JP2023539904A - 弁装置を備えるガス状の媒体を貯蔵するタンク装置 - Google Patents

Abstract

ガス状の媒体、特に水素を貯蔵するタンク装置（１）は、弁装置（１００）とタンク容器（２００）とを備え、弁装置（１００）は、弁ハウジング（１０２）を有し、弁ハウジング（１０２）は、弁ハウジング（１０２）内で可動のパイロット制御弁要素（２４）を有している。パイロット制御弁要素は、第１のシール座（１８）と協働し、パイロット制御弁（２４０）を形成し、弁装置は、パイロット制御弁要素を移動させる磁石コイル（３２）を有している。さらに弁ハウジング内に主弁要素（１２）が配置されている。さらにパイロット制御弁要素（２４）の一方の端部（４２）に永久磁石（１７）が配置されており、永久磁石（１７）は、永久磁石（１７）のプラス極要素（１７０）が弁装置（１００）のハウジングカバー（２８）に向かって配置され、かつ永久磁石（１７）のマイナス極要素（１７１）がタンク容器（２００）に向かって配置されているように、弁装置（１００）内に配置されており、永久磁石（１７）は、磁石コイル（３２）の通電時、磁石コイル（３２）により発生される継続磁界（５２）のプラス極領域（５１）内に配置されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、弁装置を備えるタンク装置、特に、水素を貯蔵する、例えば、燃料電池式の駆動部を備える車両または駆動部として水素エンジンを備える車両において使用する、弁装置を備えるタンク装置に関する。

特許文献１には、タンク装置であって、少なくとも２つのアキュムレータユニットを備え、アキュムレータユニットは、それぞれ１つの制御弁を有し、かつ管路システムを介して出口管路に接続されている、タンク装置が記載されている。この場合、少なくとも１つのアキュムレータユニットの少なくとも１つの制御弁は、主弁として形成されており、少なくとも１つのアキュムレータユニットの少なくとも１つの制御弁は、副弁として形成されており、主弁と副弁とは、それぞれ異なって形成されている。

このようなタンク装置用の安全装置は、規格化されている。その際、このようなタンク装置はすべて遮断弁を備えていなければならない。それゆえ遮断弁は、例えば燃料電池式の駆動部を備える車両の事故により引き起こされるタンク装置の損傷時、またはタンク装置の管路の破損時、タンク容器を閉鎖するので、ガスは、タンク装置から流出し得ない。

独国特許出願公開第１０２０１８２０１０５５号明細書

遮断弁に対する高い安全要求に基づいて、かつ例えば８００ｂａｒ以上の高いシステム圧に基づいて、このような遮断弁は、構造的に極めて要求度が高く、かつ大きな取り付けスペースを占めている。このことは、他方、タンク装置全体の総重量を高めてしまい、このことは、例えば燃料電池式の駆動部を備える車両の事故の際、生じる高い加速力と、弁装置またはタンク装置の起こり得る変形とにつながることがある。

請求項１の特徴部に記載の特徴を備える本発明に係るタンク装置は、これに対して、構造的に簡単かつ省コストに、コンパクトに設計された開放力の低い安全弁を備えるタンク装置が提供されるという利点を有している。

このために、ガス状の媒体、特に水素を貯蔵するタンク装置は、弁装置とタンク容器とを備えている。弁装置は、弁ハウジングを有し、弁ハウジング内には、タンク装置の長手方向軸線に沿って可動のパイロット制御弁要素が配置されている。パイロット制御弁要素は、貫通開口の開放および閉鎖のために第１のシール座と協働し、パイロット制御弁を形成している。さらに弁装置は、磁石コイルを有し、磁石コイルにより、パイロット制御弁要素は、タンク装置の長手方向軸線に沿って可動である。弁ハウジング内には、主弁要素が配置されており、主弁要素は、貫通開口の開放および閉鎖のために第２のシール座と協働し、主弁を形成し、第２のシール座は、円錐形の段部として弁ハウジングに形成されている。さらにパイロット制御弁要素の一方の端部に永久磁石が配置されており、永久磁石は、永久磁石のプラス極要素が弁装置のハウジングカバーに向かって配置され、かつ永久磁石のマイナス極要素がタンク容器に向かって配置されているように、弁装置内に配置されている。さらに永久磁石は、磁石コイルの通電時、磁石コイルにより発生される継続磁界のプラス極領域内に配置されている。

