DE69725082T2

DE69725082T2 - Druckflüssigkeitlager- und Umladeanlage mit einer Schalldüse

Info

Publication number: DE69725082T2
Application number: DE69725082T
Authority: DE
Inventors: Robin Neil Mcmurray Borland
Original assignee: Teleflex GFI Control Systems LP
Current assignee: GFI Control Systems Inc
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2017-07-30
Also published as: JP3699812B2; JPH10122495A; EP0837280A1; DE69725082D1; US5820102A; EP0837280B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Fortleitung (transfer), Speicherung und Aufnahme von unter Druck stehendem "Fluid" (Gas) und insbesondere die Verwendung einer Schalldüse (Sonic nozzle) zur Verbesserung der Füllzeit eines Speicherbehälters für unter Druck stehendes Gas, gemäß Anspruch 1 (24,8 MPa oder 248,04 bar).
Aus Gründen des Umweltschutzes und aufgrund von Emissionsgesetzen und -vorschriften suchen Kraftfahrzeughersteller nach einem sauber verbrennenden und kostengünstigen Kraftstoff als Alternative zu Benzin. Erdgas (Natural gas) ist ein Kandidat für einen derartigen Zweck und viele Fahrzeuge wurden bereits auf Erdgas als Kraftstoffquelle umgestellt. Das Erdgas wird typischerweise an Bord des Fahrzeugs in komprimierter Form in einem oder mehreren unter Druck stehenden Zylindern gespeichert. 1 zeigt ein übliches Transfer- oder Fortleitungssystem für unter Druck stehendes Fluid, das ein Fahrzeug 10, welches dafür ausgelegt ist, durch komprimiertes Erdgas (CNG – compressed natural gas) angetrieben zu werden, und eine Fluidversorgungsstation 11 zum Zuführen eines unter Druck stehenden Gases umfasst. Die Fluidversorgungsstation 11 umfasst eine Niederdruckgas-Einlassöffnung 13, einen Kompressor 15 zum Erzeugen einer Hochdruckgas-Ausgabe an eine Gasleitung 17, ein Paar Versorgungs-Zwischenspeichergefäße 19, die mit der Gasleitung 17 verbunden sind, und einen Gaszufuhrschlauch 21, der die Gasleitung 17 mit einer Gasabgabezufuhrdüse 23 verbindet. Die Gasabgabezufuhrdüse 23 ist angepasst, ein Füllventil oder eine Fluideinlassöffnung 16 in oder außer Eingriff zu bringen, das/die in einem Gasaufnahmesystem des Fahrzeuges 10 bereitgestellt ist. Der Fluideinlass 16 umfasst bevorzugt ein Rückschlagventil, um einen Gasrückstrom zu verhindern.
Das Fahrzeug umfasst ein oder mehrere unter Druck stehende Speichergefäße oder Zylinder 12, die jeweils ein Zwei-Richtungsventil 14 umfassen. Ein geeignetes Zwei-Richtungsventil ist in US-A-5,452,738 (Borland et al.), erteilt am 26. September 1995, gezeigt. Jeder Zylinder 12 ist dafür ausgelegt, nominalen Arbeitsdrücken von bis zu 24,8 MPa oder 248,04 bar (3600 psi) standhalten zu können, und das Zwei-Richtungsventil 14 ist ebenfalls dafür ausgelegt, ohne Leckage mit diesen Drücken zurechtzukommen. Das Zwei-Richtungsventil 14 kann aus Messing, Stahl, rostfreiem Stahl oder Aluminium gefertigt sein und eine Metallisierung oder eine andere Oberflächenbehandlung umfassen, um Korrosion standzuhalten. Bei Bedarf seitens des Motors des Fahrzeugs fließt der CNG- Kraftstoff durch eine Kraftstoffleitung 18 zu einem Kraftstoff-Einspritzsystem, das allgemein unter 20 dargestellt ist. Abhängig von der Bauart kann der Motor einen computergesteuerten Einspritzmotor für gasförmigen Kraftstoff umfassen oder dafür ausgelegt sein, mit mehr als einem Kraftstoff zu laufen, indem die Kraftstoffquellen selektiv gewechselt werden.
Die Rate mit der das komprimierte Erdgas (CNG) den Fahrzeug-Speicherbehältern zugeführt werden kann ist für Kraftfahrzeug-Hersteller von großer Bedeutung. Die Füllzeit eines üblichen Übertragungs-Systems (Transfer-System) für unter Druck stehendes Fluid umfasst sowohl eine Schallphase (Sonic phase), in der Gas mit einer Flließ- oder Strömungsrate in das Speichergefäß eintritt, die proportional zur Geschwindigkeit von Schall in dem Gas ist, als auch eine Unterschallphase (Subsonic phase), in der Gas mit einer Strömungsrate in das Speichergefäß eintritt, die proportional zu einer Geschwindigkeit unterhalb der Geschwindigkeit von Schall in dem Gas ist. Bei herkömmlichen Speicher- und Zufuhrsystemen wandelt sich die Schallphase in die weniger schnelle Unterschallphase um, wenn der Druck im Speichergefäß einen Wert erreicht, der ungefähr 50% des Druckes an der Fluideinlassöffnung entspricht. Infolge dessen reduziert sich bei dem herkömmlichen System die Füllrate erheblich, wenn das Speichergefäß zu Hälfte gefüllt wird, wodurch sich die zum (ganzen) Füllen der Speicherbehälter erforderliche Zeit erhöht.
WO-A 93/264 offenbart eine CNG-Abgabeeinrichtung, die eine Schalldüse zum genauen Abmessen des abgegebenen Volumens verwendet, vgl. Seiten 9, 10.
