IT202100016742A1 - Valvola multifunzione per sistemi di trazione a celle combustibile - Google Patents

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Francesco Mondinelli
Mario Berardi
Giacomo Morelli
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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). 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 che consente l?immissione di idrogeno nel serbatoio (funzione di refilling) e l?invio dell?idrogeno verso i dispositivi utilizzatori a valle (funzione di fueling). In particolare, l?invio dell?idrogeno ? regolato da una valvola solenoide (valvola SOV) comandata elettricamente.
Una valvola multifunzione comprende inoltre 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.
La valvola SOV ? un componente cruciale per il corretto funzionamento della valvola OTV ed ? necessario che sia adeguatamente preservata. In particolare, la Richiedente ha constatato la necessit? di preservare tale valvola durante le operazioni di refilling, che avvengono in presenza di elevate portate di idrogeno in ingresso e, conseguentemente, di flussi considerevoli che investono le parti della valvola SOV.
Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare una valvola multifunzione che soddisfi le esigenze del settore e superi nel contempo gli inconvenienti 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 raffigura schematicamente un sistema di trazione a celle combustibile comprendente una valvola OTV secondo la presente invenzione;
- le figure 2a e 2b raffigurano la valvola OTV secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; - la figura 3 ? una sezione trasversale della valvola OTV delle figure 2a e 2b;
- la figura 4 ? una sezione longitudinale della valvola OTV delle figure 2a e 2b;
- la figura 5 ? una ulteriore sezione longitudinale della valvola OTV delle figure 2a e 2b;
- la figura 6 raffigura la valvola OTV parzialmente sezionata;
- la figura 7 raffigura schematicamente la valvola OTV secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, in una fase di rifornimento (refilling); - la figura 8 raffigura schematicamente la valvola OTV secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, in una fase di alimentazione dei dispositivi a valle (fueling);
- la figura 9 rappresenta una valvola limitatrice di flusso, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
- la figura 10 illustra la valvola limitatrice di flusso, una valvola di eccesso di flusso e un filtro, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. 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 e all?uscita dell?idrogeno verso i dispositivi a valle; 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 20.
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 uscita 32 avente estensione lungo un asse uscita Y, preferibilmente parallelo all?asse attacco X e spaziato da questo, terminante con una luce terminale uscita 32a.
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, solitamente manualmente, tramite un prima presa 36 sulla porzione principale 14. Quando la valvola MV 34 ? chiusa, ? chiuso l?accesso dal condotto ingresso/uscita 26 al ramo ingresso/uscita 28.
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 34, 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), normalmente chiusa, azionabile esternamente, solitamente manualmente, tramite una terza presa 51 sulla porzione principale 14, operativa fra il condotto ingresso/uscita 26 ed il condotto interno di by-pass 38. Normalmente, pertanto, l?accesso dal condotto ingresso/uscita 26 al condotto interno di by-pass 38 ? chiuso dalla valvola BV 50.
Preferibilmente, la valvola BV 50 ? posta a valle della valvola MV 34, lungo il condotto ingresso/uscita 26, e detta valvola MV 34 ? configurata in modo che, quando ? chiusa, lascia comunque libero il passaggio verso la valvola BV 50.
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 ingresso 52, preferibilmente parzialmente ottenuto nella porzione attacco 16, avente estensione lungo un asse ingresso J, parallelo all?asse attacco X e spaziato da questo. Preferibilmente, inoltre, al corpo valvola 12 ? applicato un raccordo uscita 90, internamente cavo, avente estensione lungo l?asse ingresso J, che prolunga il condotto ingresso 52, che si estende pertanto da una luce terminale ingresso 52a posta all?estremit? del raccordo uscita 90 al ramo ingresso/uscita 28 della porzione principale 14.
Fra il condotto ingresso 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. In particolare, la valvola SOV comprende un otturatore 65, ad esempio in materiale polimerico, adatto a chiudere almeno parzialmente il collegamento fluidico fra il ramo ingresso/uscita 28 e il condotto ingresso 52. In particolare, detto otturatore 65 ? operativo su una sede otturatore 66 fra il ramo ingresso/uscita 28 e il condotto ingresso 28. Secondo una variante di realizzazione, la sede otturatore ? in materiale polimerico.
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.
La valvola OTV 4 comprende inoltre una valvola limitatrice di flusso 94 (valvola FL), normalmente aperta, operativa lungo il condotto ingresso 52, adatta a limitare il flusso di idrogeno che va dalla valvola SOV 60 verso il serbatoio, ossia verso la luce terminale ingresso 52a, attraverso il condotto ingresso 52.
Preferibilmente, inoltre, lungo il condotto uscita 52 ? posto un filtro uscita 96, ad esempio trattenuto alla porzione attacco 16 dal raccordo uscita 90. Preferibilmente, il filtro uscita 96 ? posto a valle della valvola FL 94, tenendo conto del verso del flusso in ingresso dal serbatoio, ossia dalla luce terminale ingresso 52a verso la valvola SOV 60.
