IT202000008932A1 - Valvola multifunzione per sistemi di autotrazione a celle combustibile - Google Patents

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Francesco Mondinelli
Renato Santulli
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Description

DESCRIZIONE
La presente invenzione si colloca nel settore delle valvole per sistemi per autotrazione a celle combustibile, ed in particolare nel settore delle valvole per la gestione del flusso di idrogeno fra un serbatoio e le celle combustibile. In particolare, forma oggetto della presente invenzione una valvola multifunzione destinata ad essere applicata al serbatoio, solitamente denominata OTV (On-Tank-Valve) o GHU (Gas-Handling-Unit).
In un sistema per autotrazione a celle combustibile, l?idrogeno ? stipato in un serbatoio ad alta pressione, tipicamente 700 o 350 bar. Ad una flangia applicata al collo del serbatoio ? applicata una valvola multifunzione, solitamente denominata OTV (On-Tank-Valve) o GHU (Gas-Handling-Unit), che consente l?immissione di idrogeno nel serbatoio (funzione di refilling) e la fuoriuscita dell?idrogeno verso i dispositivi utilizzatori a valle (funzione di fueling). La valvola OTV ? inoltre provvista di alcuni dispositivi di sicurezza, quali un sensore di temperatura, per la rilevazione della temperatura del gas nel serbatoio, e un dispositivo di sicurezza termica, in grado di far fuoriuscire repentinamente l?idrogeno contenuto nel serbatoio in caso di eventi rischiosi, quali ad esempio un incendio.
La Richiedente produce e commercializza da tempo, con notevole apprezzamento del mercato, una valvola OTV avente le caratteristiche suddette.
Recentemente, tuttavia, ? nata l?esigenza di applicare una valvola OTV, avente le funzioni e i dispositivi di sicurezza di cui si ? detto, a serbatoi aventi capacit? minori, ad esempio allo scopo di prevedere a bordo del veicolo una pluralit? di serbatoi piccoli in sostituzione di un unico serbatoio grande.
Ci? comporta una riduzione delle dimensioni del collo del serbatoio e quindi una notevole difficolt? o addirittura l?impossibilit? di applicarvi le valvole OTV oggi note.
Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare una valvola OTV che soddisfi le esigenze del settore e superi il problema di cui si ? detto.
Tale scopo ? raggiunto da una valvola OTV secondo la rivendicazione 1 allegata. Le rivendicazioni dipendenti descrivono ulteriori vantaggiose forme di realizzazione. Le caratteristiche ed i vantaggi della valvola OTV secondo la presente invenzione saranno evidenti dalla descrizione di seguito riportata, data a titolo esemplificativo e non limitativo, in accordo con le figure delle tavole allegate, in cui:
- la figura 1 ? uno schema di un sistema di autotrazione per veicoli a celle combustibile;
- le figure 2a e 2b raffigurano una valvola multifunzione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 3 ? una vista in sezione trasversale di una porzione principale della valvola secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 4 ? una vista in sezione longitudinale della valvola secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 5 ? una ulteriore vista in sezione longitudinale della valvola secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 6 ? una ulteriore vista in sezione longitudinale della valvola secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- le figure 7a e 7b raffigurano un corpo eiettore secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; - la figura 8 ? una vista in pianta del corpo eiettore delle figure 6a e 6b;
- la figura 9 ? una vista in sezione del corpo eiettore delle figure 7a e 7b, secondo il piano di sezione IX-IX in figura 8.
Con riferimento alle figure allegate, con 1 si ? complessivamente indicato un sistema per autotrazione a celle combustibile, comprendente un serbatoio 2 per il contenimento di idrogeno ad alta pressione (la pressione massima pu? raggiungere 350, 700 o addirittura 1000 bar), una valvola multifunzione 4 (valvola OTV) applicata ad una flangia del serbatoio 2, una valvola di riduzione della pressione 6 (valvola HPR), una linea alta pressione L1 con alta pressione P1, che collega la valvola OTV 4 alla valvola HPR 6, un gruppo celle combustibile 10 e una linea bassa pressione L2 con bassa pressione P2, che collega la valvola HPR 6 al gruppo celle combustibile 10. Preferibilmente, il sistema 1 comprende valvole accessorie 8 che intercettano la linea bassa pressione L2.
