JP2011517335A - 圧縮ガス貯蔵容器用安全バルブ - Google Patents

Abstract

本発明は、圧縮ガス貯蔵容器と接続された放出チャネル（３）と、放出チャネル（３）内に可動に配置されている閉鎖要素（５）とを備え、該閉鎖要素（５）は、作動段階に依存して放出チャネル（３）を外側へ開放し、圧縮ガス貯蔵容器とは反対を向いた側が圧縮ガス貯蔵容器の方を向いた側よりも大きい断面積（Ａ２）を有しており、放出チャネル（３）が該閉鎖要素（５）の圧縮ガス貯蔵容器とは反対を向いた側にくびれ（７）を備えている圧縮ガス貯蔵容器用安全バルブに関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮ガス貯蔵容器と接続している放出チャネルと、放出チャネル内に可動に配置され、作動段階に依存して放出チャネルを外側へ開放する閉鎖要素とを備えた、圧縮ガス貯蔵容器用安全バルブに関する。このような安全バルブは、特許文献１で公知である。

そのほかに、特許文献２では、終端部が異なる大きさの断面で形成されるように閉鎖要素が形成され、その際に閉鎖要素にはさらにスプリングによって予荷重がかけられて軸方向に往復スライド可能である圧縮ガス貯蔵容器用安全バルブが公知である。

公知の安全バルブでは、放出過程、特に圧縮ガス貯蔵容器内に入っている水素の放出が、安全上危機的な状態の場合に非常に不十分にしか行われない。放出過程において一定の質量流量がまさに必要となる場合に、それがほとんど信頼性の高い方法で行われない。

独国特許出願公開第１０２００６０２０３８８Ａ１号明細書 欧州特許出願公開第１６５５５３３Ａ１号明細書

本発明の課題は、放出過程中に一定の質量流量の放出が高い信頼性で行われることが可能な、圧縮ガス貯蔵容器用安全バルブを提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を備えた安全バルブによって解決される。

本発明に基づいた圧縮ガス貯蔵容器用安全バルブは、圧縮ガス貯蔵容器と接続された放出チャネルを備えている。さらに安全バルブは、放出チャネル内に可動に配置され、作動段階に依存して放出チャネルを外側へ開放し、圧縮ガス貯蔵容器とは反対を向いた側の断面が圧縮ガス貯蔵容器の方を向いた側の断面よりも大きい閉鎖要素を含んでいる。放出チャネルは、圧縮ガス貯蔵容器とは反対を向いた側の閉鎖要素上にくびれ付きで形成される。このような安全バルブによって、放出過程中の一定の質量流量の放出は、はるかに正確でほとんど変動なしに達成される。

好ましくは、くびれの前後の放出チャネル断面がくびれの断面よりも大きいように、くびれが形成される。従ってくびれ又は狭窄部は、くびれの流れ方向両側で再度流れ断面が拡大するように考案される。特に好ましくは、放出される質量流量を一定に保つためにこのことが寄与する。

好ましくは媒体放出方向、つまり媒体流出方向で、放出チャネル内で閉鎖要素の後にくびれが形成される。これによって、一定に放出される質量流量に関して、場所及び機能について特に適切な取付けが可能になる。

特に、放出チャネルは媒体放出方向にくびれの前で１つのセクションから形成されており、このセクションは、このセクション前後の放出チャネルの流れ断面よりも小さい流れ断面を有している。したがって安全バルブの両側では放出チャネル内に狭窄部が形成され、それによって特に有利には、放出過程中に高度に精確に一定の質量流量に調整することが達成される。

好ましくはこのセクションが、閉鎖要素内の、特に圧縮ガス貯蔵容器の方を向いた閉鎖要素のエンドピース内の開口として形成される。

好ましくは、閉鎖要素のエンドピースは閉鎖要素より小さい断面積を備え、この断面積は放出チャネルのセクションの流れ断面の面積よりも大きい。

好ましくは、閉鎖要素は放出チャネルの軸方向にスライド可能なピストンである。

特に、閉鎖要素は内側にある密閉及びロック要素によってその初期位置に保持される。初期位置とは、放出過程が実施されず、そのことによって位置が安定して閉鎖要素がその初期位置に保持されているときに、初期位置であると定義される。密閉及びロック要素は、放出過程が実施されない場合に放出チャネルを密閉する機能を備えている一方で、放出過程が実施されない場合には閉鎖要素をこの初期位置にロックする装置を備えている。

密閉及びロック要素は、特に有利には液体が充填されている。この実施形態により、安全上危機的な状態において、密閉及びロック要素の作動はそれが破壊されることにより特に簡単に低費用な方法で達成される。

