JP2023547420A - 気体状の媒体を貯蔵するためのタンク装置 - Google Patents

Abstract

気体状の媒体を、特に水素を貯蔵するためのタンク装置（１）において、バルブ装置（２）と、タンク（１０）と、長軸（１１）とを有する。バルブ装置（２）はバルブハウジング（２０）を有し、該バルブハウジング（２０）の中に長軸（１１）に沿って可動のパイロットバルブ部材（１８）が配置され、該パイロットバルブ部材（１８）は第１の流出開口部（５６）を開閉するために第１のバルブシート（２７）と協同作用し、そのようにしてパイロットバルブ（４４）を構成する。バルブ装置（２）は磁気コイル（１４）によって作動可能であり、バルブハウジング（２０）の中にマスタバルブ部材（１９）が配置され、該マスタバルブ部材（１９）は第２の流出開口部（３１）を開閉するために第２のバルブシート（４０）と協同作用し、そのようにしてマスタバルブ（１９１）を構成する。タンク装置（１）はねじ込みハウジング部材（２４）を含み、バルブ装置（２）はねじ込みハウジング部材（２４）によってタンク（１０）のネック領域（６）に固定的に統合される。バルブ装置（２）はタンク（１０）内のタンク圧力によって、およびばね（２６）によって、オフになった磁気コイル（１４）のもとで閉止された位置に配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体状の媒体を貯蔵するための、特に水素を貯蔵するための、たとえば燃料電池駆動部を有する車両で適用するための、または水素燃焼器を駆動部として有する車両で適用するための、タンク装置に関する。

特許文献１は、制御弁を有し、配管システムを介して出力配管と接続された、少なくとも１つの貯蔵ユニットを有するタンク装置を記載している。この場合、少なくとも１つの貯蔵ユニットの少なくとも１つの制御弁がマスタバルブとして構成され、少なくとも１つの貯蔵ユニットの少なくとも１つの制御弁がスレーブバルブとして構成され、マスタバルブとスレーブバルブは別様に構成される。

このようなタンク装置のための安全装置は標準化されている。その場合、各々のタンク装置がこのような遮蔽弁を有さなくてはならない。そのようにして遮蔽弁は、燃料電池駆動部を有する車両の事故によって引き起こされるタンク装置の損傷のときに、あるいはタンク装置の配管が破損したときに、タンク容器を閉止することができ、それによりガスがタンク装置から漏出し得なくなる。

遮蔽弁に関わる高い安全要求事項に基づき、および、たとえば８００バールまたはそれ以上の高いシステム圧力に基づき、このような遮蔽弁は設計的に非常なチャレンジであり、広い設計スペースを有する。このことは、ひいてはタンク装置全体の総重量を増やし、このことは、燃料電池駆動部を有する車両の事故の発生時に発生する高い加速度力や、バルブ装置またはタンク装置の考えられる変形につながり得る。

独国特許出願公開第１０２０１８２０１０５５号明細書

それに対して請求項１の特徴部の構成要件を有する本発明のタンク装置は、正のエネルギーバランスをもって、および安全性関連のあらゆる基準の順守をもって、安全弁を有するコンパクトに設計されたタンク装置が設計的に簡素な方式で提供されるという利点を有する。

そのために、気体状の媒体を、特に水素を貯蔵するためのタンク装置は、バルブ装置と、タンクと、長軸とを有する。さらにバルブ装置はバルブハウジングを有し、該バルブハウジングの中に、長軸に沿って可動のパイロットバルブ部材が配置される。パイロットバルブ部材は第１の流出開口部を開閉するために第１のバルブシートと協同作用し、そのようにしてパイロットバルブを構成する。さらに、バルブ装置は磁気コイルによって作動可能である。バルブハウジングの中にマスタバルブ部材が配置され、該マスタバルブ部材は第２の流出開口部を開閉するために第２のバルブシートと協同作用し、そのようにしてマスタバルブを構成する。さらにタンク装置はねじ込みハウジング部材を含み、バルブ装置はねじ込みハウジング部材によってタンクのネック領域に固定的に統合される。これに加えてバルブ装置はタンク内のタンク圧力によって、およびばねによって、オフになった磁気コイルのもとで閉止された位置に配置される。