したがって簡単に、磁束を最適に形成することが達成され得る。二段階の開放プロセスは、さらに弁装置の開放のために低い磁気の力しか必要としない。したがって低い所要電流および所要エネルギ、ひいてはポジティブなエネルギ収支が達成される。

本発明の第１の有利な発展形において、弁装置は、磁石コイルの通電時、タンク容器に向かって開放可能である。したがって構造的に簡単かつ低コストのタンク装置が達成される。

本発明の別の構成において、有利には、弁ハウジングと、主弁要素の、貫通開口の開放および閉鎖のために第２のシール座と協働する一体成形部との間に、絞り通路が形成されており、絞り通路は、第２のシール座とは反対方向に向かって円錐形の拡張を示し、これにより絞り作用が形成されている。

本発明の有利な発展形において、貫通開口は、弁ハウジング内において絞り通路の高さに形成されており、絞り通路内に開口している。有利には、弁ハウジング内にチャンバが形成されており、チャンバは、貫通開口により絞り通路に接続されている。したがって構造的に簡単に弁装置の開放プロセスが促進される。

本発明の有利な発展形において、有利には、弁装置は、タンク装置のネック領域内に配置されており、ネック領域内のタンクベースに押し当てられている。ネック領域内の弁装置の構造的な設計に基づいて、より少ない圧力作用面が達成され、このことは、より小さな軸方向の押圧力を結果として伴う。高圧時、より少ない圧力作用面は、構成部材負荷に関して高い負荷軽減を示し、このことは、タンク装置全体および弁装置のより少ない変形、少ない摩耗や、シール性に対する影響、そして高められた寿命に反映される。

本発明の別の構成において、有利には、タンクベース内に取り出し開口が形成されており、取り出し開口は、タンク容器内室とチャンバとを互いに流体接続する。構造的に簡単に、それゆえ弁装置の内部は、タンク装置のタンク内室に接続され得る。

本発明の有利な発展形において、パイロット制御弁要素は、段部を有し、段部に、ばねが支持されており、パイロット制御弁要素に対して、パイロット制御弁要素の一方の端部に向かう力が加えられている。

本発明の別の構成において、有利には、第１のシール座は、主弁要素に形成されている。

本発明の有利な発展形において、主弁要素に対して、ばねにより、タンク容器内室に向かう力が加えられており、これにより主弁要素に対して、第１のシール座に向かい、かつ第２のシール座とは反対方向に向かう力が加えられている。

本発明の別の構成において、有利には、弁ハウジング内に内室が形成されており、内室は、主弁要素により第１の部分内室と第２の部分内室とに区画されている。

本発明の有利な発展形において、第１の部分内室は、弁ハウジング内に形成されるリリーフ通路によりフィード管路に接続されており、フィード管路は、消費システムのフィード領域に接続可能である。

これにより弁装置の開放プロセスは、促進されることができ、必要とする磁気の力は、僅かである。それというのも、開放プロセスは、弁装置の構造的な設計に基づいて空気圧の力により補助されるからである。

本発明の別の構成において、有利には、第１の部分内室と第２の部分内室とは、第１のシール座および／または第２のシール座により流体接続可能である。

説明したタンク装置は、好ましくは、燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転用の水素を貯蔵するために好適である。

燃料電池の運転用の水素を貯蔵する説明したタンク装置は、さらに有利には、燃料電池駆動の車両において好適である。

水素を貯蔵する説明した装置は、さらに有利には、水素駆動の車両、すなわち、駆動部として水素エンジンを備える車両において好適である。

図面には、ガス状の媒体、特に水素を貯蔵する本発明に係るタンク装置の実施例を示してある。

弁装置を備える本発明に係るタンク装置の一実施例の縦断面図である。 図１に示した本発明に係るタンク装置の磁石コイルの領域を拡大して示す抜粋図である。

図１は、長手方向軸線４８を有する本発明に係るタンク装置１の一実施例を縦断面図で、かつ簡略化した図で示しており、タンク装置１は、長手方向軸線４８を中心に回転対称に形成されている。