Preferibilmente, inoltre, la valvola OTV 4 comprende una valvola eccesso di flusso 92 (valvola EFV), operativa lungo il condotto ingresso 52 e adatta a chiudere o limitare il passaggio del flusso di idrogeno dal serbatoio (ossia dalla luce terminale ingresso 52a) verso la valvola SOV 60 se la portata di detto flusso supera un valore soglia prefissato.
Detta valvola EFV 92 ? posta a monte della valvola EF 94 tenendo conto del verso del flusso in ingresso dal serbatoio, ossia dalla luce terminale ingresso 52a verso la valvola SOV 60.
La valvola OTV 4 comprende inoltre una valvola di nonritorno 98 (valvola NRV) operativa lungo il condotto uscita 32, normalmente chiusa ed adatta ad impedire il flusso di idrogeno in ingresso dal serbatoio verso il condotto ingresso/uscita 26.
Preferibilmente, la valvola OTV comprende un tubetto eiettore 100, fissato alla superficie di testa 17 della porzione attacco 16 provvisto internamente di un condotto eiettore 102, che prolunga il condotto uscita 32.
Preferibilmente, la valvola NRV 98 ? mantenuta applicata alla porzione attacco 16 dal tubetto eiettore 100, cos? come, preferibilmente, la calotta 72 del dispositivo di rilevazione della temperatura 70.
In accordo con la figura 7, che schematizza la valvola OTV 4 durante una fase di refilling, ossia di rifornimento, il flusso di idrogeno entra nel condotto ingresso/uscita 26 secondo il verso IN. La valvola MV ? aperta e la valvola BV ? chiusa. Il flusso di idrogeno, tramite il ramo ingresso/uscita 28, la luce ingresso 30, il condotto uscita 32 e la luce terminale uscita 32a, entra nel serbatoio, rifornendolo.
Tuttavia, parte del flusso di idrogeno si affaccia all?otturatore 65 della valvola SOV 60, disimpegnandolo dalla sede otturatore 66, passa nel condotto ingresso 52, attraversa il filtro 96 se presente, e investe la valvola FL 94, che passa dalla configurazione di apertura alla configurazione di chiusura in cui limita il flusso che passa a valle.
Detto flusso, attraversa infine la valvola EFV, che rimane nella configurazione di apertura, per fluire infine nel serbatoio tramite la luce terminale uscita 52a.
Vantaggiosamente, in virt? della valvola FL, il flusso che attraversa la valvola SOV 60 ? comunque esiguo, a salvaguardia dell?integrit? dei componenti della valvola SOV 60, ed in particolare dell?otturatore 65 e/o della sede otturatore 66.
Vantaggiosamente, inoltre, detta valvola FL non chiude del tutto il passaggio del flusso, al fine di evitare fenomeni vibrazionali.
Secondo una forma preferita di realizzazione, la valvola FL 94 comprende un ingresso FL 941 delimitato da un parete fissa FL 943, un?uscita FL 942 delimitata da una tenuta FL 944 in materiale polimerico, un otturatore FL 945 cavo che si estende da un?estremit? ingresso 947 prossima all?ingresso FL 941 ad un?estremit? uscita 949 prossima all?uscita FL 942 e adatta ad impegnarsi a tenuta con detta tenuta FL 944.
All?estremit? uscita 949 ? inoltre ricavato un passaggio FL 951 che pone permanentemente in comunicazione l?ingresso FL 941 e l?uscita FL 942, attraverso il vano interno dell?otturatore FL 945.
Preferibilmente, l?otturatore FL 945 comprende inoltre fori radiali FL 953 in corrispondenza dell?estremit? uscita 949.
La valvola FL 94 comprende inoltre un distanziale FL 955 fisso, nel quale l?otturatore FL 945 ? mobile assialmente, e una molla FL 957 operativa fra il distanziale FL 955 e l?estremit? ingresso FL 947 ed adatta ad influenzare permanente l?otturatore FL 945 verso la configurazione di apertura.
Detti fori radiali FL 953 pongono in comunicazione il vano interno dell?otturatore FL 945 e una camera formata fra il distanziale FL 955 e l?otturatore FL 945.
Quando il flusso di idrogeno investe la valvola FL 94, detto flusso entra dall?ingresso FL 941, attraversa l?otturatore 945 e lo spinge a riscontro della tenuta FL 944, vincendo l?azione contraria della molla FL 957; un flusso residuo, notevolmente ridotto, attraversa il passaggio FL 951 ed esce dall?uscita FL 942.
La valvola EFV 92 posta in serie alla valvola FL 94 ? strutturalmente identica alla valvola FL 94 e condivide con questa la stessa tenuta FL 944.
In accordo con la figura 8, che schematizza la valvola OTV 4 durante una fase di fueling, ossia di alimentazione del flusso di idrogeno ai dispositivi utilizzatori posti a valle della valvola OTV, il flusso di idrogeno entra nel condotto ingresso 52 secondo il verso IN. La valvola EFV 92 ? aperta fino a quando il flusso non supera un valore soglia e la valvola FL 94 ? aperta. Il flusso si affaccia quindi alla valvola SOV 60 che ? comandata in apertura per il fueling, passa nel ramo ingresso/uscita 28 e poi nel condotto ingresso/uscita 26, uscendo poi verso i dispositivi utilizzatori attraverso la porta ingresso/uscita 20.