Demzufolge besteht Bedarf an Systemen und Verfahren zur Fortleitung, zum Transfer zur Speicherung und Aufnahme von unter Druck stehendem Gas, welche die Speichergefäß-Füllzeit verringern. Insbesondere besteht Bedarf an System für unter Druck stehendes Gas, bei denen die Strömung im Schallbereich über eine längere Zeit erreicht oder erhalten werden kann.
Dieser Bedarf wird durch die vorliegende Erfindung gedeckt, wobei die Speichergefäßfüllzeit verringert wird, indem in dem System gemäß Anspruch 1zur Fortleitung, Transfer, Speicherung und Aufnahme von unter Druck stehendem Gas eine Schalldüse verwendet wird. Die Fluidströmung im Schallbereich in das Innere eines Fluidspeichergefäßes erstreckt sich angenommenermaßen über den Punkt hinaus, zu dem das Gefäß eine Füllung von 50% erreicht.
Ein Verfahren zum Aufnehmen und Speichern eines unter Druck stehenden Fluids ist gemäß Anspruch 8 bereitgestellt. Ein Fluid-Speichergefäß, das ein Fluidspeicher-Volumen definiert, ein Speichergefäßventil, das einen Fluidstromdurchgang definiert, der sich von einem Ventileinlass(Port) zu einem Speichergefäßport erstreckt, wobei das Speichergefäßventil so arbeitet, durch den Speichergefäßport einen Fluidstrom zum Speichergefäß zuzulassen, der Fluidstromdurchgang sich zwischen der Einlassöffnung und dem Speichergefäßport erstreckt und eine Schalldüse in dem Fluidstromdurchgang angeordnet ist.
Der Fluidstromdurchgang kann einen Durchgangskörper umfassen, der mit einem Schalldüsenkörper verbunden ist, wobei der Schalldüsenkörper die Schalldüse bildet und der Schalldüsenkörper am Durchgangskörper befestigt ist. Der Schalldüsenkörper kann die Form eines Gewinde-Pass- oder Anschlussstückes haben und die Schalldüse kann sich längs der Längsachse des Gewindeanschlussstückes erstrecken. Die Schalldüse bildet die Mindeststrom-Flächenmündung. Die Schalldüse umfasst einen konvergenten Düsenabschnitt, einen divergenten Düsenabschnitt und einen Schalldüsenhals, der zwischen dem konvergenten Düsenabschnitt und dem divergenten Düsenabschnitt angeordnet ist. Der Schalldüsenhals kann einen Durchmesser von ungefähr 2,54 mm bis 3,175 mm haben, um einen Fluidstrom durch die Düse mit einer Rate von ungefähr 0,189 bis 0,378 kg/s zu erleichtern, eine Rate, die mit dem derzeitigen Kraftstoffabgaberaten-Bereich von öffentlichen CNG-Füllstationen vergleichbar ist.
Das Fluidspeichergefäß enthält ein Fluid mit einem Speicherdruck, die Ventileinlassöffnung (Port) nimmt ein Fluid mit einem Einlassdruck auf und die Schalldüse ist bevorzugt dafür ausgelegt, die Fluidströmung im Schallbereich in das Fluidspeichergefäß zumindest dann aufrechtzuerhalten, wenn der Speicherdruck größer als 50% des Einlassdruckes ist, und bevorzugt zumindest dann, wenn der Einlassdruck ungefähr 5 bis 10% höher als der Speicherdruck ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Aufnehmen, Speichern und Aufnehmen eines unter Druck stehenden Fluids bereitgestellt, mit einem bidirektionalen Fluidstromdurchgang, der eine Fluideinlassöffnung und eine Speichergefäßöffnung aufweist und zumindest eine Strömungs-Querschnittsfläche bildet, einem Fluidspeichergefäß, das ein Fluidspeichervolumen definiert, einem Zwei-Richtungsventil, das in dem bidirektionalen Fluidstromdurchgang angeordnet und dafür ausgelegt ist, einen Fluidstrom in zwei Richtungen zu und von dem Speichergefäß durch die Speichergefäßöftnung zuzulassen, und mit einer Schalldüse, welche in dem bidirektionalen Fluidstromdurchgang angeordnet ist.
Die Schalldüse bildet eine Mindeststromflächenmündung in dem bidirektionalen Fluidstromdurchgang. Der bidirektionale Fluidstromdurchgang kann ferner eine Fluidauslassöffnung umfassen. Das Zwei-Richtungsventil kann ein Zwei-Richtungsmagnetventilumfassen.
Die Fluidabgabeöffnung (Port) ist bevorzugt dafür ausgelegt, mit einer Fluideinlassöftnung in und außer Eingriff zu kommen. Der Fluidstromdurchgang kann eine Systemrohrleitungskomponente und einen Schalldüsenkörperumfassen, der in einem Abschnitt der Rohrleitungskomponente (piping component) bereitgestellt ist.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Transfer- oder Fortleitungssystem für unter Druck stehendes Fluid bereitgestellt, das ein Aufnahmespeichergefäß, einen Fluidstromdurchgang, der sich von dem Versorgungsspeichergefäß zum Aufnahmespeichergefäß erstreckt und eine minimale Stromflächenmündung (minimum flow area orifice) sowie zumindest eine zusätzliche Mündung bildet, wobei die zumindest eine zusätzliche Mündung einen Rest an Fluidstromdurchgangsmündungen umfasst, eine Schalldüse mit einem konvergenten Düsenabschnitt, einem divergenten Düsenabschnitt und einem Düsenhals umfasst, der zwischen dem konvergenten Düsenabschnitt und dem divergenten Düsenabschnitt angeordnet ist, wobei der Düsenhals die minimale Strömungsflächen-Mündung bildet und das System an einem Kraftfahrzeug montiert ist.