特にこれに関連して、密閉及びロック要素が、接した温度、特に液体の接した温度に依存してその密閉機能及びロック機能を失うように企図されているとよい。特にこの場合、液体は熱くなると気化して膨張し、密閉及びロック要素が破裂する結果をもたらし、ひいては密閉機能及びロック機能が失われ、それによって閉鎖要素をその初期位置から移動可能にすることが企図される。

特に、密閉及びロック要素は特にガラス又はガラスに類似した材料から成る円筒形状のカプセルであり、高温時に気化する液体が満たされている。高温とは、例えば火災が生じて安全上危機的な状態であると解釈することができる。火災によって引き起こされた液体の温度上昇は、気化と、密閉及びロック要素の破壊を結果としてもたらす。

好ましくは密閉及びロック要素はその取付け位置で閉鎖要素内部へと伸び、及び閉鎖要素内に形成された放出チャネルの部分から突き出ている第１の端部と筐体壁でぴったり合い、及び閉鎖要素内に配置されている第２の端部と閉鎖要素内の放出チャネルの流れ断面が減少する張出し部でぴったり合う。このことは、特に有利な、機能に関して特に適切な位置決めである。その上、閉鎖要素での放出チャネルの特殊な造形及び閉鎖要素の位置決めにより、密閉及びロック要素の特殊な位置を簡単に生成し維持することができる。
好ましくは、密閉及びロック要素が、放出される媒体の放出方向で、くびれと放出チャネルのセクションとの間に流れ断面を小さくして配置される。

特に、放出過程における運動ガイドのために、閉鎖要素は予荷重要素、特にスプリングと連結される。これによって閉鎖要素の連続的で非常に正確な動きを、形成された圧力状態に依存して調整することが可能になり、その結果放出される質量流量が不都合に及び大幅に変動することを変えることができる。

特に燃料、特に水素又は水素含有ガスを収容するための燃料電池システムの圧縮ガス貯蔵容器が形成される。

提案される安全バルブにより、特に火災時における安全性問題が回避可能である。なぜなら、非常に大きな質量流量が放出管から流れ出るのを阻止できるからである。その上、放出される質量流量が大きく変動することを阻止することができる。このことは特に、放出過程に依存せずにフィード圧によって恒常的に放出される質量流量を維持可能な機械的バルブによって達成される。

本発明に基づいた安全バルブの一実施例の模式的断面図である。

本発明の一実施例について、以下に模式図を使用して詳しく説明する。
安全バルブ１は、燃料電池システムの安全上危機的な状態において、水素又は水素含有ガスを調量して放出するために形成され、その際この放出されるガスは燃料電池システムの圧縮ガス貯蔵容器内に収容されている。図示していない圧縮ガス貯蔵容器は、配管（図示せず）を介して、又は直接、安全バルブ１と接続されている。この状況において、安全バルブは圧縮ガス貯蔵容器の方を向いた、高圧側として作られた側２と接続している。

安全バルブ１は、好ましくは可動式の燃料電池システムとして形成され、好ましくは車両内に配置されている燃料電池システムに取り付けられる。しかし、本発明に基づいた装置は固定式圧縮ガス貯蔵容器にも適している。

この安全バルブ１は、安全バルブ１を通り抜けて伸び、異なった部分を有する放出チャネル３を含んでいる。第１の部分は、内径ｄ１の放出チャネル３を備えており、この内径はそれに接続している内径ｄ２（部分図Ｉ参照）より大きい。内径ｄ２を備えたこの部分内に、ピストンとして形成された閉鎖要素５のエンドピース４が伸びている。この閉鎖要素５は、安全バルブ１の内部で軸方向（Ｘ方向）に往復スライド可能である。

閉鎖要素５は、その圧縮ガス貯蔵容器の方を向いたエンドピース４が断面積Ａ１を有し、この断面積Ａ１は向かい合っている端部の断面積Ａ２よりも小さい。断面積Ａ１及びＡ２の面寸法は、断面積Ａ２が断面積Ａ１よりもはるかに大きくなるように、及び面積を考察する上で断面積Ａ１が断面積Ａ２と比較して実際上無視できるほどに決められる。放出チャネル３は、閉鎖要素５の内部にも伸び、その際、この放出チャネルはこの状況において、図の拡大部分図Ｉに示されているように、圧縮ガス貯蔵容器の方を向いたエンドピース４に非常に小さい開口として実現されている。エンドピース４内の放出チャネルのセクション１２は、１つの開口として実現されており、この開口は内径ｄ２より小さい内径ｄ３を備えている。放出チャネル３のセクション１２は、特にその長さ及びその内径ｄ３が、圧縮ガス貯蔵容器が２〜１０分間で、好ましくは２〜５分間で空になるように寸法決めされる。