このようにして、統合型の設計形態に基づいて安全性要求を満たすとともにコスト削減を達成する、コンパクトに設計された二重切換式の遮蔽弁を実現することができる。さらに、特にオフになった磁気コイルのもとで、気体状の媒体が、特に水素が、バルブ装置を介してタンクから逃げ得ないことが確保される。というのもタンクと通過通路との間の圧力差に基づき、およびばねの力に基づき、パイロットバルブ部材がバルブシートに押圧されるからである。

さらに、バルブ装置をタンクの外部に配置するという構造上の設計に基づき、および、その結果として生じる縮小された圧力作用面に基づき、明らかに低い軸方向押圧力がもたらされる。このように小さくなった圧力作用面は、高い圧力のもとでコンポーネント負荷を著しく低減し、このことはいっそう少ない変形、摩耗、および密閉性への影響に反映され、それに伴ってタンク装置のいっそう長い耐用寿命が実現される。

第１の好ましい発展例では、ねじ込みハウジング部材は、第１のねじ山を備えた付加成形部と、第２のねじ山を備えたカップ状の端部とを有することが意図される。

本発明の別の実施形態では、ねじ込みハウジング部材に貫通通路が構成されていて、該貫通通路を介してタンクがバルブ装置と接続されることが意図されるのが好ましい。このことは、特に事故が発生した場合に、タンク全体のいっそう高いロバスト性につながる。

好ましい発展例では、第２のバルブシートはバルブハウジングおよび流出開口部の下流側に構成され、円筒状の流出開口部は円筒状の通過通路に連通し、通過通路の直径Ｄは流出開口部の直径ｄよりも大きいことが意図される。このようにして相応の圧力状況により、力がバルブ装置に対してバルブ装置の閉じた位置の方向に及ぼされる。

本発明の別の実施形態では、通過通路はテーパ状の移行領域によって流出開口部へと移行することが意図されるのが好ましい。

好ましい発展例では、タンク装置は固定部材を有し、該固定部材によってバルブ装置がねじ込みハウジング部材と固定的に結合され、そのようにしてバルブ装置がねじ込みハウジング部材に固定される。

本発明の別の実施形態では、通過通路は、バルブハウジングに構成された流入開口部によって、およびねじ込みハウジング部材の貫通通路によって、タンク内部空間と接続可能であることが意図されるのが好ましい。そのようにして簡易な方式で、タンクからの気体状の媒体の流動断面積を制御可能である。

好ましい発展例では、パイロットバルブ部材の切欠きにばねが配置されてばね室が構成され、該ばねによってパイロットバルブ部材とマスタバルブ部材とがバルブシートの方向に力で付勢されることが意図される。このようにして、ばねの力によって、およびタンクと貫通通路の間の圧力差によって、パイロットバルブ部材がバルブシートに押圧されることを保証することができる。そのようにして、通電されていない磁気コイルのもとでバルブ装置の密閉性が保証される。

本発明の別の実施形態では、パイロットバルブ部材は縦開口部と横穴とを有し、該縦開口部と該横穴はばね室と流体接続されることが意図されるのが好ましい。そのようにして、バルブ装置を通して気体状の媒体を最善の方式で案内することができる。

好ましい発展例では、バルブハウジングとマスタバルブ部材との間に制御室が構成され、該制御室の中にばねが配置され、該ばねは第２のバルブシートの方向と反対向きの力でマスタバルブ部材を付勢する。