タンク装置１は、タンク容器２００と弁装置１００とを備え、弁装置１００は、部分的にタンク容器２００内に収容されている。タンク容器２００は、タンク容器ハウジング２０２を有し、タンク容器ハウジング２０２内には、タンク容器内室２０１が形成されている。

さらにタンク容器２００は、ネック領域２０３を有し、弁装置１００は、ネック領域２０３内に部分的に収容されている。この場合、弁装置１００は、タンクベース１４０に支持されており、タンクベース１４０は、ネック領域２０３とタンク容器内室２０１との間に配置されており、タンク容器内室２０１は、ネック領域２０３から仕切られている。

弁装置１００は、弁ハウジング１０２を有し、弁ハウジング１０２内には、磁石コイル３２が配置されており、磁石コイル３２には、電気的な接続部３０により電流が供給可能である。この場合、電気的な接続部３０のフィードスルーは、磁化可能なハウジングカバー２８内に形成されている。

パイロット制御弁要素２４の一方の端部４２に永久磁石１７が配置されており、永久磁石１７は、プラス極要素１７０とマイナス極要素１７１とを有している。永久磁石１７のプラス極要素１７０は、この場合、弁装置１００のハウジングカバー２８に向かって、かつ永久磁石１７のマイナス極要素１７１は、タンク容器２００に向かって配置されている。さらに永久磁石１７は、永久磁石１７が、磁石コイル３２の通電時、磁石コイル３２により発生される継続磁界５２のプラス極領域５１内に配置されているように、弁装置１００内に配置されている。

さらにハウジングカバー２８は、ここでは非磁性材料から製造されており、これにより、磁石コイル３２の通電時、磁力の場、ひいてはパイロット制御弁要素２４の運動方向をタンク容器内室２０１へと向かわせることができる。

さらに弁ハウジング１０２内には、内室４５が形成されており、内室４５内には、パイロット制御弁要素２４と主弁要素１２とが配置されている。

パイロット制御弁要素２４は、長手方向軸線４８に対して同軸に配置されており、段状の空所と、丸み付けられた段部４３とを有し、丸み付けられた段部４３は、反対側に位置する端部において段４３０として形成されている。この段４３０には、ばね１６が支持されており、ばね１６は、同じくタンクベース１４０に支持されており、パイロット制御弁要素２４に対して、磁石コイル３２に向かう、図１で見て上向きの力を加えている。

パイロット制御弁要素２４に対して平行に、主弁要素１２が配置されており、主弁要素１２は、略Ｌ字形に一体成形部３７を有して形成されている。付加的に主弁要素１２は、貫通開口２０を有し、貫通開口２０を通して、第１の部分内室４５０と第２の部分内室４５１とが流体接続可能である。内室４５は、主弁要素１２により第１の部分内室４５０と第２の部分内室４５１とに分けられている。

主弁要素１２は、ばね２２により付勢されており、ばね２２によって、丸み付けられた段部４３に押し付けられる。ばね２２は、弁ハウジング１０２に支持されている。主弁要素１２には、これにより第１のシール座１８が形成されており、第１のシール座１８は、主弁要素１２とともに、第１の部分内室４５０と第２の部分内室４５１との間の接続の開放および閉鎖のために、ひいては貫通開口２０の開放および閉鎖のために協働し、パイロット制御弁２４０を形成している。

パイロット制御弁要素２４により、主弁要素１２に対して、ばね２２の力とは反対方向の力が加えられ、主弁要素１２は、主弁要素１２の一体成形部３７でもって、弁ハウジング１０２に円錐形に形成される第２のシール座６に押し付けられる。閉鎖する力は、この場合、タンク容器内室２０１内の圧力と、ばね１６の力とにより補助される。閉鎖する力は、オフにされ通電されていない状態で、主弁要素１２の確実な閉鎖を提供する。これにより主弁要素１２は、弁ハウジング１０２内に形成される貫通開口８の開放および閉鎖のために第２のシール座１８と協働し、主弁１２０を形成している。