エンドピース４のセクション１２の後では、放出チャネル３が再び内部寸法ｄ３より大きな内部寸法ｄ４を備えるように、放出チャネル３が形成される。放出方向（プラスのＸ方向）において、放出チャネル３は閉鎖要素５の内部で再び広がり、その際に内径ｄ５が形成される。そのために閉鎖要素５の内部では張出し部６が形成され、この張出し部は本実施例において内径ｄ４から内径ｄ５への段階的な移行部をもたらしている。

放出チャネル３は、水素の放出方向で閉鎖要素５の後に、つまり大きい断面積Ａ２の後に、くびれ７を備えている。このくびれ７は、放射対称性に形成され、水素の放出方向で放出チャネル内径はくびれ７の直近でその前後がくびれ７自身よりも大きいように考案される。このくびれ７のところでは、放出チャネルは内径ｄ６を有する。これによってくびれ７は、圧縮ガス貯蔵容器が２〜１０分間で、好ましくは２〜５分間で空になるように形成されたいわば絞りの効果をもつ。

その上に、安全バルブ１は、好ましくは円筒形状に形成された密閉及びロック要素８を備えている。密閉及びロック要素８は、好ましくは液体を充填した円筒形状のガラスカプセルとして形成される。密閉及びロック要素８は、放出過程が不要な場合は放出チャネル３を密閉し、他方で閉鎖要素５をある位置に安定的に保持し、ひいてはロックするために使用される。閉鎖要素の初期位置では、密閉及びロック要素８はその大部分が閉鎖要素５内部に伸びるように位置決めされ、その際に密閉及びロック要素はストップ位置又は張出し部６に密着し、及び他方で向かい合っている端部が筐体壁９に密着する。

さらに安全バルブ１は、放出過程に閉鎖要素５の運動ガイドとして使用されるスプリング１０を含んでいる。

閉鎖要素５の可動性により、水素を放出可能にするために、放出チャネル３が作動段階に依存して外側へ開放されるようにできる。

くびれ７は、安全バルブ１の圧縮ガス貯蔵容器とは反対を向いた側１１の付近に形成される。高圧側、つまり安全バルブ１の側面２では、放出チャネル３の内径ｄ３を有する開口又はセクションによって、閉鎖要素５のエンドピース４内で最小の質量流量が可能になり、放出過程で閉鎖が生じることが回避される。

低圧側、つまり安全バルブ１の側面１１では、放出される水素の質量流量が放出過程中に同様に、すなわち絞り又はくびれ７によって制限される。

それゆえに、好ましくはこの２つの基本的な処置により、放出過程において内径ｄ３を有する開口及び内径ｄ６を有するくびれ７に、一定の質量流量が達成される。

向かい合った側に、異なる大きさに寸法決めされた断面積Ａ１及びＡ２、特にそれらの大きさが大きく異なる面積Ａ１及びＡ２を有している閉鎖要素５を使用して、圧力制御機能が、安全バルブ１の高圧及び低圧側に生成され、その際これが好ましくは閉鎖要素５の運動ガイドのためのスプリング１０と連動して現れる。

これに関して、以下の式が適用される：
Ａ２ * ｐＬ = Ｄ * ｘ + Ａ１ * ｐＨ
この式では、Ｄはスプリング１０のばね定数、ｘはＸ方向へのスプリング予荷重、ｐＬは低圧側での水素の圧力、ｐＨは高圧側での水素の圧力を表している。好ましくは、断面積Ａ１及びＡ２の面積比率は、項Ａ１ * ｐＨが無視できるほどに寸法決めされる。

以下では、圧力制御の原理に基づいて働く安全バルブ１の機能原理をさらに簡単に説明する。安全バルブ１の本質的な点は、入口付近の内径ｄ３を有する放出チャネル３の開口又はセクション１２によって、他方で出口付近の絞り又はくびれ７によって、圧力に依存した質量流量が可能になることであり、その際、このような状況において、安全バルブ１が圧力制御の原理に基づいて働く。

液体が充填されたガラス体又はガラスカプセルは密閉及びロック要素８を形成し、図の表示に従いピストン又は閉鎖要素５がその開始位置又はその初期位置でロックされる。さらに、流れを大気に対して密閉する。例えば火災時の安全上危機的な状態において起こり得る、外側の熱源による液体の温度上昇が密閉及びロック要素８の内部で生じ、液体が加熱されて気化すると、それによって密閉及びロック要素８が破裂によって破壊される。この破壊の後、閉鎖要素５は断面積Ａ１上に放出される媒体によって左側へ押され、及び左のチャンバ１３内に圧力が生成される。このことは、面積Ａ１よりはるかに大きい左の断面積Ａ２に作用し、この力作用によって閉鎖要素５がすでに比較的低い圧力で右側へ動く。この力作用に反してスプリング１０が作用する。スプリング１０は、調整ナットを使用して左チャンバ１３内に所望の圧力に調整することができる。