Attraverso la luce terminale uscita 32a, il flusso si affaccia altres? alla valvola NRV 98, che passa nella configurazione di chiusura per azione della pressione e della molla NRV 99. Il flusso si affaccia altres? alla valvola NRV 98 attraverso la luce ingresso 30, ma la valvola NRV 98 rimane chiusa in virt? dell?azione di detta molla NRV 99.
Innovativamente, la valvola OTV secondo la presente invenzione, soddisfa le esigenze del settore in quanto consente di preservare i componenti della valvola SOV da eccessive portate di idrogeno in fase di rifornimento. E? chiaro che un tecnico de settore, al fine di soddisfare esigenze specifiche, potrebbe apportare modifiche alla valvola OVT sopra descritta, tutte contenute nell?ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni seguenti.

Claims (10)

RIVENDIAZIONI
1. Valvola multifunzione (4) per un serbatoio di idrogeno ad alta pressione di un sistema per autotrazione a celle combustibile, comprendente:
- un condotto ingresso/uscita 26 per l?ingresso di un flusso di idrogeno durante una fase di refilling e l?uscita di un flusso di idrogeno durante una fase di fueling;
- un condotto uscita (32) terminante con una luce terminale uscita (32a) per l?alimentazione del flusso al serbatoio durante la fase di refilling;
- un ramo ingresso/uscita (28) che si dirama dal condotto ingresso/uscita (26) ed ? in comunicazione tramite una luce ingresso (30) con il condotto uscita (32);
- un condotto ingresso (52), adatto ad essere posto in comunicazione con il ramo ingresso/uscita (28) e terminante con una luce terminale ingresso (52a) per l?ingresso del flusso durante la fase di fueling;
- una valvola di apertura/chiusura (60) o valvola SOV, azionabile elettricamente, adatta a consentire il transito del flusso dal condotto ingresso (52) al ramo ingresso/uscita (28) quando azionata durante la fase di fueling;
- una valvola di non-ritorno (98) o valvola NRV, operativa lungo il condotto uscita (32), adatta ad impedire il transito del flusso in ingresso dal serbatoio verso il condotto ingresso/uscita (26) durante la fase di fueling;
- una valvola limitatrice di flusso (94) o valvola FL, disposta in serie con la valvola SOV (60) e adatta a limitare il flusso dalla valvola SOV (60) verso la luce terminale ingresso (52a) durante la fase di refilling.
2. Valvola multifunzione secondo la rivendicazione 1, in cui la valvola FL (94) ? operativa lungo il condotto ingresso (52), a valle della valvola SOV (60) tenendo conto del verso del flusso durante la fase di refilling.
3. Valvola multifunzione secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la valvola SOV (60) comprende un otturatore (65) in materiale polimerico.
4. Valvola multifunzione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la valvola SOV (60) ? operativa su una sede otturatore (66) in materiale polimerico.
5. Valvola multifunzione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la valvola FL (94) comprende:
- un ingresso FL (941) delimitato da un parete fissa FL (943), un?uscita FL (942) delimitata da una tenuta FL (944), un otturatore FL (945) cavo che si estende da un?estremit? ingresso (947) prossima all?ingresso FL (941) ad un?estremit? uscita (949) prossima all?uscita FL (942) e adatta ad impegnarsi a tenuta con detta tenuta FL (944), e un passaggio FL (951) realizzato all?estremit? uscita (949), che pone permanentemente in comunicazione l?ingresso FL (941) e l?uscita FL (942), attraverso il vano interno dell?otturatore FL (945);
- una molla FL (957) adatta ad influenzare permanente l?otturatore FL (945) verso una configurazione di apertura.
6. Valvola multifunzione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un filtro uscita (96) in serie con la valvola FL (94).
7. Valvola multifunzione secondo la rivendicazione 6, in cui il filtro uscita (96) ? posto a valle della valvola FL (94), tenendo conto del verso del flusso in ingresso dal serbatoio durante la fase di fueling.
8. Valvola multifunzione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una valvola eccesso di flusso (92) o valvola EFV, disposta in serie alla valvola FL (94), adatta a chiudere o limitare il flusso in ingresso dal serbatoio durante la fase di fueling se la portata di detto flusso supera un valore soglia prefissato.
9. Valvola multifunzione secondo la rivendicazione 8, in cui la valvola EFV (92) ? posta a monte della valvola EF (94) tenendo conto del verso del flusso in ingresso dal serbatoio durante la fase di fueling.
10. Valvola multifunzione secondo la rivendicazione 9, in cui la valvola EFV (92) ? operativa su una tenuta (944), sulla stessa tenuta (944) essendo operativa anche detta valvola FL (94).
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US20160273492A1 (en) * 2013-10-18 2016-09-22 Omb Saleri S.P.A. Valve for methane in automotive systems with by-pass system of the excess flow blocking device
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