弁ハウジング１０２と、主弁要素１２の一体成形部３７との間には、絞り通路３８が形成されており、絞り通路３８は、第２のシール座６とは反対方向に向かって円錐形の拡張を示し、これにより絞り作用が形成されている。

貫通開口８は、絞り通路３８の高さに形成されており、絞り通路３８内に開口している。さらに貫通開口８は、弁ハウジング１０２内に形成されるチャンバ３５内に開口しており、チャンバ３５は、タンクベース１４０内に形成される取り出し開口１４を介してタンク容器内室２０１に接続されている。

第１の部分内室４５０は、弁ハウジング１０２内に形成されるリリーフ通路２によりフィード管路４０に接続されており、フィード管路４０は、消費システムのフィード領域に接続可能である。リリーフ通路２内には、システム圧ｐ_１が形成される。

タンク装置１の機能形式は、以下の通りである：磁石コイル３２の非通電の状態で、第１のシール座１８と第２のシール座６とは、閉鎖されており、その結果、ガス状の媒体、ここでは水素は、タンク容器内室２０２から弁装置１００を介してフィード管路４０内に、例えば消費システムのフィード領域に向かって流動し得ない。

電気的な接続部３０を介した磁石コイル３２の通電時、継続磁界５２が形成され、継続磁界５２は、プラス極領域５１とマイナス極領域５０とを有している。永久磁石１７は、この場合、磁石コイル３２により発生される継続磁界５２のプラス極領域５１内に位置している。継続磁界５２内における永久磁石１７の互いに反発する磁力に基づき、パイロット制御弁要素２４は、ハウジングカバー２８から離れる方向に移動し、ばね１６を圧縮する。パイロット制御弁要素２４の長手方向運動により、パイロット制御弁要素２４は、第１のシール座１８から離座し、第２の部分内室４５１から第１の部分内室４５０への開放横断面と、貫通開口２０とを解放する。

取り出し開口１４と、チャンバ３５と、貫通開口８と、絞り通路３８とを介して、第２の部分内室４５１は、タンク容器内室２０１に流体接続されており、その結果、第２の部分内室４５１には、水素が充填されている。リリーフ通路２へと向かう、ひいてはフィード管路４０内への水素の流出によって、媒体減少に応じてこの圧力システムにより、均衡のとれた圧力レベルが主弁要素１２の周りに形成される。

絞りとしての絞り通路３８の構造的な構成により、この開放プロセス中、絞り通路３８を介して後から流れ込むよりも多くの媒体、ここでは水素が、貫通開口２０を介して流れ出すことが可能である。こうして、付加的な開放する力が、主弁要素１２に対して作用する。加えて、第２の部分内室４５１内の圧力は、降下される。

第１のシール座１８の短い開放時間後、パイロット制御弁要素２４は、圧力補償されており、このことは、主弁要素１２の圧力均衡に至る。

ばね２２が、主弁要素１２を開放力で押しているため、ばね２２の力は、第２のシール座６の解放を補助し、その結果、主弁要素１２は、第２のシール座６から離座し、貫通開口８と第１の部分内室４５０との間の開放横断面を解放する。

水素は、タンク容器内室２０１から貫通開口８を介して直接第１の部分内室４５０内にリリーフ通路２に向かって、ひいてはフィード管路４０内へ流動する。

第１のシール座１８および第２のシール座６は、解放されており、両開放横断面を介して水素は、タンク容器内室２０１から弁装置１を介してフィード管路４０内に、例えば消費システムのフィード領域に向かって流動する。

第１のシール座１８における開放横断面が、第２のシール座６における開放横断面より小さいとき、僅かな磁気の力だけが、第１のシール座１８におけるパイロット制御弁要素２４の開放プロセスのために必要とされる。

磁石コイル３２の通電が中断されると、継続磁界５２、ひいては、永久磁石１７と、磁石コイル３２の継続磁界５２との反発する磁力は、消散し、パイロット制御弁要素２４および主弁要素１２に対する閉鎖する力が、ばね１６を介して導入される。タンク容器内室２０１内の、例えば１５～１０００ｂａｒのかかっている圧力ｐ_２に応じて、閉鎖する力は、タンク装置１のネック領域２０３内の圧力とともに、パイロット制御弁要素２４と第１のシール座１８とを介して、第２のシール座６を有する主弁要素１２に導入される。

