WO2017080725A1

WO2017080725A1 - Sicherheitsventil für einen druckbehälter mit einer auslöseleitung

Info

Publication number: WO2017080725A1
Application number: PCT/EP2016/073894
Authority: WO
Inventors: Simon Hettenkofer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2016-10-06
Publication date: 2017-05-18
Also published as: US11092291B2; CN108139029A; DE102015222252A1; US20180328540A1; CN108139029B

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Sicherheitsventil 100 für einen Druckbehälter 200 mit einer Auslöseleitung 120, die sich von einer Druckentlastungseinheit 110 weg erstreckt; wobei ein Stoff S ein inneres Volumen I _ges der Auslöseleitung 120 ausfüllt; und wobei in der Auslöseleitung 120 mindestens ein Isolationselement 300 vorgesehen ist, welches ausgebildet ist, den Wärmetransport W_A in der Auslöseleitung 120 in Axialrichtung A der Auslöseleitung 120 zumindest zu reduzieren.

Description

Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einer Auslöseleitung

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einer Auslöseleitung sowie einen Druckbehälter mit einem solchen Sicherheitsventil. Insbesondere betrifft die Technologie einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff in einem Kraftfahrzeug.

Bei Druckbehältern besteht bei Einwirken eines thermischen Ereignisses (z.B. ein Fahrzeugbrand) auf den Druckbehälter die Gefahr des Berstens. Die Vorschriften (z.B. EC79 oder GTR (Global Technical Regulation

ECE/TRANS/WP.29/2013/41 )) fordern daher die Installation von mindestens einem thermischen Druckentlastungsventil (auch Thermal Pressure Release Device oder TPRD genannt) pro Druckbehälter. Bei Hitzeeinwirkung auf diese Sicherheitsventile (z.B. durch Flammen) wird das im Druckbehälter gespeicherte Medium in die Umgebung abgelassen. Die Sicherheitsventile lassen das Medium ab, sobald die Auslösetemperatur am Sicherheitsventil überschritten wird.

Das TPRD ist in der Regel an einem Ende eines Druckbehälters angeordnet. Bei langen Druckbehältern (> 1 ,65 m) sind mindestens zwei TPRDs vorgeschrieben. Sie sind i.d.R. in Längsrichtung des Druckbehälters angeordnet. Die Verwendung mehrerer Sicherheitsventile steigert die

Herstellkosten und den Platzbedarf. Trotzdem können die wenigen Ventile entlang der großen Druckbehälter jeweils nur ein räumlich stark begrenztes Einzugsgebiet berücksichtigen. Eine kleine lokale Flamme, die zwischen zwei Ventilen auf den Tank einwirkt, kann den Druckbehälter daher stark schädigen, ohne dass die Sicherheitseinrichtung aktiviert wird. Die durch die Hitzeeinwirkung einer lokalen Flamme entstehende Schädigung des

Druckbehälters, bspw. die Schädigung des lasttragenden

Faserverbundwerkstoffes, kann zum Versagen und im Extremfall zum

Bersten des Druckbehälters führen. An manchen kritischen Stellen kann eventuell kein TPRD vorgesehen werden, da hier nicht genügend Bauraum vorhanden ist (z.B. zwischen Tank und Mitteltunnel).

Aus der DE 10 201 1 1 14725 A1 ist ein Druckbehälter mit einer

Ventileinrichtung bekannt, die eine Sicherheitsvorrichtung aufweist. Die Sicherheitsvorrichtung umfasst eine Auslöseleitung, die in einem den

Druckbehälter umgebenden Gefahrenbereich angeordnet ist. Durch eine Druckänderung in der Auslöseleitung wird die Sicherheitsvorrichtung betätigt. Die Auslöseleitung ist aus Metall ausgebildet und mit einem Medium gefüllt. Der Druckanstieg in dem Medium soll die Sicherheitsvorrichtung betätigen. Eine weitere Vorrichtung ist aus der EP 1 655 533 B1 bekannt.