Der Fluidstromdurchgang kann eine Fluidabgabeöffnung und eine Fluideinlassöftnung umfassen, wobei die Fluidabgabeöffnung dafür ausgelegt ist, mit der Fluideinlassöffnung in Eingriff zu kommen.
Demgemäß besteht ein Effekt der vorliegenden Erfindung darin, die Speichergefäßfüllzeit durch Nutzung einer Schalldüse in Systemen zur Zufuhr, Transfer (Fortleitung) und/oder Speicherung eines Fluids zu verringern, wobei der Schalldüsenhals die minimale Stromflächenmündung des Systems bildet. Wenn beispielsweise eine Füllstation dafür ausgelegt ist, eine Strömung oberhalb von 0,189 kg/s zu begrenzen, wird die Schalldüse vorgesehen mit einer minimalen Stromquerschnittsfläche von 2,54 mm. In ähnlicher Weise wird, wenn eine Füllstation dafür ausgelegt ist, den Strom oberhalb von 0,378 kg/s zu begrenzen, die Schalldüse vorgesehen, mit einer minimalen Stromquerschnittsfläche von 3,175 mm.
Beispiele erleichtern das Verständnis der Erfindungen.
1 ist eine schematische Darstellung eines üblichen Transfer- oder Fortleitungssystems für unter Druck stehendes Fluid,
2 ist eine Draufsicht eines Speichergefäßventils, das in einem System zum Aufnehmen und Speichern eines unter Druck stehenden Fluids gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt wird,
3 ist eine teilweise aufgebrochene Darstellung eines Systems zum Aufnehmen und Speichern eines unter Druck stehenden Fluids gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, einschließlich einer Querschnittsansicht des Speichergefäßventils gemäß 2 entlang der Linie 3-3,
4 ist eine Darstellung eines Systems zum Aufnehmen und Speichern eines unter Druck stehenden Fluids gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, mit einem Ein-Richtungsventil,
5 ist eine Querschnittansicht des Systems gemäß 4,
6 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte und teilweise weggebrochene Ansicht eines Systems zum Aufnehmen, Speichern und Abgeben eines unter Druck stehenden Fluids gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, mit einem Zwei-Richtungsventil,
7 ist eine Draufsicht des in 6 gezeigten Zwei-Richtungsventils, und
8 ist eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Schalldüse (sonic nozzle).
Bezug nehmend auf die 2 und 3 ist ein System zum Aufnehmen und Speichern eines unter Druck stehenden Fluids dargestellt. Ein Fluidspeichergefäß 30, zum Teil dargestellt, definiert und begrenzt ein Fluidspeichervolumen 32. Wie Fachleute auf dem Gebiet der Speicherung von unter Druck stehendem Fluid erkennen werden, hat das Gefäß 30 Abmessungen, die eine Funktion der speziellen Fluidspeicherungsanforderungen darstellen und ist aus einem Material gefertigt, das über ausreichende Festigkeit verfügt, um ein unter Druck stehendes Fluid aufzunehmen. Ein Speichergefäßventil 34 definiert einen Fluidstromdurchgang 40, der sich von einer Ventileinlassöffnung 36 zu einer Speichergefäßöffnung 38 erstreckt. Das Speichergefäßventil 34 umfasst einen Ventilkegel 24, der an einer Ventilkegelführung 25 befestigt ist. Die Ventilkegelführung 25 und folglich der Ventilkegel 24 werden als Folge einer auf den Ventilkegel 24 und die Ventilkegelführung 25 durch eine Feder 27 ausgeübte Kraft zu einem Ventilsitz 26 gedrängt. Wenn der Druck im Speichergefäß 32 gleich oder größer als der Druck auf der Einlassseite des Ventilkegels 24 ist, bewirkt die Kraft der Feder 27, dass der Ventilkegel 24 im Ventilsitz 26 abdichtend angreift und den Fluidstromdurchgang 40 blockiert. Wenn der Druck auf der Einlassseite des Ventilkegels 24 größer als der Druck im Speichergefäß 30 wird, drängen die entstehenden Druckunterschiedskräfte den Ventilkegel 24 vom Ventilsitz 26 weg, um den Fluidstromdurchgang 40 zu öffnen. Wenn der Fluidstromdurchgang 40 offen ist, kann Fluid durch die Speichergefäßöffnung 38 zum Inneren des Speichergefäßes 30 strömen.
Der Fluidstromdurchgang 40 bildet eine Mindeststromflächenmündung 42 und mehrere zusätzliche Strommündungen 44. Die Mindeststromflächenmündung 42 (minimum flow area orifice) weist eine Stromquerschrüttsfläche auf, die kleiner als eine Stromquerschnittsfläche ist, die durch den Rest an Fluidstromdurchgangsmündungen gebildet wird, d. h. die Mindeststromflächenmündung ist die kleinste Stromdurchgangsmündung. Eine Schalldüse 46, die einen Schalldüsenkörper 48 umfasst, welcher die Schalldüse 46 bildet, ist im Fluidstromdurchgang 40 angeordnet und bildet die Mindeststromflächenmündung 42. Der Schalldüsenkörper 48 ist mit einem Durchgangskörper 50 in Form einer lösbaren Durchgangskörperbefestigung verbunden. Insbesondere hat der Schalldüsenkörper 48 die Form eines Gewindeanschlussstückes, das mit komplementären Gewinden in Eingriff kommt, die im Durchgangskörper 50 ausgeformt sind.