La valvola OTV 4 comprende un corpo valvola 12, ad esempio realizzato in un unico pezzo, generalmente in alluminio, comprendente una porzione principale 14 e una porzione attacco 16. La porzione attacco 16 si estende prevalentemente lungo un asse attacco X e presenta ad una estremit? distale dalla porzione principale 14, una superficie di testa 17, ad esempio giacente su un piano immaginario ortogonale all?asse attacco X. Tipicamente, la superficie di testa 17 ? circolare.
La porzione attacco 16 comprende una sezione impegno 18, avente una superficie esterna cilindrica coassiale all?asse attacco X, filettata per l?avvitamento nel foro della flangia del serbatoio 2.
Preferibilmente, la porzione principale 14 ha estensione prevalente su un piano immaginario, ortogonale all?asse principale X.
Secondo una forma di realizzazione, la porzione principale 14 prevede una porta ingresso/uscita 20, destinata all?ingresso dell?idrogeno; preferibilmente, nella porta ingresso/uscita 20 ? inserito un raccordo ingresso/uscita 22, ad esempio provvisto di un filtro ingresso/uscita 24. Il corpo principale 14 presenta inoltre un condotto ingresso/uscita 26 interno, in comunicazione con la porta ingresso/uscita 24.
Preferibilmente, inoltre, la porzione principale 14 presenta internamente un ramo ingresso/uscita 28 che si dirama dal condotto ingresso/uscita 26 ed ? a sua volta in comunicazione, tramite una luce ingresso 30, con un condotto ingresso 32 avente estensione lungo un asse ingresso Y, preferibilmente parallelo all?asse attacco X e spaziato da questo. Il condotto ingresso 32 sbocca sulla superficie di testa 17 della porzione attacco 16.
La valvola OTV 4 ? inoltre provvista di una prima valvola di intercettazione 34 (valvola MV) ad azionamento manuale, normalmente aperta, operativa fra il condotto ingresso/uscita 26 ed il ramo ingresso/uscita 28. La valvola MV 34 ? azionabile esternamente tramite un prima presa 36 sulla porzione principale 14.
Preferibilmente, inoltre, la porzione principale 14 presenta un condotto interno di by-pass 38, che si dirama dal condotto ingresso/uscita 26, a valle della valvola MV 36, un condotto di sfiato 39, in cui confluisce il condotto interno di by-pass 38, e un condotto terminale di sfiato 40, in comunicazione con l?ambiente esterno tramite una porta di sfiato 42 della porzione principale 14.
Preferibilmente, inoltre, la valvola OTV 4 comprende una seconda valvola di intercettazione 50 (valvola BV), azionabile manualmente tramite una terza presa 51 della porzione principale 14, operativa fra il condotto ingresso/uscita 26 ed il condotto interno di by-pass 38. Secondo una forma di realizzazione preferita, la valvola OTV 4 ? inoltre provvista di un dispositivo di sicurezza termica 42 (dispositivo TPRD) disposto nella porzione principale 14. Il dispositivo TPRD 42 ? provvisto ad esempio, di un bulbo 44 rompibile, inseribile attraverso una seconda porta 46 della porzione principale 14, e di un pistone 47. Il dispositivo TPRD 42, normalmente chiuso, ? operativo fra il condotto di sfiato 39 ed il condotto terminale di sfiato 40.
Il corpo valvola 12 presenta inoltre un condotto sicurezza termica 53, preferibilmente ottenuto nella porzione attacco 16, avente estensione lungo un asse sicurezza Q, parallelo all?asse attacco X e spaziato da questo. Il condotto sicurezza termica 53 sbocca ad una estremit? con una luce sicurezza termica 55 sulla superficie di testa 17 della porzione attacco 16 e all?altra estremit? ? in comunicazione con il condotto di sfiato 39 tramite un passaggio 57.