本発明の別の実施形態では、マスタバルブ部材は排出通路を有し、該排出通路は通過開口部に連通し、通過開口部は流出開口部に連通することが意図されるのが好ましい。

好ましい発展例では、第１のバルブシートはマスタバルブ部材に構成され、第２のバルブシートはバルブハウジングに構成されることが意図される。

上述したタンク装置は、燃料電池機構で燃料電池の動作のための水素を貯蔵するのに好ましく適している。

さらに上述したタンク装置は、燃料電池駆動型の車両で水素を貯蔵するのに適している。

さらに上述したタンク装置は、たとえば水素燃焼器を駆動部として有する車両などの水素駆動型の車両で水素を貯蔵するのに適している。

図面には、気体状の媒体を、特に水素を貯蔵するための本発明によるタンク装置の実施例が示されている。

バルブ装置を有する本発明によるタンク装置の実施例を示す縦断面図である。

図１には、気体状の媒体のための、長軸１１を有する本発明によるタンク装置１の実施例が示されている。タンク装置１はタンク１０とバルブ装置２とを有している。タンク１０はタンクハウジング４７を有していて、その中にタンク内部空間１００が形成されている。さらにタンクハウジング４７はネック領域６を含んでいて、これにバルブ装置２がねじ込みハウジング部材２４によって統合されている。

ここではネック領域６にねじ山の形態の結合個所が取り付けられており、それにより、バルブ装置２をねじ込みハウジング部材２４によってタンク１０にねじ込むことができる。さらに、バルブ装置２とねじ込みハウジング部材２４をたとえばねじ止めによって互いに固定的に結合する固定部材１２が設けられる。

そのためにねじ込みハウジング部材２４は、第１のねじ山２４１が形成された付加成形部２４０を有しており、それによりこれを簡易な方式でタンク１０のネック領域６に挿入することができる。これに加えてねじ込みハウジング部材２４は、バルブ装置２が中に収容されるカップ状の端部２４２を有している。さらにカップ状の端部２４２は、ねじ込みハウジング部材２４にバルブ装置２を固定するときに固定部材１２をねじ結合することができる、第２のねじ山２４３を有している。

ねじ込みハウジング部材２４には貫通通路２４４が形成されており、それにより気体状の媒体を、特に水素を、そのような方式でバルブ装置２を介してタンク内部空間１００から円筒状の通過通路８０を介して、たとえば燃料電池機構の燃料電池のアノード領域に供給可能である。

バルブ装置２は、円筒状の流入開口部２８が中に形成されたバルブハウジング２０を有しており、流入開口部２８はねじ込みハウジング部材２４の貫通通路２４４に連通する。バルブ装置２への流入も流出も、ここではタンク装置１の長軸１１に対して軸方向に行われる。

さらにバルブハウジング２０の中に磁気コイル１４が収容されて統合されており、磁気コイル１４は支持部材２２によりバルブハウジング２０の中で固定されるとともに、支持部材２２にあるシール部材によってバルブ装置２の内部領域に対して封止されている。磁気コイル１４は、ここでは電気接続部３０を通じて作動可能である。

バルブハウジング２０の中に、長軸１１に沿って可動のパイロットバルブ部材１８が配置されている。パイロットバルブ部材１８は、ばね室２５が中に構成された切欠き４５を有している。このばね室２５の中に、ばね２６が配置されている。さらにパイロットバルブ部材１８は、ばね室２５と流体接続された縦開口部３３と横穴１８０とを有している。さらに、ばね室２５は流入開口部２８に連通する。

さらにバルブ装置２の中に、マスタバルブ部材１９がパイロットバルブ部材１８に対して同軸に配置されており、マスタバルブ部材１９はパイロットバルブ部材１８を部分的に包囲する。マスタバルブ部材１９には、パイロットバルブ部材１８の横穴１８０に連通する横穴１９０が形成されている。さらにマスタバルブ部材１９は、通過開口部５７に連通する第１の流出開口部５６を有している。これがさらに第２の流出開口部３１に連通する。