Die Schalldüse 46 (sonic nozzle) umfasst einen konvergenten Düsenabschnitt 46a, einen divergenten Düsenabschnitt 46b und einen Schalldüsenhals 46c, der zwischen dem konvergenten Düsenabschnitt 46a und dem divergenten Düsenabschnitt 46b angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Schalldüsenhals 46c einen Durchmesser d von ungefähr 2,54 mm bis 3,175 mm (0,100'' bis 0,125'') und eine entsprechende Querschnittsfläche a, die π(½d)² beträgt. Eine Schalldüse, die auch als de Laval-Düse bekannt ist, beschleunigt ein Fluid auf eine Geschwindigkeit, die der örtlichen Geschwindigkeit von Schall im Fluid entspricht. Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, variiert die spezifische Schalldüsenbauart als Funktion der Druckbedingungen am Schalldüseneinlass und der erforderlichen Massenströmungsrate des Systems. 8 ist eine detalllierte Darstellung eines Schalldüsenkörpers 48, der zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wobei die ungefähren Abmessungen wie folgt lauten: D₁ = 0,940 cm (0,370''), D₂ = 0,792 cm (0,312''), D₃ = 0,318 cm (0,125''), D₄ = 0,541 cm (0,213''), r₁ = 0,64 cm (0,25''), r₂ = 0,254 cm (0,010''), θ₁ = 5°.
Bezug nehmend nun wieder auf 3 führt das Fluidabgabesystem während des Betriebs der Fluideinlassöftnung 36 ein Fluid mit einem Fluideinlassdruck zu und das stromabwärts angeordnete Fluidspeichergefäß 30 enthält ein Fluid mit einem Speicherdruck. Der Speicherdruck steigt, wenn Fluid in das Speichergefäß 30 strömt. Die Schalldüse 46 ist dafür ausgelegt, die Fluidströmung im Schallbereich ins Innere des Fluidspeichergefäßes aufrechtzuerhalten, wobei der steigende Speicherdruck weniger als 50% des Einlassdruckes beträgt und wobei der Speicherdruck im Weiteren 50% des Einlassdruckes übersteigt. Insbesondere wird, wenn der Speicherdruck steigt, die Strömung im Schallbereich beibehalten bis der Einlassdruck nur noch ungefähr 5 bis 10% höher als der Speicherdruck ist. Die Strömung im Schallbereich geht nicht verloren bis der Speicherdruck ungefähr 90–95% des Einlassdruckes übersteigt. Auf diese Weise wird die Füllzeit minimiert, da die Strömung im Schallbereich in das Speichergefäß 30 aufrechterhalten wird, bis das Speichergefäß 30 ungefähr zu 90–95% voll ist. Es hat sich gezeigt, dass die Füllzeit um bis zu 30% gegenüber der zum Füllen von herkömmlichen Systemen erforderlichen Zeit reduziert werden kann.
Die 4 und 5, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigen einen Abschnitt eines anderen erfindungsgemäßen Systems zum Aufnehmen und Speichern eines unter Druck stehenden Fluids. Ein Fluidstromdurchgang 40 ist über Befestigungskleinteile 56 an einer Tragkonstruktion 54 befestigt und erstreckt sich von einer Fluideinlassöftnung 36 zu einer Fluidauslassöffnung 39. Wie Fachleute auf dem Gebiet der Abgabe von unter Druck stehendem Fluid erkennen werden, ist die Fluideinlassöffnung 36 dafür ausgelegt, eine Fluidabgabeöffnung eines Fluidabgabesystems sicher in Eingriff und bequem außer Eingriff zu bringen, und die Fluidauslassöffnung 39 dafür, mit einer Fluidrohrleitungskomponente oder einem Fluidschlauch (nicht gezeigt) sicher eine Verbindung herzustellen. Es können beliebig viele häufig verwendete Einlassöffnungs-, Abgabeöffnungs- und Auslassöffnungsbauarten mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die als solche hierin nicht genauer offenbart sind.
Ein Ein-Richtungsventil 52 ist im Fluidstromdurchgang 40 angeordnet und umfasst den Ventilkegel 24, die Ventilkegelführung 25, den Ventilsitz 26 und die Feder 27, wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben, und ist dafür ausgelegt, den Fluidstrom in Stromabwärtsrichtung von der Einlassöffnung 36 zur Auslassöffnung 39 zuzulassen und den Fluidstrom in Stromaufwärtsrichtung von der Auslassöffnung 39 zur Einlassöffnung 36 einzuschränken. Ein Fluidspeichergefäß 30 (nicht in den 4 und 5 gezeigt) ist stromabwärts vom Fluidstromdurchgang 40 angeordnet und typischerweise über eine Fluidleitung, einen Fluidschlauch oder ein Fluidrohr mit dem Fluidstromdurchgang 40 verbunden.
Wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben, bildet der Fluidstromdurchgang 40 eine Mindeststromflächenmündung 42 und mehrere zusätzliche Strommündungen 44. Die Mindeststromflächenmündung 42 weist eine Stromquerschnittsfläche auf, die kleiner als eine Stromquerschnittsfläche ist, die durch den Rest an Fluidstromdurchgangsmündungen gebildet wird, d. h. die Mindeststromflächenmündung 42 ist die kleinste Stromdurchgangsöffnung. Eine Schalldüse 46, die einen Schalldüsenkörper 48 umfasst, welcher die Schalldüse 46 bildet, ist im Fluidstromdurchgang 40 angeordnet und bildet die Mindeststromflächenmündung 42.