Il corpo valvola 12 presenta inoltre un condotto uscita 52, preferibilmente ottenuto nella porzione attacco 16, avente estensione lungo un asse uscita J, parallelo all?asse attacco X e spaziato da questo. Il condotto uscita 52 sbocca ad una estremit? sulla superficie di testa 17 della porzione attacco 16 e all?altra estremit? ? in comunicazione con il ramo ingresso/uscita 28 della porzione principale 14.
Fra il condotto uscita 52 e il ramo ingresso/uscita 28 ? operativa una valvola di apertura/chiusura 60 (valvola SOV), azionabile elettricamente, preferibilmente tramite un solenoide 62 munito di una presa 64 per l?alimentazione elettrica e la trasmissione di segnali.
Inoltre, la valvola OTV 4 comprende un dispositivo di rilevazione della temperatura 70 (dispositivo T-sensor), comprendente una calotta 72 di protezione, sporgente assialmente dalla superficie di testa 17, ed un sensore di temperatura 74, posto all?interno della calotta 72 e sporgente dalla superficie di testa 17.
Inoltre, il corpo principale 12 presenta un condotto sensore 80 ricavato nella porzione attacco 16, che si estende lungo un asse sensore K, preferibilmente parallelo all?asse attacco X e spaziato da questo. Ad una prima estremit?, il condotto sensore 80 sbocca sulla superficie di testa 17 della porzione attacco 16, mentre l?altra estremit? si trova nella porzione principale 14. Il sensore di temperatura 74 ? accolto nel condotto sensore 80 e operativamente collegato alla presa 64 della valvola SOV 62 per l?alimentazione elettrica e la trasmissione all?esterno del segnale.
Sulla superficie di testa 17 affiorano pertanto il condotto uscita 52 con una luce uscita 52a, il condotto ingresso 32 con una luce ingresso 32a, il condotto sensore 80 con una luce sensore 80a ed il condotto sicurezza termica 53 con una luce sicurezza termica 55. Al condotto uscita 52 ? applicato un raccordo uscita 90, internamente cavo, avente estensione lungo l?asse uscita J e preferibilmente disassato da questo, in modo da avvicinarsi all?asse attacco X, e terminante con la luce terminale 52b.
Preferibilmente, il raccordo uscita 90 comprende una valvola di eccesso di flusso 92 (valvola EFV), adatta a chiudere il passaggio dell?idrogeno se la portata supera un valore soglia prefissato, e, di preferenza, una valvola di non-ritorno uscita 94 (valvola NRV OUT), normalmente aperta, adatta a chiudere il passaggio dell?idrogeno se il flusso va verso il serbatoio. Preferibilmente, inoltre, fra il condotto uscita 52 e la luce terminale 52b, ? posto un filtro uscita 96, ad esempio trattenuto alla porzione attacco 16 dal raccordo uscita 90.
Preferibilmente, tenendo conto del verso dell?idrogeno dal serbatoio verso l?uscita (verso OUT), la valvola EFV 92 ? posta a monte della valvola NRV OUT 94, che a sua volta ? a monte del filtro uscita 96.
Al condotto ingresso 32 ? applicata una valvola di nonritorno ingresso 98 (valvola NRV IN), normalmente chiusa ed adatta ad impedire il ritorno dell?idrogeno dal serbatoio verso il condotto ingresso/uscita 26.
Inoltre, al condotto ingresso 32 ? applicato un tubetto eiettore 100, fissato alla superficie di testa 17 della porzione attacco 16.
Il tubetto eiettore 100 ? provvisto internamente di un condotto eiettore 102, comprendente un tratto di monte 104, parallelo all?asse ingresso Y e preferibilmente coassiale a questo, e un tratto di valle 106, inclinato rispetto all?asse ingresso Y e divergente in verso centrifugo, in modo che il flusso di idrogeno in ingresso durante il rifornimento sia indirizzato verso la parete laterale del serbatoio.
Preferibilmente, la valvola NRV IN 98 ? mantenuta applicata al condotto ingresso 32 dal tubetto eiettore 100.
Infine, la calotta 72 del dispositivo di rilevazione della temperatura 70 ? mantenuta applicato al condotto sensore 80 tramite un elemento di fermo 110 anulare, calzato sulla calotta 72 e fissato alla superficie di testa 17 della porzione attacco 16.