水素ガスが燃え始めながら流れ出す場合も、放出過程において流出する質量流量を一定に維持することによって、起こり得る危険が格段に低減される。さらに、流出過程の終わりごろには流出期間が短縮される。なぜならより大きな断面で開放可能になるからである。

他の用途として、可変フィード圧の場合のガス質量流量制御がある。これは、ロック要素を廃止して流れを常に開放することで、提案されたレギュレータによって実施することができる。

Claims (17)

1. 圧縮ガス貯蔵容器用安全バルブであって、圧縮ガス貯蔵容器と接続された放出チャネル（３）と、前記放出チャネル（３）内に可動に配置されている閉鎖要素（５）とを備え、該閉鎖要素（５）は、作動段階に依存して前記放出チャネル（３）を外側へ開放し、及び前記圧縮ガス貯蔵容器とは反対を向いた側が該圧縮ガス貯蔵容器の方を向いた側よりも大きい断面積（Ａ２）を有し、
   前記放出チャネル（３）が前記閉鎖要素（５）の前記圧縮ガス貯蔵容器とは反対を向いた側にくびれ（７）を備えていることを特徴とする安全バルブ。
2. 前記放出チャネル（３）の前記くびれ（７）の前後の断面が該くびれの部分よりも大きくなるように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の安全バルブ。
3. 前記くびれ（７）が、前記圧縮ガス貯蔵容器が２〜１０分間で、好ましくは２〜５分間で空になるように、寸法決めされることを特徴とする、請求項１又は２に記載の安全バルブ。
4. 前記くびれ（７）が、媒体放出方向で前記閉鎖要素（５）の後に前記放出チャネル（３）内に形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の安全バルブ。
5. 前記放出チャネル（３）が、媒体放出方向で前記くびれ（７）の前にセクション（１２）を備えており、前記セクション（１２）の流れ断面が、該セクション（１２）の前後の前記放出チャネル（３）の流れ断面よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の安全バルブ。
6. 前記セクションが、前記閉鎖要素（５）内に、特に圧縮ガス貯蔵容器の方を向いた前記閉鎖要素（５）のエンドピース（４）内に、開口（１２）として形成されることを特徴とする、請求項５に記載の安全バルブ。
7. セクション（１２）の前記流れ断面が、圧縮ガス貯蔵容器が２〜１０分間で、好ましくは２〜５分間で空になるように寸法決めされることを特徴とする、請求項５又は６に記載の安全バルブ。
8. 前記エンドピース（４）が、前記放出チャネル（３）の前記セクション（１２）の流れ断面の面積よりも大きい、前記閉鎖要素（５）の小さい断面積（Ａ１）を備えていることを特徴とする、請求項６又は７に記載の安全バルブ。
9. 前記閉鎖要素（５）が、前記放出チャネル（３）の軸方向にスライド可能なピストンであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の安全バルブ。
10. 前記閉鎖要素（５）が、非放出時に、内部にある密閉及びロック要素（８）によってその初期位置に保持されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の安全バルブ。
11. 前記密閉及びロック要素（８）に液体が充填されていることを特徴とする、請求項１０に記載の安全バルブ。
12. 前記密閉及びロック要素（８）が、接した温度、特に液体の接した温度に依存してその密閉及びロック機能（８）を失うことを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の安全バルブ。
13. 前記密閉及びロック要素（８）がガラスから成る円筒形状の、高温時に気化する液体が充填されたカプセルであることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の安全バルブ。
14. 前記密閉及びロック要素（８）がその取付け位置で前記閉鎖要素（５）の内部に伸び、前記閉鎖要素（５）内に形成された前記放出チャネル（３）の部分から突き出ている第１の端部によって筐体壁（９）に密着し、前記閉鎖要素（５）内に配置されている第２の端部によって内壁の張出し部（６）に密着し、該張出し部が前記放出チャネル（３）の流れ断面を縮小するために内壁に形成されていることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の安全バルブ。
15. 前記密閉及びロック要素（８）が、放出される媒体の放出方向で、前記放出チャネル（３）のくびれ（７）及びセクション（１２）の間に縮小された流れ断面を備えて配置されていることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の安全バルブ。
16. 前記閉鎖要素（５）が、予荷重要素によって、特にスプリング（１０）によって、閉鎖要素（５）の運動ガイドのために放出過程において連結されることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の安全バルブ。
17. 燃料、特に水素又は水素含有ガスを収容するための燃料電池システムの圧縮ガス貯蔵容器が形成されることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の安全バルブ。
    

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