Findet das thermische Ereignis nicht unmittelbar an der Auslöseleitung statt, sondern in einem gewissen Abstand dazu, oder handelt es sich um einen vergleichsweise geringen Wärmestrom, kann die Wärmeeinwirkung auf das Medium evtl. nicht ausreichen, um die vergleichsweise große Menge an Medium ausreichend zu erwärmen. Die Sicherheitsvorrichtung löst dann nicht aus, obwohl der Druckbehälter durch das lokale thermische Ereignis beschädigt wird. Wird nur in einem relativ kleinen Bereich eine hohe (den Behälter schädigende) Temperatur eingebracht, so verteilt das Metallrohr und das Medium die eingebrachte Wärmemenge aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit auf eine relativ große Fläche. Das Rohr kann dann in den von der Wärmequelle entfernteren Bereichen die eingebrachte Wärmemenge wieder an die Umgebung abgeben. Zudem verringert sich aufgrund der Verteilung der Wärme die absolute Temperaturdifferenz zwischen Medium und Stahlrohr. Die vorgenannten Phänomene können dazu führen, dass das Sicherheitsventil den Druck nicht oder verspätet ablässt.

Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die aus dem Stand der Technik resultierenden Nachteile zu verringern oder zu beheben. Es ist ferner eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die

Sicherheit im Bereich eines Druckbehälters, und hier insbesondere im Bereich eines als Wasserstofftank eingesetzten Druckbehälters in einem Kraftfahrzeug, weiter zu verbessern, insbesondere einfach, effizient, klein und kostengünstig eine sicher und zuverlässig arbeitende thermische

Absicherung des Behälters bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier gezeigten Technologie, sicher lokale thermische Ereignisse zu erfassen, die beabstandet von einer Auslöseleitung vorkommen. Auch ist es ein Bestreben der hier gezeigten Technologie, dass bei einem thermischen Ereignis das Sicherheitsventil schneller und/oder präziser als vorbekannte Lösungen reagiert. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie.

Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte

Ausgestaltungen dar. Die Aufgabe wird insbesondere gelöst von einem Sicherheitsventil für einen Druckbehälter mit einer Auslöseleitung, die sich von einer

Druckentlastungseinheit weg erstreckt, sowie von einem

Druckbehältersystem mit mindestens einem Druckbehälter und mit einem hier offenbarten Sicherheitsventil. Das Sicherheitsventil ist insbesondere ein thermisches bzw. thermisch aktivierbares Druckentlastungsventil, also ein TPRD.

Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehältersysteme sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem Druck von über ca. 350 barü (= bar Überdruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern.

Das kryogene Druckbehältersystem umfasst einen kryogenen Druckbehälter. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p- T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar.

Die Druckentlastungseinheit ist die Einheit, die ausgebildet ist, abhängig von einem Druckwert bzw. Drucksignal (nachstehend wird der Begriff

„Drucksignal" verwendet) der nachstehend erläuterten Auslöseleitung direkt oder indirekt den Durchfluss von Brenngas aus dem Druckbehälter freizugeben. Beispielsweise kann die Druckentlastungseinheit ausgebildet sein, bei einem Druckanstieg oberhalb eines Auslösedrucks (in der

Auslöseleitung bzw. in der Druckentlastungseinheit) und/oder bei einem Druckabfall unterhalb eines Auslösedrucks das Ausströmen von Brenngas aus dem Druckbehälter sicherzustellen. Somit kann das Brenngas im Falle eines insbesondere lokalen und bevorzugt benachbart zu der Auslöseleitung vorkommenden thermischen Ereignisses (nachstehend:„thermisches Ereignis"), zum Beispiel einer lokalen Erwärmung des Drucktanks oberhalb einer lokalen Grenztemperatur, sicher abgelassen werden. Die

Grenztemperatur kann beispielsweise so gewählt sein, dass eine

Schädigung des Drucktanks sicher ausgeschlossen werden kann.