第１のシール座１８も、第２のシール座６も、今や再び遮断されており、その結果、水素は、もはやタンク容器内室２０１から弁装置１００を介して例えば消費システムのフィード領域に向かって流動し得ない。自動で閉鎖するこの原理は、非常時に、電流供給が断たれても、機能する。この場合、しかし、所望される力のフローとは反対方向に作用するばね２２の力が、過度に高く選択されてはならず、相応に調整されていなければならない点に留意することが重要である。したがって非常時に、水素がタンク装置１から漏れ得ないことが保証される。

タンク充填の際は、リリーフ通路２に、接続されるタンクユニット、例えばタンクステーションを介して圧力が供給される。その際、リリーフ通路２内におけるかかっている圧力は、残りの弁装置１００内におけるより大きい。異なる圧力レベルにより、第２のシール座６における圧力比は、残りの弁装置１００内におけるより大きく、その結果、主弁要素１２は、パイロット制御弁要素２４をばね１６の力とは反対方向にタンク容器内室２０１に向かって押圧する。タンク装置１は、今や解放された第２のシール座６を介して、そして貫通開口８を介して、タンクプロセスが完了するまで、充填され得る。タンクプロセスが終了すると、さらなる充填は行われず、その結果、主弁要素１２の周りの圧力は、均衡する。ばね１６の力は、ｐ_２＞ｐ_１から生じる差圧とともに、再び第１のシール座１８および第２のシール座６の閉鎖を提供する。

ガス状の媒体を貯蔵するタンク装置１は、燃料電池駆動の車両の他、例えば駆動部として水素エンジンを備える車両内での水素貯蔵にも使用可能である。

１ タンク装置
２ リリーフ通路
６ 第２のシール座
８ 貫通開口
１２ 主弁要素
１４ 取り出し開口
１６ ばね
１７ 永久磁石
１８ 第１のシール座
２０ 貫通開口
２２ ばね
２４ パイロット制御弁要素
２８ ハウジングカバー
３０ 電気的な接続部
３２ 磁石コイル
３５ チャンバ
３６ 段部
３７ 一体成形部
３８ 絞り通路
４０ フィード管路
４２ 端部
４３ 段部
４５ 内室
４８ 長手方向軸線
５０ マイナス極領域
５１ プラス極領域
５２ 継続磁界
１００ 弁装置
１０２ 弁ハウジング
１２０ 主弁
１４０ タンクベース
１７０ プラス極要素
１７１ マイナス極要素
２００ タンク容器
２０１ タンク容器内室
２０２ タンク容器ハウジング
２０３ ネック領域
２４０ パイロット制御弁
４３０ 段
４５０ 第１の部分内室
４５１ 第２の部分内室
ｐ_１ システム圧
ｐ_２ 圧力

Claims (15)

