Ausgangsdrucks als Istwert an den Sollwert in einem Regelvorgang ausgeglichen. Bei Erreichen eines nach Vorgabe einstellbaren Soll-Ausgangsdrucks sperrt das Ventil den Durchfluss in dem Fall ab, dass kein Volumenstrom fließt bzw. Gas sekundärseitig angefordert bzw. verbraucht wird. Die Abbildung von 2 zeigt ein bekanntes Druckreduzierventil für den Niederdruckbereich als Beispiel für einen direkt wirkenden Membran-Druckregler in einer Schnittdarstellung.
-
Für den besonders anspruchsvollen Einsatz als Regelventil in Brennstoffzellensystemen ist u.a. aus der
WO2006/019027A1 ein speziell ausgebildeter Druckreduzierer bekannt.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Neuerung, einen sehr kompakt bauenden Druckreduzierer für gasförmige Medien, insbesondere für Wasserstoff-Gas in der Zuführung in eine Brennstoffzelle, zu schaffen. In diesem Bereich ist bei schwankenden Eingangsdrücken von ca. 2 bis etwa 20 bar bei einer Betriebstemperatur zwischen –30 bis +100°C ein möglichst konstanter Ausgangsdruck von ca. 300 mbar mit einer Schwankung von ±50 mbar zu erzielen. Durch eine derartige Regelung wird die Lebensdauer einer Membran in einer Brennstoffzelle deutlich erhöht. Zudem wird Schaden an der Brennstoffzelle abgewendet, da diese sehr sensibel auf Druckschwankungen reagiert.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass ein kolbengeregeltes Druckmindererventil vorgesehen ist, also der Drucksensor als Kolben ausgebildet ist. Weiterhin ist in diesem Druckreduzierer ein gewünschter Ausgangsdruck über die Dimensionierung eines Federelements möglich, das in dem Gehäuse angeordnet ist und auf einen in dem Gehäuse verschieblich gelagerten Kolben wirkt. Zudem sind der Kolben und ein gegenüber einem Ventilsitz verschieblicher Absperrkörper einstückig ausgeführt.
-
Für Soll-Ausgangsdrücke erst ab 1 bar ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass ein Druckminderer statt mit einer auch in 3 dargestellten Membran mit einem Kolben als Sensor bzw. Druckaufnehmer ausgestattet ist. Dieser Ansatz eines kolbengeregelten Druckreduzierers ist gemäß vorliegender Neuerung nun mit einem sehr kompakten Aufbau unter Verwendung einer geringen Anzahl unterschiedlicher Teile erfolgreich in einen Bereich von Soll-Ausgangsdrücken um 0,3 bar übertragen worden, wie anhand eines Ausführungsbeispiels nachfolgend noch im Detail dargestellt. Zudem verfügt ein Druckreduzierer gemäß der vorliegenden Neuerung über eine sog. Fail safe-Stellung in dem Fall, dass das Federelement brechen sollte. Im Gegensatz zu einem Membranregler schließt ein Druckreduzierer gemäß der vorliegenden Neuerung gasdicht und damit für jede nachfolgende Komponente betriebssicher ab.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach weist das Gehäuse separate Zuführungen für verschiedene Drücke paus, pein, po auf, wobei die Zuführungen als Bohrungen oder Fräsungen ausgeführt sind. Teilweise sind derartige Pfade in dem Gehäuse redundant ausgeführt.
-
Vorteilhafterweise stellt sich jeder Arbeitszustand des Druckreduzierers durch ein am Kolben herrschendes Kräftegleichgewicht gemäß folgender Formel ein: paus·A2 = paus·A1 + po·Ao + Ff mit
Ausgangsdruck paus,
Eingangsdruck pein,
Umgebungsdruck po und
Federkraft Ff,
wobei zudem für die Flächen am Kolben gilt: A2 = A1 + Ao
-
Durch A2 >> A1 ist der schnell wirkende Ausgleich jeder Druckänderungen im Eingangsdruck pein gegenüber einem als möglichst konstant vorgegebenen Ausgangsdruck paus dadurch sichergestellt, dass obige Formel vom Eingangdruck pein unabhängig ist.
-
Vorteilhafterweise ist der Kolben in dem Gehäuse und auch in einem Verschluss-Deckel geführt. Dabei ist der Verschluss-Deckel vorzugsweise als Anschlussplatte der Ausgangsseite ausgebildet. Dementsprechend ist das Gehäuse des Druckreduzierers in einer Ausführungsform der Neuerung mit einer Anschlussplatte der Eingangsseite verbunden.