Beispielsweise kann die Grenztemperatur unter 300 °C, bevorzugt unter 150°C und besonders bevorzugt unter 120°C liegen. Bevorzugt liegt die Grenztemperatur jedoch oberhalb von mindestens 85 °C.

Insbesondere kann die Druckentlastungseinheit als Überdruckventil ausgebildet sein, das den Druckbehälterinhalt freigibt, wenn der

Auslösedruck in der Auslöseleitung aufgrund der lokalen Erwärmung einen Grenzwert übersteigt. Zweckmäßig handelt es sich bei der

Druckentlastungseinheit um ein Ventil, dass nach dem Öffnen der Einheit im offenen Zustand verweilt, ohne dass es sich wieder verschließt, wenn die lokale Temperatur an der Stelle des thermischen Ereignisses wieder auf einen Wert unterhalb der lokalen Grenztemperatur sinkt. Eine solche

Druckentlastungseinheit ist beispielsweise in der DE 10 201 1 1 14725 A1 (vgl. Fig. 2 und 3 sowie deren Beschreibung; dort als Sicherheitsvorrichtung bezeichnet) und in der EP 1 655 533 B1 (vgl. Fig. 2 und 4 sowie deren Beschreibung; dort als Entlastungsventil bezeichnet). Der Inhalt der

DE 10 201 1 1 14725 A1 und der EP 1 655 533 B1 bzgl. des Prinzips der Druckentlastungseinheit wird hiermit per Referenz hier mit in diese Offenbarung mit aufgenommen. Nachstehend ist im Zusammenhang mit einer Bersteinrichtung eine weitere bevorzugte Lösung gezeigt.

Die Auslöseleitung kann eine Leitung sein, insbesondere ein Rohr, das sich bevorzugt zumindest bereichsweise über die Oberfläche des Druckbehälters erstreckt. Bevorzugt verläuft die Auslöseleitung zumindest bereichsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Druckbehälters.

Besonders bevorzugt verläuft die Auslöseleitung helixförmig bzw.

wendeiförmig oder mäanderförmig über die Oberfläche des Druckbehälters. Bevorzugt sind benachbarte Abschnitte der Auslöseleitung derart beabstandet, dass ein zwischen diesen benachbarten Abschnitten auftretendes thermisches Ereignis sicher detektiert wird bzw. das

Sicherheitsventil das Brenngas sicher ablässt bevor der Druckbehälter beschädigt wird.

Die Auslöseleitung kann insbesondere druckbeständig ausgebildet sein, insbesondere derart, dass die Auslöseleitung aufgrund einer

betriebsbedingten Druckerhöhung sich nicht ausdehnt und/oder beschädigt wird und/oder sich verschließt aufgrund einer nicht betriebsbedingten mechanischen Einwirkung. Somit kann vorteilhaft ein betriebssicheres Sicherheitsventil werden.

Bevorzugt ist die Leitung aus einem Metall gefertigt. Ferner bevorzugt kann die Leitung aus einem Material mit einem Schmelzpunkt weit oberhalb der Grenztemperatur ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist eine

Auslöseleitung, die in radialer Richtung eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in Axialrichtung der Auslöseleitung. Vorteilhaft wird somit eine Wärmeleitung in den nachstehend beschriebenen Stoff forciert, wohingegen eine i.d.R. unerwünschte Wärmeableitung entlang der Auslöseleitung reduziert werden kann.

In der Auslöseleitung ist zumindest bereichsweise ein Stoff bzw. Material S angeordnet. Der Stoff kann beispielsweise ein Reinstoff oder ein

Stoffgemisch sein. Insbesondere kann es sich um einen Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas (Gemische in einen dieser Aggregatszustände) handeln. Der Stoff S füllt zumindest bereichsweise das innere Volumen der Auslöseleitung aus. Bevorzugt ist die Auslöseleitung bzw. dessen inneres Volumen vollständig mit dem Stoff S gefüllt. Zweckmäßig gefriert der Stoff S erst bei einer Temperatur unterhalb von minus 60 °C. Bevorzugt ist der Stoff S ein Wasser-Glykol-Gemisch. Bei dem Stoff handelt es sich insbesondere nicht um das gespeicherte Brenngas.