マスタバルブ部材１９には、第１の流出開口部５６を開閉するためにパイロットバルブ部材１８と協同作用し、そのようにしてパイロットバルブ４４を構成する第１のバルブシート２７が構成されている。

バルブハウジング２０には、第２の流出開口部３１を開閉するためにマスタバルブ部材１９と協同作用し、そのようにしてマスタバルブ１９１を構成する第２のバルブシート４０が構成されている。さらに第２のバルブシート４０は、バルブハウジング２０および第２の流出開口部３１の下流側に構成されている。

バルブハウジング２０とマスタバルブ部材１９との間には制御室３２が形成されていて、その中に、第２のバルブシート４０の方向と逆向きの力でマスタバルブ部材１９を付勢するばね７が配置されている。

ばね室２５の中のばね２６は、第２のバルブシート４０の方向の力でパイロットバルブ部材１８とマスタバルブ部材１６を付勢する。さらにばね２６は、一方ではねじ込みハウジング部材２４に支持され、他方ではパイロットバルブ部材１８に支持されている。

通過通路８０は、テーパ状の移行領域３６によって第２の流出開口部３１に連通し、通過通路８０は直径Ｄを有し、第２の流出開口部３１は直径ｄを有する。通過通路８０の直径Ｄは、第２の流出開口部３１の直径ｄよりも大きい。

バルブハウジング２０はここでは多部分で構成されており、それにより、磁気コイル１４は多部分のバルブハウジング２０の間に収容されて統合される。さらに、バルブ装置２は磁気コイル１４によって作動可能である。

さらに、タンク１０内の圧力ｐ_２は、通過通路８０内の圧力ｐ_１よりも高くなっており、それにより、ばね２６の力に加えて、さらなる閉止力がパイロットバルブ部材１８とマスタバルブ部材１９とに対して作用し、バルブ装置１は無通電の磁気コイル１４のもとで閉じた位置に配置される。

バルブ装置２の機能形態は次のとおりである：磁気コイル１４が通電されると磁場が形成され、このことは、ねじ込みハウジング部材２４とパイロットバルブ部材１８との間の力作用につながる。それにより、パイロットバルブ部材１８に対する磁力が生成され、この磁力は、ばね２６の力および気体状の媒体により生成される圧縮力と反対に向けられている。磁力が十分に高くなると、パイロットバルブ部材１８が第１のバルブシート２７から持ち上げられ、流入開口部２８と通過通路８０の間の開放断面を解放する。すると気体状の媒体がタンク内部空間１００から流入開口部２８、ばね室２５、縦開口部３３、排出通路５６、および通過開口部５７を介して通過経路８０の中へ、引込配管５０を介して消費システムの取込領域５５の方向へと流れ、たとえば燃料電池機構のアノード領域の方向へと流れる。

このことは、通過通路８０が気体状の媒体で充填され、そのようにして圧力システムにより、補償作用をする圧力レベルがマスタバルブ部材１９の周囲で生成されることにつながる。このとき、パイロットバルブ部材１８での圧力レベルに匹敵する圧力レベルが時間とともに生じる。マスタバルブ部材１９の圧力補償性により、これがばね７の力によって第２のバルブシート４０から持ち上げられ、そのようにして、広い開放断面すなわち主開口部２８と制御室３２との間の接続を開く。そのようにして気体状の媒体が第２のバルブシート４０を介してもタンク内部空間１００から流入開口部２８、ばね室２５、縦開口部３３、パイロットバルブ部材１８の横穴１８０、マスタバルブ部材１９の横穴１９０を介して、制御室３２を通って通過通路８０の中へ引込配管５０を介して消費システムの取込領域５３の方向へと、たとえば燃料電池機構のアノード領域の方向へと、流れる。