Die Schalldüse 46 umfasst einen konvergenten Düsenabschnitt 46a, einen divergenten Düsenabschnitt 46b und einen Schalldüsenhals 46c, der zwischen dem konvergenten Düsenabschnitt 46a und dem divergenten Düsenabschnitt 46b angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Schalldüsenhals 46c einen Durchmesser d von ungefähr 2,54 mm bis 3,175 mm (0,100'' bis 0,125'') und eine entsprechende Querschnittsfläche a, die π(½d)² beträgt.
Im Betrieb führt, wie vorstehend unter Bezugnahme auf die 2 bis 3 beschrieben, das Fluidabgabesystem der Fluideinlassöffnung 36 ein Fluid mit einem Fluideinlassdruck zu und das stromabwärts angeordnete Fluidspeichergefäß 30, das über eine Fluidleitung, einen Fluidschlauch oder ein Fluidrohr mit der Auslassöffnung 39 in Verbindung steht, enthält ein Fluid mit einem Speicherdruck. Der Speicherdruck steigt, wenn Fluid in das Speichergefäß 30 strömt. Die Schalldüse 46 ist dafür ausgelegt, die Fluidströmung im Schallbereich ins Innere des Fluidspeichergefäßes aufrechtzuerhalten, wobei der steigende Speicherdruck weniger als 50% des Einlassdruckes beträgt und wobei der Speicherdruck im Weiteren 50% des Einlassdruckes übersteigt. Insbesondere wird, wenn der Speicherdruck steigt, die Strömung im Schallbereich beibehalten bis der Einlassdruck nur noch ungefähr 5 bis 10% höher als der Speicherdruck ist. Die Strömung im Schallbereich geht nicht verloren bis der Speicherdruck ungefähr 90 bis 95% des Einlassdruckes übersteigt. Auf diese Weise wird die Füllzeit minimiert, da die Strömung im Schallbereich in das Speichergefäß 30 aufrechterhalten wird, bis das Speichergefäß 30 ungefähr zu 90 bis 95% voll ist.
Die 6 und 7, in denen gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigen ein System zum Aufnehmen, Speichern und Abgeben eines unter Druck stehenden Fluids. Ein bidirektionaler Fluidstromdurchgang 40', d. h. ein Fluiddurchgang mit zumindest einem Abschnitt, in dem Fluid in zwei einander entgegengesetzte Richtungen strömen kann, definiert zumindest eine Stromquerschnittsfläche. Der bidirektionale Fluidstromdurchgang 40' umfasst eine Fluideinlassöffnung 36, eine Fluidauslassöffnung 36' und eine Speichergefäßöffnung 38. Ein Fluidspeichergefäß 30 definiert ein Fluidspeichervolumen 32. Ein Zwei-Richtungsventil 58 ist in dem bidirektionalen Fluidstromdurchgang 40' angeordnet und dafür ausgelegt, durch die Speichergefäßöffnung 38 einen Fluidstrom in zwei Richtungen zu und von dem Speichergefäß 32 zuzulassen.
Das Zwei-Richtungsventil 58 arbeitet wie in dem US-Patent Nr. 5,452,738, erteilt am 26. September 1995, an Borland et al. beschrieben, dessen Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird, und umfasst einen Ventilkörper 60, ein Außengewinde 62, einen nachgiebigen O-Ring 64, einen Ventilsitz 66, ein Magnetventil 68, das einen Ventilkegelkörper 70, einen Ventilkegelkopf 72, einen Magnetkern 74, eine Rückstellfeder 76, eine Magnetspule 78 und einen ringförmigen Durchgang 79 umfasst. Das erfindungsgemäße Zwei-Richtungsventil 58 umfasst außerdem wahlweise ein manuelles Absperrventil 80, das unter Verwendung eines Werkzeugs, wie etwa eines Inbusschlüssels (nicht gezeigt), festgezogen werden kann, um einen zweiten Ventilsitz 82 abzudichten. Wie dargestellt, kann ein Gewindeschaft 83 gedreht werden, um eine nachgiebige Dichtung 84 am Ventilsitz 82 festzuziehen, um den Gasstromdurchgang 24 abzudichten. Die nachgiebige Dichtung 84, die aus Nylon oder einem anderen geeigneten Material gefertigt sein kann, wird in einem Dichtungshalter 86 am Ende des manuellen Absperrventils 80 gehalten. Der Dichtungshalter 86 umfasst eine obere Wand 88 und eine Seitenwand 90, die zusammen mit der darin befestigten Dichtung 54 eine ringförmige Kammer bilden. Der Ventilkörper 60 umfasst außerdem einen zweiten Gasstromdurchgang 92, der an einem Ende mit dem Inneren des unter Druck stehenden Gefäßes 32 und am anderen Ende mit einer Gasentlüftungsöffnung 94 am Ventilkörper 22 in Verbindung steht. Eine thermisch aktivierte Druckbegrenzungseinrichtung 96 ist im Gasstromdurchgang 92 befestigt. Die Begrenzungseinrichtung 96 enthält eine leicht schmelzbare Legierung 98, die durch ein Innengewinde 99 in Stellung gehalten wird. Wie in dem US-Patent Nr. 5,452,738 beschrieben, halten die Begrenzungseinrichtung 96 und die leicht schmelzbare Legierung 98 während eines normalen Betriebes des Zwei-Richtungsventils 58 eine gasdichte Abdichtung aufrecht. Wenn die Temperatur nahe dem Ventilkörper oder dem unter Druck stehenden Gefäß jedoch über einen vorgegebenen Grenzwert steigt, schmilzt die leicht schmelzbare Legierung 98, wodurch der Gasdurchgang 92 geöffnet wird und das im Gefäß 32 befindliche unter Druck stehende Gas in die Umgebung austreten kann.