Il tubetto eiettore 100 e l?elemento di fermo 110 sono realizzati in un unico pezzo, preferibilmente in alluminio, e costituiscono un corpo eiettore 120 applicabile alla superficie di testa 17 della porzione attacco 16.
In particolare, il corpo eiettore 120 comprende una base eiettore 122, avente una predefinita altezza H fra una superficie inferiore 124 ed una superficie superiore 126; la superficie inferiore 122 ? destinata ad andare a riscontro della superficie di testa 17 della porzione attacco 16, mentre dalla superficie superiore 126 sporge assialmente il tubetto eiettore 100.
L?elemento di fermo 110 ? una porzione della base eiettore 122 ed ? provvisto di un foro 128 passante fra la superficie inferiore 124 e la superficie superiore 126, adatto ad essere attraversato dalla calotta 72 del dispositivo di rilevazione della temperatura 70.
La base eiettore 122 presenta inoltre una superficie laterale 130, fra la superficie inferiore 124 e la superficie superiore 126, che realizza il contorno di detta base eiettore 122, ed ? sagomata in modo da essere contenuta all?interno della superficie di testa 17 della porzione attacco 16, lasciando scoperta la luce ingresso 32a e la luce sicurezza termica 55.
In particolare, preferibilmente, la superficie laterale 130 presenta un?ansa 132 in cui, quando il corpo eiettore 120 ? applicato alla porzione attacco 16, ? accolta almeno parzialmente la sagoma del raccordo uscita 90. In altre parole, l?ansa 132 forma una rientranza che consente la disposizione del raccordo uscita 90 senza che vi sia interferenza strutturale con il corpo eiettore 120.
Il corpo eiettore 120 comprende inoltre una coppia di fori di fissaggio 134, 136, passanti fra la superficie inferiore 124 e la superficie superiore 126, per l?inserimento delle viti di collegamento del corpo eiettore 120 alla porzione attacco 16. Preferibilmente, detti fori di fissaggio 134, 136 sono disposti ai fianchi del tubetto eiettore 100.
Inoltre, detto tubetto eiettore 100 presenta esternamente una scanalatura 140 assiale, che si estende dalla sommit? del tubetto eiettore 100 fino alla superficie superiore 126 della base eiettore 122, in corrispondenza di almeno uno di detti fori di fissaggio 134, 136, per consentire l?inserimento di un utensile di fissaggio delle viti.
Secondo una variante di realizzazione (non rappresentata), il raccordo uscita ? integrato nel corpo eiettore, che ricopre pertanto anche la luce uscita. Secondo una ulteriore variante (non rappresentata), il corpo eiettore integra il tubetto eiettore per il condotto ingresso e il raccordo uscita per il condotto uscita, mentre la luce sensore rimane scoperta; il tale variante, pertanto, il corpo eiettore non integra l?elemento di fermo.
Secondo una variante ancora ulteriore (non rappresentata), il corpo eiettore integra l?elemento di fermo per la luce sensore ed il raccordo uscita per il condotto uscita, mentre la luce ingresso rimane scoperta; in tale variante, pertanto, il corpo eiettore non integra il tubetto eiettore.
Innovativamente, la valvola OTV secondo la presente invenzione soddisfa le esigenze del settore e risolve il problema di cui si ? detto.
Il corpo eiettore infatti consente di ridurre l?ingombro che avrebbero separatamente il tubetto eiettore, l?elemento di fermo e i fori di fissaggio.
E? chiaro che un tecnico del ramo, al fine di soddisfare esigenze contingenti, potrebbe apportare modifiche alla valvola OTV sopra descritta, tutte contenute nell?ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni seguenti.