磁気コイル１４の通電が中断されると磁界が消滅し、パイロットバルブ部材１８およびマスタバルブ部材１９に対する閉止力がばね２６によって、およびバルブ装置２の空気圧の圧力状況によって及ぼされる。それによってパイロットバルブ部材１８とマスタバルブ部材１９が再び第１のバルブシート２７および第２のバルブシート４０の方向へと動き、そのようにして、第１のバルブシート２７および第２のバルブシート４０の開放断面を再び封止する。すると気体状の媒体は、タンク装置１からバルブ装置２を介して取込領域５３の方向に流れなくなる。

バルブ装置２の自動式の閉止の原理は、たとえば電流供給が停止したときなどの緊急時にも作用する。そのようにして水素がタンク装置１の中に閉じ込められ、管理不能な形で水素が周囲に放出されないことを保証することができる。

ここでは水素である気体状の媒体がタンク１０にタンク充填されるとき、流動方向は、外部のタンクステーション５４から引込配管５０とバルブ装置２を介してタンク内部空間１００の方向に進行する。タンク充填のときに通電されてはならないので、バルブ装置２は、バルブ装置２で生じる圧力状況を通じてバルブ装置２を加圧することができるように設計されていなければならない。タンク充電の場合には通過通路８０の圧力がマスタバルブ部材１９の領域におけるよりも高いので、ばね２６の力に抗して、およびタンク１０の中で生じている圧力に抗して、マスタバルブ部材１９を押圧して開放することができ、それによってタンク１０をたとえば水素などの気体状の媒体で充填することができるように、圧力状況が設計されていなければならない。タンク充填プロセスが終了するとただちに、第２のバルブシート４０の前後で同じ圧力状況が生じ、それによりバルブ装置２がばね２６の力を通じて再び閉じられる。それに伴い、ここでは外部のタンクステーション５４に接続される引込配管５０を介して、供給システムに水素が提供されるのと同一のバルブ装置２を通じてタンク内部空間１００を水素で充填することができる。

気体状の媒体を貯蔵するためのタンク装置１は、燃料電池駆動式の車両のほか、たとえば駆動部として水素燃焼器を有する車両での水素貯蔵にも利用することができる。

１ タンク装置
２ バルブ装置
６ ネック領域
７ ばね
１０ タンク
１１ 長軸
１２ 固定部材
１４ 磁気コイル
１８ パイロットバルブ部材
１９ マスタバルブ部材
２０ バルブハウジング
２４ ねじ込みハウジング部材
２５ ばね室
２６ ばね
２７ 第１のバルブシート
２８ 流入開口部
３１ 第２の流出開口部
３２ 制御室
３３ 縦開口部
３６ 移行領域
４０ 第２のバルブシート
４４ パイロットバルブ
４５ 切欠き
５６ 第１の流出開口部
５７ 通過開口部
８０ 通過通路
１００ タンク内部空間
１８０ 横穴
１９１ マスタバルブ
２４０ 付加成形部
２４１ 第１のねじ山
２４２ カップ状の端部
２４３ 第２のねじ山
２４４ 貫通通路

Claims (15)