Der Stoff S kann ausgebildet sein, in Abhängigkeit von der Stofftemperatur das Stoffvolumen und/oder den Druck im inneren Volumen (bzw. zumindest in einem Teilvolumen des inneren Volumens) zu ändern.

Nachstehend wird lediglich der Fall diskutiert, in dem sich durch das thermische Ereignis die Temperatur des Stoffes und damit einhergehend auch das Stoffvolumen bzw. der Druck in der Auslöseleitung erhöht.

Gleichsam wäre auch denkbar, dass eine Volumenreduktion bzw.

Druckminderung aufgrund einer Dichteanomalie oder eines Phasenwechsels realisiert ist.

Besonders bevorzugt kommt ein Stoff zum Einsatz, dessen Stoffdichte sich innerhalb eines Auslöse-Temperarturfensters des Sicherheitsventils sehr stark und/oder sprunghaft und/oder unstetig mit der Stofftemperatur ändert, beispielsweise aufgrund einer zumindest teilweisen Phasentransformation, auch Phasenübergang genannt. Die temperaturbedingte isochore

Zustandsänderung bewirkt eine Druckerhöhung. Im

Auslösetemperaturfenster ist diese bevorzugt besonders stark ausgeprägt (d.h. hohe Steigung der Dampfdruckkurve im ρ,Τ-Diagramm). So ändert sich beispielsweise der Dampfdruck mindestens um den Faktor 50 (z.B. Glykol- Wassergemisch von 0,02bar bei 25 °C auf 1 bar bei 1 10°C), bevorzugt mindestens um den Faktor 100, wobei das Einfrieren des Stoffs (z.B. bei Temperaturen unter - 40 °C) unberücksichtigt ist. Bei einer solchen

Phasentransformation des Stoffes ändert sich in einem konstanten

(Teil)Volumen der Druck aufgrund einer Temperaturerhöhung. Mit steigender Temperatur beginnt das Gemisch zunehmend zu sieden und der Dampfdruck wird stark ansteigen. Besonders bevorzugt kommt ein Wasser-Glykol- Gemisch zum Einsatz, das im Auslöse-Temperarturfenster siedet und einen Dampfdruck größer 1 bar erreicht. Weiterhin können Flüssigkeiten oder auch Gase verwendet werden deren Dampfdruckkurven im

Betriebstemperaturbereich des Kraftfahrzeuges (-40 °C bis 85 °C) eine geringe Dampfdruckänderung aufweisen und bevorzugt flüssig vorliegen und im Auslösetemperaturbereich eine starke Dampfdrucksteigerung erfahren, z.B. Butan. Dieser Druckanstieg innerhalb der Auslöseleitung kann zweckmäßig direkt oder indirekt als Auslösesignal für die

Druckentlastungseinheit dienen. Bevorzugt ist der Druckanstieg sehr viel größer als 1 bar, insbesondere um die Toleranz der Auslöseeinrichtung in einem einfach herzustellenden Bereich halten zu können. Eine

Phasentransformation ist generell die Umwandlung einer oder mehrerer Phasen eines Stoffes in andere Phasen. Die Stabilitätsbereiche der Phasen in Abhängigkeit von den Zustandsvariablen wie Druck, Temperatur, chemischer Zusammensetzung und magnetischer Feldstärke sind bekannt und werden i.d.R. in Phasendiagramme oder Dampfdruckkurven dargestellt. Phasentransformationen können u. a. zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Phasen auftreten. Bevorzugt ist das Auslöse- Temperarturfenster durch einen der folgenden Temperaturbereiche definiert: ca. 95 °C bis ca. 300 °C, ferner bevorzugt ca. 95 °C bis ca. 1 15°C, und besonders bevorzugt ca. 105°C bis ca. 1 15°C. Findet nun ein thermisches Ereignis benachbart zur Auslöseleitung statt, so erwärmt sich der Stoff S innerhalb der Auslöseleitung. Steigt die Stofftemperatur auf einen Wert innerhalb des Auslöse-Temperaturfensters, z.B. bei einem Glykol-Wasser- Gemisch, Butan bzw. einem Gemisch mit Butan, auf ca. 1 10°C, dann kommt es aufgrund der zumindest teilweisen Phasentransformation zu einem Druckanstieg in der Auslöseleitung, der wiederum die