1. ガス状の媒体、特に水素を貯蔵するタンク装置（１）であって、弁装置（１００）とタンク容器（２００）とを備え、前記弁装置（１００）は、弁ハウジング（１０２）を有し、前記弁ハウジング（１０２）内に、前記タンク装置（１００）の長手方向軸線（１０１）に沿って可動のパイロット制御弁要素（２４）が配置されており、前記パイロット制御弁要素（２４）は、貫通開口（２０）の開放および閉鎖のために第１のシール座（１８）と協働し、パイロット制御弁（２４０）を形成し、前記弁装置（２）は、磁石コイル（３２）を有し、前記磁石コイル（３２）により、前記パイロット制御弁要素（２４）は、前記タンク装置（１）の前記長手方向軸線（１０１）に沿って可動であり、前記弁ハウジング（１０２）内に、主弁要素（１２）が配置されており、前記主弁要素（１２）は、貫通開口（８）の開放および閉鎖のために第２のシール座（６）と協働し、主弁（１２０）を形成し、前記第２のシール座（６）は、円錐形の段部（３６）として前記弁ハウジング（１０２）に形成されている、
   タンク装置（１）において、
   前記パイロット制御弁要素（２４）の一方の端部（４２）に永久磁石（１７）が配置されており、前記永久磁石（１７）は、前記永久磁石（１７）のプラス極要素（１７０）が前記弁装置（１００）のハウジングカバー（２８）に向かって配置され、かつ前記永久磁石（１７）のマイナス極要素（１７１）が前記タンク容器（２００）に向かって配置されているように、前記弁装置（１００）内に配置されており、前記永久磁石（１７）は、磁石コイル（３２）の通電時、前記磁石コイル（３２）により発生される継続磁界（５２）のプラス極領域（５１）内に配置されている、
   ことを特徴とするガス状の媒体、特に水素を貯蔵するタンク装置（１）。
2. 前記弁装置（２）は、磁石コイル（３２）の通電時、前記タンク容器（２００）に向かって開放可能であることを特徴とする請求項１のタンク装置（１）。
3. 前記弁ハウジング（１０２）と、前記主弁要素（１２）の、前記貫通開口（８）の開放および閉鎖のために前記第２のシール座（６）と協働する一体成形部（３７）との間に、絞り通路（３８）が形成されており、前記絞り通路（３８）は、前記第２のシール座（６）とは反対方向に向かって円錐形の拡張を示し、これにより絞り作用が形成されていることを特徴とする請求項１または２のタンク装置（１）。
4. 前記貫通開口（８）は、前記弁ハウジング（１０２）内において前記絞り通路（３８）の高さに形成されており、前記絞り通路（３８）内に開口していることを特徴とする請求項３のタンク装置（１）。
5. 前記弁ハウジング（１０２）内にチャンバ（３５）が形成されており、前記チャンバ（３５）は、前記貫通開口（８）により前記絞り通路（３８）に接続されていることを特徴とする請求項３または４のタンク装置（１）。
6. 前記弁装置（１００）は、前記タンク装置（１）のネック領域（２０３）内に配置されており、前記ネック領域（２０３）内のタンクベース（１４０）に押し当てられていることを特徴とする請求項５のタンク装置（１）。
7. 前記タンクベース（１４０）内に取り出し開口（１４）が形成されており、前記取り出し開口（１４）は、タンク容器内室（２０１）と前記チャンバ（３５）とを互いに流体接続することを特徴とする請求項６のタンク装置（１）。
8. 前記パイロット制御弁要素（２４）は、段部（４３）を有し、前記段部（４３）に、ばね（１６）が支持されており、前記パイロット制御弁要素（２４）に対して、前記パイロット制御弁要素（２４）の前記一方の端部（４２）に向かう力を加えていることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項のタンク装置（１）。
9. 前記第１のシール座（１８）は、前記主弁要素（１２）に形成されていることを特徴とする請求項１から８までのいずれか１項のタンク装置（１）。
10. 前記主弁要素（１２）に対して、ばね（２２）により、前記タンク容器内室（２０１）に向かう力が加えられており、これにより前記主弁要素（１２）に対して、前記第１のシール座（１８）に向かい、かつ前記第２のシール座（６）とは反対方向に向かう力が加えられていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項のタンク装置（１）。
11. 前記弁ハウジング（１０２）内に内室（４５）が形成されており、前記内室（４５）は、前記主弁要素（１２）により第１の部分内室（４５０）と第２の部分内室（４５１）とに区画されていることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項のタンク装置（１）。
12. 前記第１の部分内室（４５０）は、前記弁ハウジング（１０２）内に形成されるリリーフ通路（２）によりフィード管路（４０）に接続されており、前記フィード管路（４０）は、消費システムのフィード領域に接続可能であることを特徴とする請求項１１のタンク装置（１）。
13. 前記第１の部分内室（４５０）と前記第２の部分内室（４５１）とは、前記第１のシール座（１８）および／または前記第２のシール座（６）により流体接続可能であることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項のタンク装置（１）。
14. 燃料電池の運転用の水素を貯蔵する請求項１から１３までのいずれか１項のタンク装置（１）を備える燃料電池システム。
15. 燃料電池の運転用の水素を貯蔵する請求項１から１３までのいずれか１項のタンク装置（１）を備える燃料電池駆動の車両。

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