Claims (11)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Valvola multifunzione (4) per una flangia di un serbatoio (2) di idrogeno ad alta pressione per un sistema di autotrazione a celle combustibile (1), comprendente: A) un corpo valvola (12) comprendente una porzione principale (14) e una porzione attacco (16) che si estende dalla porzione principale (14) lungo un asse attacco (X) e termina con una superficie di testa (17), in cui: a) detta porzione attacco (16) presenta internamente: i) un condotto ingresso (32) terminante, ad un?estremit? distale dalla porzione principale (14), con una luce ingresso (32a) sulla superficie di testa (17); ii) un condotto uscita (52) terminante, ad un?estremit? distale dalla porzione principale (14), con una luce uscita (52a) sulla superficie di testa (17); iii) un condotto sensore (80) terminante, ad un?estremit? distale dalla porzione principale (14), con una luce sensore (80a) sulla superficie di testa (17); iv) un condotto sicurezza termica (53) terminante, ad un?estremit? distale dalla porzione principale (14), con una luce sicurezza termica (55) sulla superficie di testa (17); B) un corpo eiettore (120) in un unico pezzo, applicabile alla superficie di testa (17) della porzione attacco (16) in modo da lasciare scoperta la luce uscita (52a), provvisto di: a) una base eiettore (122) avente una superficie laterale (130) sagomata in modo da essere contenuta nella superficie di testa (17) della porzione attacco (16), comprendente un elemento di fermo (110) anulare, provvisto di un foro (128) che, quando il corpo eiettore (120) ? applicato alla porzione attacco (16), ? allineato con la luce sensore (80a); b) un tubetto eiettore (100), sporgente assialmente dalla base eiettore (122), provvisto internamente di un condotto eiettore (102) che, quando il corpo eiettore (120) ? applicato alla porzione attacco (16), ? in comunicazione fluidica con il condotto ingresso (32) tramite la luce ingresso (32a). C) un dispositivo di rilevazione della temperatura (70), comprendente una calotta (72) di protezione, sporgente assialmente dalla luce sensore (80a) sulla superficie di testa (17), ed un sensore di temperatura (74), posto all?interno della calotta (72), in cui la calotta (72) attraversa il foro (128) dell?elemento di fermo (110) del corpo eiettore (120).
  2. 2. Valvola secondo la rivendicazione 1, in cui la porzione attacco (16) comprende una sezione impegno (18) avente una superficie esterna cilindrica coassiale all?asse attacco (X), filettata per l?avvitamento alla flangia del serbatoio (2).
  3. 3. Valvola secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il condotto eiettore (102) comprende un tratto di monte (104), parallelo all?asse ingresso (Y), e un tratto di valle (106), inclinato rispetto all?asse ingresso (Y) e divergente in verso centrifugo.
  4. 4. Valvola secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una valvola di non-ritorno ingresso (98), operante lungo il condotto ingresso (32) e inserita in questo attraverso l?apertura uscita (32a), trattenuta in posizione da detto corpo eiettore (120).
  5. 5. Valvola secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un raccordo uscita (90) applicato alla luce uscita (52a), avente estensione lungo l?asse uscita (J) e terminante con una luce terminale (52b).
  6. 6. Valvola secondo la rivendicazione 5, in cui nel raccordo uscita (90) sono accolte una valvola di eccesso di flusso (92) normalmente aperta e una valvola di nonritorno uscita (94) normalmente aperta.
  7. 7. Valvola secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui la superficie laterale (130) della base eiettore (122) presenta un?ansa (132) in cui, quando il corpo eiettore (120) ? applicato alla porzione attacco (16), ? accolta almeno parzialmente la sagoma del raccordo uscita (90).
  8. 8. Valvola secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo eiettore (120) comprende almeno un foro di fissaggio (134,136), passante attraverso lo spessore della base eiettore (122), per l?inserimento di viti di collegamento del corpo eiettore (120) alla porzione attacco (16).
  9. 9. Valvola secondo la rivendicazione 8, in cui il tubetto eiettore (100) presenta esternamente una scanalatura (140) assiale, che si estende dalla sommit? del tubetto eiettore (100) fino alla base eiettore (122), in corrispondenza di detto almeno un foro di fissaggio (134,136) per consentire l?inserimento di un utensile di fissaggio delle viti.
  10. 10. Valvola secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo eiettore (120) lascia scoperta anche la luce sicurezza termica (55).
  11. 11. Valvola secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un dispositivo di sicurezza termica (42) che intercetta il condotto sicurezza termica (53).
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