-
Besonders bevorzugt ist, dass der Kolben und der Absperrkörper des Druckreduzierers als einstückiges Drehteil ausgeführt sind. Vorteilhafterweise sind alle metallischen Teile des Druckreduzierers als eloxierte Aluminium-Bauteile ausgeführt. Weiterhin sind die Dichtungen des Druckreduzierers als Elastomere in NBR-Qualität ausgeführt.
-
Die Neuerung wird nachfolgend unter Angabe weiterer Eigenschaften und Vorteile anhand der Figuren der Zeichnung beispielhaft dargestellt und erläutert. Es zeigen:
-
1: eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Neuerung in einem Arbeitszustand;
-
2: eine Schnittdarstellung des Kolbens unter Darstellung der Flächen und der auf sie einwirkenden Drücke;
-
3: eine Schnittdarstellung eines bekannten Druckreduzierventils für den Niederdruckbereich;
-
4: eine Draufsicht auf eine Anschlussplatte;
-
5: eine Schnittdarstellung in der Ebene A-A durch die Ausführungsform gemäß 4 und
-
6a und 6b: Schnittdarstellungen durch weitere Ausführungsformen mit an Anwendungsfälle angepassten Verschluss-Deckeln und Anschlussplatten und
-
7a und 7b: Schnittdarstellungen durch weitere Ausführungsformen mit an einen anderen Anwendungsfall angepasstem Verschluss-Deckel und Anschlussplatte.
-
Über die unterschiedlichen Darstellungen in den Figuren hinweg werden für gleichartige Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
-
3 zeigt ein bekanntes Druckreduzierventil 1 für den Niederdruckbereich in einer Schnittdarstellung. In einem Gehäuse 2 ist als Drucksensor 3 hier eine Membran 4 vorgesehen, die durch ein Federelement 5 belastet wird. Mit der Membran 4 ist ein Absperrkörper 6 gekoppelt, der gegenüber einem Ventilsitz 7 verschieblich ist. Das so aufgebaute Ventil mindert einen auf einer Eingangsseite E anliegenden Hochdruck pein auf einen vorgegebenen Niederdruck paus auf der Ausgangsseite A. Aufgrund der direkten Wirkung des Drucksensors 3 auf das Ventil ohne Hilfsenergie liegt hier ein Beispiel für einen direkt wirkenden Membran-Druckregler vor. Von einer Ausgangsseite A her erfolgt zur Vervollständigung der Regelstrecke eine Rückkopplung R auf den Drucksensor 3.
-
1 zeigt eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Neuerung in einem Arbeitszustand, in dem ein Volumenstrom an der Eingangsseite E des Druckreduzierers 1 mit Hochdruck pein zur Ausgangsseite A hin zu einem Volumenstrom mit einem vorgegebenen Niederdruck paus umgewandelt wird. Hierbei ist der Drucksensor 3 als Kolben 8 ausgebildet, der in einer axial verlaufenden Ausnehmung des Gehäuses 2 dem und einem Verschluss-Deckel 9 verschieblich gelagert ist.
-
Der geregelt herabzusetzende Hochdruck pein liegt nur im Bereich jenseits des Ventilsitzes 7 an. Im Raum zwischen Ventilsitz 7 und Absperrkörper 6 herrscht bereits der vorgegebene Niederdruck paus. Der Niederdruck paus wird über zwei in dem Gehäuse 2 als Bohrungen vorgesehen Zuführungen za als Rückkopplungszweig R auf eine dem Federelement 5 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 8 geführt. Diese Seite weist eine gegenüber dem Niederdruck paus wirksame Oberfläche A2 auf. An der Seite des Federelements 5 wird über weitere Zuführungen zo im Gehäuse 2 ein Anteil der Oberfläche des Kolbens 8 unter Umgebungsdruck po gesetzt, ein ergänzender Anteil dieser Oberfläche, eine Stirnfläche A1 des Absperrkörpers 6, erfährt auch auf der Seite des Federelements 5 den Druck paus. In diesem, wie jedem anderen stationären Arbeitszustand des dargestellten Druckreduzierers 1 herrscht dementsprechend am Kolben 8 ein Kräftegleichgewicht gemäß folgender Formel: paus·A2 = paus·A1 + po·Ao + Ff
-
Siehe hierzu auch die Skizze von 2, wobei die Fläche Ao die eines Kreisrings ist. Unter der Voraussetzung A2 >> A1 gilt statt A2 = A1 + Ao in Nährung A2 ≈ Ao zur einfacheren Abschätzung einer für einen jeweils erwünschten Niederdruck paus erforderlichen Federkraft Ff. Die vorstehende Formel ist von pein unabhängig und zeigt damit die Robustheit des offenbarten Druckreduzierers 1 gegenüber Druckschwankungen auf der Eingangsseite E an.