Der Fluidstromdurchgang 40' bildet eine Mindeststromflächenmündung 42 und mehrere zusätzliche Strommündungen 44. Die Mindeststromflächenmündung 42 weist eine Stromquerschnittsfläche auf, die kleiner als eine Stromquerschnittsfläche ist, die durch den Rest an Fluidstromdurchgangsmündungen gebildet wird, d. h. die Mindeststromflächenmündung 42 ist die kleinste Stromdurchgangsöffnung. Eine Schalldüse 46, die einen Schalldüsenkörper 48 umfasst, welcher die Schalldüse 46 bildet, ist im Fluidstromdurchgang 40' angeordnet und bildet die Mindeststromflächenmündung 42.
Die Schalldüse 46 umfasst einen konvergenten Düsenabschnitt 46a, einen divergenten Düsenabschnitt 46b und einen Schalldüsenhals 46c, der zwischen dem konvergenten Düsenabschnitt 46a und dem divergenten Düsenabschnitt 46b angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Schalldüsenhals 46c einen Durchmesser d von ungefähr 2,54 mm bis 3,175 mm (0,100'' bis 0,125'') und eine entsprechende Querschnittsfläche a, die π(½d)² beträgt.
Im Betrieb führt das Fluidabgabesystem der Fluideinlassöffnung 36 ein Fluid mit einem Fluideinlassdruck zu und das stromabwärts angeordnete Fluidspeichergefäß 30 enthält ein Fluid mit einem Speicherdruck. Der Speicherdruck steigt, wenn Fluid in das Speichergefäß 30 strömt. Die Schalldüse 46 ist dafür ausgelegt, die Fluidströmung im Schallbereich ins Innere des Fluidspeichergefäßes aufrechtzuerhalten, wobei der steigende Speicherdruck weniger als 50% des Einlassdruckes beträgt und wobei der Speicherdruck im Weiteren 50% des Einlassdruckes übersteigt. Insbesondere wird, wenn der Speicherdruck steigt, die Strömung im Schallbereich beibehalten bis der Einlassdruck nur noch ungefähr 5 bis 10% höher als der Speicherdruck ist. Die Strömung im Schallbereich geht nicht verloren bis der Speicherdruck ungefähr 90 bis 95% des Einlassdruckes übersteigt. Auf diese Weise wird die Füllzeit minimiert, da die Strömung im Schallbereich in das Speichergefäß 30 aufrechterhalten wird, bis das Speichergefäß 30 ungefähr zu 90 bis 95% voll ist.
In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung und ferner unter Bezugnahme auf das in 1 gezeigte, konventionelle Transfer- oder Fortleitungssystem für unter Druck stehendes Fluid, umfasst ein System zum Zuführen eines unter Druck stehenden Fluids ein Versorgungsspeichergefäß 19, das sich an einer Fluidversorgungsstation 11 befindet. Ein Fluidstromdurchgang, der z. B. ein Speichergefäßventil 19a, die Gasleitung 17 und den Gaszufuhrschlauch 21 umfasst, erstreckt sich vom Versorgungsspeichergefäß 19 zu einer Fluidabgabeöffnung, z. B. der Zufuhrdüse 23. Der Fluidstromdurchgang umfasst eine Mindestflächen-Stromdurchgangsmündung, die durch das Speichergefäßventil 19a gebildet wird. Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, variiert die spezielle Lage einer Mindestflächen-Stromdurchgangsmündung in der Fluidversorgungsstation in Abhängigkeit von den im Versorgungssystem verwendeten spezifischen Komponenten. Beispielsweise kann eine Mindeststromdurchgangsmündung durch den Gaszufuhrschlauch 21, die Gasleitung 17 und/oder die Zufuhrdüse 23 gebildet werden. Des Weiteren können, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, die im Zufuhrsystem verwendeten spezifischen Komponenten mehrere minimale Stromdurchgangsmündungen mit gleichen Abmessungen bilden.
Die Fluidabgabeöffnung oder Zufuhrdüse 23 ist, wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, dafür ausgelegt oder so ausgeführt, die Fluideinlassöffnung 16 in oder außer Eingriff zu bringen und Fluid an ein stromabwärts befindliches Fluidaufnahmesystem abzugeben, z. B. an das Fahrzeug 10. Das stromabwärts befindliche Fluidaufnahmesystem umfasst eine Mindestflächen-Aufnahmesystem-Mündung, die durch die Fluideinlassöffnung 16 oder mehrere Mündungen gebildet wird, die jeweils eine Fläche aufweisen, die der Mindestflächenmündung entspricht. Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, variiert die Lage der Mindestflächen-Aufnahmesystemmündung im Fluidaufnahmesystem oder Fahrzeug 10 in Abhängigkeit von den im Aufnahmesystem oder Fahrzeug 10 verwendeten spezifischen Komponenten.
Eine Schalldüse 46, siehe 3, 5, 6 und 8 ist im Fluidstromdurchgang angeordnet. Der Schalldüsenhals 46c, siehe 3, 5, 6 und 8, bildet eine Schalldüsenmindeststromfläche, wobei die Schalldüsenmindeststromfläche kleiner als die jeweiligen Stromflächen ist, die durch die Mindestflächen-Stromdurchgangsmündung und die Mindestflächen-Aufnahmesystemmündung gebildet werden. Bei einer Ausführungsform hat der Schalldüsenhals einen Durchmesser von ungefähr 2,54 mm bis 3,175 mm (0,100'' bis 0,125''). Des Weiteren umfasst der Fluidstromdurchgang bei einer Ausführungsform eine Systemrohrleitungskomponente 17, wobei der Schalldüsenkörper 48 in einem Abschnitt der Rohrleitungskomponente 17 bereitgestellt ist.