Druckentlastungseinheit aktuiert.

Mit anderen Worten kann also in einer mit Flüssigkeit (u.a. Wasser +

Kühlmittel, Butan) oder Feststoff gefüllten wärmeleitenden

(Auslöse)Leitung/Mantel/Körper durch den thermischen Eintrag ein

Phasenübergang induziert werden, der zu einer Druckerhöhung führt.

Hierbei ist es zweckmäßig, dass die das Medium beinhaltende

Auslöseleitung von seiner Temperaturausdehnung den Effekt verstärken oder mindern kann. Bevorzugt wird deshalb eine Auslöseleitung verwendet, der eine möglichst geringe Wärmeausdehnung oder einen negativen

Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt. Insbesondere ist der

Wärmeausdehnungskoeffizient der Auslöseleitung im

Auslösetemperaturfenster mindestens um ein Faktor 5, bevorzugt um einen Faktor 10, kleiner als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Stoffs S.

In der Auslöseleitung ist mindestens ein Isolationselement vorgesehen.

Insbesondere kann das Isolationselement ausgebildet sein, den

Wärmetransport WA in der Auslöseleitung (und insbesondere im Stoff S) in Axialrichtung A der Auslöseleitung zumindest zu reduzieren, bevorzugt zu unterbinden. Bevorzugt ist das mindestens eine Isolationselement derart ausgebildet und im montierten Zustand angeordnet, dass das mindestens eine Isolationselement in der Auslöseleitung (d.h. in der Auslöseleitung selbst und/oder im inneren Volumen der Auslöseleitung, insbesondere im Stoff S) einen höheren Wärmetransport WR in Radialrichtung R der Auslöseleitung zulässt als in Axialrichtung A der Auslöseleitung. l.d.R. ist dabei der

Wärmetransport WR in Radialrichtung R der Auslöseleitung in den Stoff S hinein durch das mindestens eine Isolationselement nicht oder nur im geringen Maße verändert. Vorteilhaft kann somit erreicht werden, dass die von dem lokal vorkommenden thermischen Ereignis (z.B. lokale Flamme) abgegebene Wärmemenge zum größeren Teil für eine lokal induzierte Zustandsänderung des Stoffes genutzt wird. Mit anderen Worten wird durch den begrenzten Wärmetransport in Axialrichtung A ein Teilvolumen des Stoffes S schneller erhitzt. Es kann somit schneller, präziser und

zuverlässiger ein Auslösesignal an die Druckentlastungseinheit übermittelt werden. Ein zu spätes Auslösen, was die Beschädigung des Druckbehälters mit sich bringen könnte, kann somit vorteilhaft vermieden werden. Zur Druckerhöhung bei einem lokalen Ereignis wird gemäß der hier offenbarten Technologie gezielt die axiale Wärmeleitung im Rohr/Medium begrenzt.

Hierzu können insbesondere geeignete als Isolationselemente fungierende Trennkörper vertikal zur Längsrichtung der Auslöseleitung eingebracht werden, die die Wärmeleitung begrenzen.