-
Der Verschluss-Deckel 9 ist als Anschlussplatte der Ausgangsseite ausgebildet, wie durch die Sackbohrungen von 1 angedeutet. Die Abbildung von 4 zeigt eine entsprechende Draufsicht auf eine Ausführungsform eines Druckreduzierers 1.
-
Analog zu dem Verschluss-Deckel 9 ist das Gehäuse 2 des Druckreduzierers 1 auch mit einer Anschlussplatte 10 der Eingangsseite E des Druckreduzierers 1 verbunden, wie in 4 mit Fixierungselementen und einer Anschlussstelle für den Hochdruck pein angedeutet.
-
Besonders bevorzugt ist, dass der Kolben 8 und der Absperrkörper 6 des Druckreduzierers 1 als einstückiges Drehteil ausgeführt sind, wie auch alle weiteren metallischen Teile des Druckreduzierers 1 als eloxierte Aluminium-Bauteile. Gemäß der Ausführungsform von 5 sind das insgesamt nur sechs unterschiedliche Teile. Die angedeuteten Dichtungen des Druckreduzierers 1 sind alle als Gummi-elastische Elastomere in NBR-Qualität ausgeführt.
-
Die Abbildungen der 6a und 6b zeigen als Schnittdarstellungen durch weitere Ausführungsformen weitere an Anwendungsfälle angepasste Verschluss-Deckel 9 und Anschlussplatten 10.
-
Die Abbildungen der 7a und 7b zeigen ebenfalls als Draufsicht und Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform mit einem an einen anderen Anwendungsfall angepassten Verschluss-Deckel 9 und einer Anschlussplatte 10. Hier sind die Anschlüsse für Eingangsseite E und Ausgangsseite A gegeneinander axial versetzt angeordnet worden. Zudem sind zur Verschraubung vier Schraubbolzen 11 vorgesehen, um das Gehäuse 2 zwischen dem Verschluss-Deckel 9 und der Anschlussplatte 10 gasdicht einzuspannen und auch zur Fixierung anschließender Bauteile. Das Gehäuse 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei separate und am Umgang gegeneinander um ca. 90° versetzte angeordnete Zuführungen za für den sekundären Druck paus auf, die zumindest abschnittsweise als Bohrungen oder Fräsungen ausgeführt sind.
-
Mit dem vorstehend mit unterschiedlichen Ausführungsformen auch teilweise mit Bemaßung dargestellten und beschriebenen Aufbau sind für trockenes Wasserstoff-Gas mit einem Eingangsdruck pein von 2 bis 20 bar und einem festgesetzten Ausgangsdruck paus von 0,3 bar ± 0,05 bar Durchflussmengen von 0 bis 484 Nl/h (Norm-Liter pro Stunde) gemessen worden.
-
Aufgrund der Grenzdaten der Elastometre der Dichtungen sind Druckreduzierventile 1 der vorstehenden Art für einen Betrieb in einem Temperaturbereich zwischen ca. –30 bis ca. +100°C einsetzbar.
-
Folgende Werte wurden bisher unter Messung mit Helium bzw. He-Gas bei 2 bar Eingangsdruck nachgewiesen:
| Streuung | ca. 10 mbar |
| Druckabfall | ca. –10 mbar von Durchfluss 0 bis 8 nl/min H2 |
| Verschiebung | ca. –15 mbar von 20 bar auf 2 bar |
| | ca. –10 mbar von 2 auf 1 bar |
-
Aus diesen Werten errechnet sich eine Schwankungsbreite von nur ca. 35 mbar insgesamt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Druckreduzierventil
- 2
- Gehäuse
- 3
- Drucksensor
- 4
- Membran
- 5
- Federelement
- 6
- Absperrkörper
- 7
- Ventilsitz
- 8
- Kolben
- 9
- Verschluss-Deckel
- 10
- Anschlussplatte
- 11
- Schraubbolzen
- 12
-
- E
- Eingangsseite
- A
- Ausgangsseite
- pein
- Hochdruck
- paus
- Niederdruck
- po
- Umgebungsdruck
- R
- Rückkopplung
- za
- Zuführung unter Niederdruck
- zo
- Zuführung unter Umgebungsdruck
- A2
- Oberfläche des Kolbens unter Druck paus·
- A1
- Stirnfläche des Absperrkörpers 6 unter Druck paus·
- Ao
- Anteil der Oberfläche des Kolbens unter Druck po
- Ff.
- Kraft des Federelements 5
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