Im Betrieb führt das System zum Zuführen eines unter Druck stehenden Fluids ein Fluid mit einem Fluideinlassdruck zu und ein stromabwärts angeordnetes Fluidspeichergefäß, z. B. ein Zylinder 12, enthält ein Fluid mit einem Speicherdruck. Der Speicherdruck steigt, wenn Fluid in das Speichergefäß strömt. Die im Zufuhrsystem bereitgestellte Schalldüse 46 ist dafür ausgelegt, die Fluidströmung im Schallbereich ins Innere des Fluidspeichergefäßes aufrechtzuerhalten, wobei der steigende Speicherdruck weniger als 50% des Einlassdruckes beträgt und wobei der Speicherdruck im Weiteren 50% des Einlassdruckes übersteigt. Insbesondere wird, wenn der Speicherdruck steigt, die Strömung im Schallbereich beibehalten bis der Einlassdruck nur noch ungefähr 5 bis 10% höher als der Speicherdruck ist. Die Strömung im Schallbereich geht nicht verloren, bis der Speicherdruck ungefähr 90–95% des Einlassdruckes übersteigt. Auf diese Weise wird die Füllzeit minimiert, da die Strömung im Schallbereich in das Speichergefäß aufrechterhalten wird, bis das Speichergefäß ungefähr zu 90–95% voll ist.
In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung und ferner unter Bezugnahme auf das in 1 gezeigte, herkömmliche Fortleitungssystem für unter Druck stehendes Fluid, umfasst ein Fortleitungssystem für unter Druck stehendes Fluid ein Versorgungsspeichergefäß 19, das sich an einer Fluidversorgungsstation 11 befindet, und einen Satz Aufnahmespeichergefäße 12. Ein Fluidstromdurchgang, der z. B. ein Speichergefäßventil (nicht gezeigt), die Gasleitung 17, den Gaszufuhrschlauch 21, die Zufuhrdüse 23 oder Fluidabgabeöffnung, die Fluideinlassöffnung 16, die Kraftstoffleitung 18 und das Zwei-Richtungsventil 14 umfasst, erstreckt sich vom Versorgungsspeichergefäß 19 zu den Aufnahmespeichergefäßen 12. Der Fluidstromdurchgang umfasst eine Mindeststromflächenmündung, die im Zwei-Richtungsventil 14 angeordnet ist, und einen Rest an Fluidstromdurchgangsmündungen, die durch das Zwei-Richtungsventil 14, die Kraftstoffleitung 18, die Fluideinlassöffnung, die Zufuhrdüse 23, den Zufuhrschlauch 21 und/oder die Gasleitung 17 gebildet werden. Wie Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, kann die spezielle Lage der Mindest-Stromflächenmündung im Fluidfortleitungssystem in Abhängigkeit von den im System verwendeten spezifischen Komponenten variieren. Beispielsweise kann die Mindeststromflächenmündung alternativ durch das Speichergefäßventil 19a oder die Fluideinlassöffnung 16 gebildet werden.
Die Mindest-Stromflächenmündung wird durch den Hals 46c der Schalldüse 46 gebildet, siehe 3, 5, 6 und 8. Die Mindeststromflächenmündung ist kleiner als die jeweiligen Stromflächen, die durch den Rest an Fluidstromdurchgangsmündungen gebildet werden. Bei einer Ausführungsform hat der Schalldüsenhals einen Durchmesser von ungefähr 2,54 mm bis 3,175 mm (0,100'' bis 0,125''). Des Weiteren umfasst der Fluidstromdurchgang bei einer Ausführungsform eine Systemrohrleitungskomponente 17, wobei der Schalldüsenkörper 48 in einem Abschnitt der Rohrleitungskomponente 17 bereitgestellt ist.
Im Betrieb führt das Transfer- oder Fortleitungssystem für unter Druck stehendes Fluid ein Fluid mit einem Fluideinlassdruck einem stromabwärts angeordneten Fluidspeichergefäß zu, z. B. einem Zylinder 12, das ein Fluid mit einem Speicherdruck enthält. Der Speicherdruck steigt, wenn Fluid in das Speichergefäß strömt. Die im Fortleitungssystem bereitgestellte Schalldüse 46 ist dafür ausgelegt, die Fluidströmung im Schallbereich ins Innere des Fluidspeichergefäßes aufrechtzuerhalten, wobei der steigende Speicherdruck weniger als 50% des Einlassdruckes beträgt und wobei der Speicherdruck im Weiteren 50% des Einlassdruckes übersteigt. Insbesondere wird, wenn der Speicherdruck steigt, die Strömung im Schallbereich beibehalten bis der Einlassdruck nur noch ungefähr 5 bis 10% höher als der Speicherdruck ist. Die Strömung im Schallbereich geht nicht verloren bis der Speicherdruck ungefähr 90–95% des Einlassdruckes übersteigt. Auf diese Weise wird die Füllzeit minimiert, da die Strömung im Schallbereich in das Speichergefäß aufrechterhalten wird, bis das Speichergefäß ungefähr zu 90–95% voll ist.