Bevorzugt weist die Auslöseleitung einen normalen Betriebsdruckbereich auf, bei dem die Druckentlastungseinheit den Durchfluss an Brenngas durch die Druckentlastungseinheit sicher unterbindet. Vorteilhaft weist eine hier offenbarte Bersteinrichtung einen Bersteinrichtungs-Auslösedrucks auf, bei dem die Bersteinrichtung birst. Die Druckentlastungseinheit kann ferner ausgebildet sein, bei einem Druck unterhalb des Kammer-Auslösedrucks den Durchfluss an Brenngas durch die Druckentlastungseinheit zu ermöglichen. Bevorzugt liegt der Bersteinrichtungs-Auslösedruck über den max. normalen Betriebsdruck der Auslöseleitung, bevorzugt mind. ca. 10%, ferner bevorzugt mind. 20% höher. Ferner bevorzugt liegt der Kammer-Auslösedrucks unterhalb vom minimalen normalen Betriebsdruck der Auslöseleitung, bevorzugt mind. ca. 10%, ferner bevorzugt mind. 20% niedriger.

Das mindestens eine Isolationselement kann ausgebildet sein, das innere Volumen der Auslöseleitung in mehrere Teilvolumina zu unterteilen. Das innere Volumen kann dabei das Volumen sein, das vom Stoff S ausgefüllt wird. Das mindestens eine Isolationselement kann ferner ausgebildet sein, eine Fluidverbindung zwischen unmittelbar bzw. zueinander benachbart angeordneten Teilvolumina herzustellen, insbesondere falls ein

Druckgrenzwert in zumindest einem der Teilvolumina überschritten wird. Ferner kann das mindestens eine Isolationselement ausgebildet sein, die benachbart angeordneten Teilvolumina voneinander zu trennen, falls der Druckgrenzwert in zumindest einem der Teilvolumina unterschritten ist bzw. wird.

Das mindestens eine Isolationselement kann in Axialrichtung A der

Auslöseleitung verschiebbar ausgebildet sein. Das mindestens eine

Isolationselement kann derart ausgebildet und in der Auslöseleitung angeordnet sein, dass es sich innerhalb der Auslöseleitung in der

Axialrichtung A verschiebt, wenn ein Druckdifferenzgrenzwert zwischen benachbarten Teilvolumina überschritten wird. Insbesondere kann das Isolationselement mit einer entsprechenden Passung in der Auslöseleitung verklemmt sein, die ab einer gewissen Druckdifferenz eine Verschiebung zulässt. Das mindestens eine Isolationselement kann ausgebildet sein, eine Fluidverbindung zwischen benachbarten Teilvolumina zu unterbinden. Das Isolationselement kann also ein Dichtelement sein. Besonders bevorzugt ist das mindestens eine Isolationselement als ein inkompressibler Stopfen (z.B. aus einem Elastomer) ausgebildet, der sich ab einer gewissen

Druckerhöhung im Teilvolumen gegenüber der übrigen Volumina

verschieben kann. Die Verschiebbarkeit kann beispielsweise einstellbar sein über die Passung und der Reibung zwischen Stopfen und Auslöseleitung.

Voneinander trennen umfasst dabei auch Ausbildungen, bei denen es zu (Leckage)Strömungen zwischen benachbarten Teilvolumina kommt, solange diese Strömungen so gering sind, dass der Wärmetransport in Axialrichtung A geringer bzw. deutlich geringer als in Radialrichtung R ist.

Das mindestens eine Isolationselement kann zumindest bereichsweise als Scheibe ausgebildet sein. Ein solches Isolationselement lässt sich besonders leicht in die Auslöseeinrichtung einbringen, insbesondere auch dann, wenn die Auslöseleitung helixförmig um den Druckbehälter angebracht ist bzw. wird.