1. 気体状の媒体を、特に水素を貯蔵するためのタンク装置（１）において、バルブ装置（２）と、タンク（１０）と、長軸（１１）とを有し、前記バルブ装置（２）はバルブハウジング（２０）を有し、該バルブハウジング（２０）の中に前記長軸（１１）に沿って可動のパイロットバルブ部材（１８）が配置され、該パイロットバルブ部材（１８）は第１の流出開口部（５６）を開閉するために第１のバルブシート（２７）と協同作用し、そのようにしてパイロットバルブ（４４）を構成し、前記バルブ装置（２）は磁気コイル（１４）によって作動可能であり、前記バルブハウジング（２０）の中にマスタバルブ部材（１９）が前記パイロットバルブ部材（１８）に対して同軸に配置され、該マスタバルブ部材（１９）は第２の流出開口部（３１）を開閉するために第２のバルブシート（４０）と協同作用し、そのようにしてマスタバルブ（１９１）を構成し、前記タンク装置（１）はねじ込みハウジング部材（２４）を含み、前記バルブ装置（２）は前記ねじ込みハウジング部材（２４）によって前記タンク（１０）のネック領域（６）に固定的に統合され、前記バルブ装置（２）は前記タンク（１０）内のタンク圧力によって、およびばね（２６）によって、オフになった前記磁気コイル（１４）のもとで閉止された位置に配置される、タンク装置。
2. 前記ねじ込みハウジング部材（２４）は、第１のねじ山（２４１）を備えた付加成形部（２４０）と、第２のねじ山（２４３）を備えたカップ状の端部（２４２）とを有することを特徴とする、請求項１に記載のタンク装置（１）。
3. 前記ねじ込みハウジング部材（２４）に貫通通路（２４４）が構成されていて、該貫通通路（２４４）を介して前記タンク（１０）が前記バルブ装置（２）と接続されることを特徴とする、請求項１または２に記載のタンク装置（１）。
4. 前記第２のバルブシート（４０）は前記バルブハウジング（２０）および前記第２の流出開口部（３１）の下流側に構成され、円筒状の前記流出開口部（３１）は円筒状の通過通路（８０）に連通し、前記通過通路（８０）の直径Ｄは前記流出開口部（３１）の直径ｄよりも大きいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
5. 前記通過通路（８０）はテーパ状の移行領域（３６）によって前記流出開口部（３１）へと移行することを特徴とする、請求項４に記載のタンク装置（１）。
6. 前記タンク装置（１）は固定部材（１２）を有し、該固定部材（１２）によって前記バルブ装置（２）が前記ねじ込みハウジング部材（２４）と固定的に結合され、そのようにして前記バルブ装置（２）が前記ねじ込みハウジング部材（２４）に固定されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
7. 前記通過通路（８０）は前記バルブハウジング（２０）に構成された流入開口部（２８）によって、および前記ねじ込みハウジング部材（２４）の貫通通路（２４４）によって、タンク内部空間（１００）と接続可能であることを特徴とする、請求項４または５に記載のタンク装置（１）。
8. 前記パイロットバルブ部材（１８）の切欠き（４５）に前記ばね（２６）が配置されてばね室（２５）が構成され、前記ばね（２６）によって前記パイロットバルブ部材（１８）と前記マスタバルブ部材（１６）とが前記第２のバルブシート（４０）の方向に力で付勢されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
9. 前記パイロットバルブ部材（１８）は縦開口部（３３）と横穴（１８０）とを有し、該縦開口部（３３）と該横穴（１８０）は前記ばね室（２５）と流体接続されることを特徴とする、請求項８に記載のタンク装置（１）。
10. 前記バルブハウジング（２０）と前記マスタバルブ部材（１９）との間に制御室（３２）が構成され、該制御室（３２）の中にばね（７）が配置され、該ばね（７）は前記第２のバルブシート（４０）の方向と反対向きの力で前記マスタバルブ部材（１９）を付勢することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
11. 前記マスタバルブ部材（１９）は排出通路（５６）を有し、該排出通路（５６）は通過開口部（５７）に連通し、前記通過開口部（５７）は前記流出開口部（３１）に連通することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
12. 前記第１のバルブシート（２７）は前記マスタバルブ部材（１９）に構成され、前記第２のバルブシート（４０）は前記バルブハウジング（２０）に構成されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載のタンク装置（１）。
13. 燃料電池の作動のための水素を貯蔵するために請求項１から１２のいずれか１項に記載のタンク装置（１）を有している燃料電池機構。
14. 圧縮流体を貯蔵するために請求項１から１２のいずれか１項に記載のタンク装置（１）を有している燃料電池駆動式の車両。
15. 水素を貯蔵するために請求項１から１２のいずれか１項に記載のタンク装置（１）を有している水素駆動式の車両。

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