Nach dem die Erfindung detallliert und unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, dass Abwandlungen und Abänderungen möglich sind, ohne den in den folgenden Ansprüchen definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

System zum Erhalt oder Aufnehmen und Speichern von unter Druck stehendem Gas, mit einem ein Fluidspeichervolumen (32) definierenden Speichergefäß (30) für unter Druck stehendes Gas, einem Speichergefäßventil (34), wobei das System umfasst: – eine Einlassöffnung (36); – eine Speichergefäßöffnung oder einem solchen Port (38, 39), in das Speichervolumen (32) mündend; – einen Fluidstromdurchgang (40, 40'), der sich zwischen der Einlassöffnung (36) und der Speichergefäßöffnung (38, 39) erstreckt, mit einer Schalldüse (46) mit einem konvergenten Düsenabschnitt (46a), einem divergenten Düsenabschnitt (46b) und einem Schalldüsenhals (46c), der zwischen dem konvergenten Düsenabschnitt (46a) und dem divergenten Düsenabschnitt (46b) angeordnet ist, wobei der divergente Düsenabschnitt (46b) dem Speichervolumen (32) zugewandt ist und der Schalldüsenhals (46c) die minimale oder Mindeststromflächenmündung (42) definiert; – einen Ventilsitz (26), der eine Mündung definiert, welche die Verbindung zwischen der Einlassöffnung (36) und der Speichergefäßöffnung (38, 39) herstellt; – ein Ventilteil (24), das in dem Fluidstromdurchgang (40, 40') angeordnet und relativ dazu beweglich und ausgebildet ist, mit dem Ventilsitz (26) dicht in Eingriff zu kommen, um die Mündung zu verschließen; und – eine Vorspanneinrichtung (27) zum Ausüben von Druck auf das Ventilteil (24), um im Ventilsitz (26) abdichtend anzugreifen; wobei das Ventilteil (24) durch einen auf das Ventilteil (24) ausgeübten Fluiddruck in entgegengesetzter Richtung zu den von der Vorspanneinrichtung (27) ausgeübten Kräften verschiebbar ist, um das Ventilteil (24) vom Ventilsitz (26) abzuheben.
System nach Anspruch 1, bei dem die Einlassöffnung (36) zur Verbindung mit einer Fluidzufuhrdüse einer Fluidversorgungsstation ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Speichergefäßventil (34) an der Speichergefäßöffnung (38, 39) angebracht ist.
System nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem das Speichergefäßventil (34) in dem Speichervolumen (32) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem das System an einem motorischen Kraftfahrzeug angebracht ist, so dass das Gefäß (30) ausgebildet ist, einem Motor oder Antrieb unter Druck stehendes Gas zuzuführen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Vorspanneinrichtung (27) ausgebildet ist, das Ventilteil (24) bei Ausübung von Fluiddruck auf das Ventilteil (24) vom Ventilsitz (26) zu lösen oder abzuheben.
Kraftfahrzeug mit einem Fluid-Tansfer- oder Fortleitungssystem zum Aufnehmen und Speichern eines komprimierten Gases als Fluid, wobei das System zum Aufnehmen und Speichern nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist und eine Zufuhrleitung (18) zu einem Motor (20) des Kraftfahrzeuges aufweist.
Verfahren zum Speichern von unter Druck stehendem Gas in einem Gasspeichergefäß (30), umfassend: (a) Bereitstellen eines Speichergefäßes (30) für unter Druck stehendes Gas, welches ein Speichervolumen (32) definiert und eines Gasstromdurchgangs (40, 40'), eines Schlauches oder einer Leitung von einer Quelle unter Druck stehenden Gases (11, 19); (b) Bereitstellen eines Ventils (34; 52, 58), das so arbeitet, dass es einen Strom unter Druck stehenden Gases durch eine Speichergefäßöffnung (38, 39) zum Speichergefäß (30) zulässt, wobei der Stromdurchgang (40, 40') eine Mindeststromflächenmündung (42) und zumindest eine zusätzliche Mündung (44) definiert; (c) Bereitstellen einer Schalldüse (46), die in dem Stromdurchgang (40, 40') angeordnet ist und einen konvergenten Düsenabschnitt (46a), einen divergenten Düsenabschnitt (46b) und einen Schalldüsenhals (46c) umfasst, der zwischen dem konvergenten Düsenabschnitt (46a) und dem divergenten Düsenabschnitt (46b) angeordnet ist, wobei der divergente Düsenabschnitt (46b) dem Speichervolumen (32) zugewandt ist und der Schalldüsenhals (46c) die minimale oder Mindeststromflächenmündung definiert, so dass die Mindeststromflächenmündung (42) eine Querschnittsfläche hat, die kleiner als die zumindest eine zusätzliche Mündung oder Öffnung (44) ist; (d) wobei – ein Ventilsitz (26) eine Mündung und eine Verbindung zwischen der Einlassöffnung (36) und der Speichergefäßöffnung (38, 39) definiert; – ein Ventilteil (24) in dem Fluidstromdurchgang (40, 40') angeordnet und relativ dazu beweglich ist, um mit dem Ventilsitz (26) dicht in Eingriff zu kommen und die Mündung zu verschließen; – eine Vorspanneinrichtung (27) auf das Ventilteil (24) Druck ausübt, um mit dem Ventilssitz (26) dicht in Eingriff zu kommen; und wobei ein auf das Ventilteil (24) wirkender Fluiddruck das Ventilteil (24) entgegen den von der Vorspanneinrichtung (27) ausgeübten Kräften vom Ventilsitz (26) abhebt, wenn (e) unter Druck stehendes Gas durch den Gasstromdurchgang, den Düsenhals und die Speichergefäßöffnung (40, 40', 46c, 38, 39) in das Speichervolumen (32) geführt wird und das Volumen mit Druckgas füllt.