Die Scheibe kann in ihrem Mittenbereich und/oder in ihrem Randbereich biegsam und/oder berstbar ausgebildet sein, insbesondere derart, dass nach Überschreiten des Druckgrenzwertes die Isolationselemente sich verbiegen bzw. bersten, wodurch eine Fluidverbindung zwischen benachbarten

Teilvolumina hergestellt wird. Bevorzugt ist die für die Verformung/ das Bersten aufzuwendende Kraft möglichst gering so dass das Drucksignal mit möglichst geringen Verlusten bis zu Berst- oder Druckventileinheit

weitergeleitet werden kann. Insbesondere kann die Scheibe auch als Folie ausgebildet sein, bevorzugt mit einer Wanddicke von weniger als 1 mm, bevorzugt von weniger als 500μιτι oder 100 μιτι. Alternativ oder zusätzlich kann das mindestens eine Isolationselement zumindest einen Durchlass aufweisen. Der mindestens eine Durchlass ist dabei derart ausgebildet, dass er einerseits eine Fluidverbindung zwischen (unmittelbar) benachbarten Teilvolumina herstellt, andererseits nicht aber den axialen Wärmetransport aufgrund von Fluidströmung derart steigert, dass der Wärmetransport WA in Axialrichtung A nicht geringer bzw. deutlich geringer ist als der Wärmetransport WR in Radialrichtung R der

Auslöseleitung. Abhängig von der Dichte bzw. der Viskosität des Stoffs kann der Durchlass unterschiedlich dimensioniert sein, wobei bei geringerer Dichte/Viskosität kleinere Durchlässe vorgesehen sein können. Bevorzugt beträgt die Fläche der Aussparung weniger als 20%, ferner bevorzugt weniger als 10%, und besonders bevorzugt weniger als 5% der

Querschnittsfläche der Auslöseleitung. Mit einem solchem Durchlass kann auf einfacher Art und Weise das lokal aufgrund des thermischen Ereignis erzeugte Drucksignal sicher zur Druckentlastungseinheit transportiert werden.

Das Sicherheitsventil kann mindestens zwei Isolationselemente aufweisen, die über mindestens ein Distanzmittel voneinander beabstandet sind. Ein solches Distanzmittel kann beispielsweise eine Strebe oder ein Steg sein, der sich von einem scheibenförmigen Abschnitt weg erstreckt. Ferner kann ein solches Distanzmittel ein Faden oder eine flexible Stange sein, auf der die Isolationselemente beabstandet voneinander angebracht sind. Zur Montage wird diese Einheit von Isolationselementen und Distanzmittel in die Auslöseleitung geschoben. Ferner könnten die Isolationselemente durch das mindestens eine Distanzmittel lediglich während der Montage fixiert werden, falls beispielsweise durch die Montage die Isolationselemente an die

Auslöseleitung befestigt, z. B. aufgeschrumpft, angeklebt oder angeschweißt werden. Auch wäre denkbar, dass die Isolationselemente in einem komprimierten Zustand zunächst positioniert werden, bevor sich die

Isolationselemente in einem anschließenden Verfahrensschritt in der Auslöseleitung verklemmen, ähnlich wie ein Stent in einer Ader. Vorteilhaft kann das Isolationselement derart verklemmt werden, dass es ab dem Grenzdifferenzdruck zwischen benachbarten Teilvolumina sich verschiebt. Insbesondere kann das mindestens eine Distanzmittel biegsam ausgebildet sein. Ferner kann das mindestens eine Distanzmittel im Randbereich und/oder im Mittenbereich mit dem mindestens einen Isolationselement verbunden sein oder an dem mindestens einen Isolationselement zumindest bereichsweise anliegen.

Das hier offenbarte Sicherheitsventil kann ferner eine Auslöseleitung mit einer separaten Bersteinrichtung in der Auslöseleitung aufweisen. Diese separate Bersteinrichtung kann funktional zunächst unabhängig von dem mindestens einen Isolationselement vorgesehen sein. Bevorzugt ist jedoch sowohl die Bersteinrichtung als auch das mindestens eine Isolationselement vorgesehen. Mitunter fungiert also nicht die Auslöseleitung selbst als

Besteinrichtung. Dies bringt den Vorteil mit sich, das eine separate

Bersteinrichtung präziser und zuverlässiger auslösen kann. Ferner kann eine stabilere und somit ausfallsichere Auslöseleitung eingesetzt werden.

Überdies kann eine zerstörte Berstscheibe leichter und kostengünstiger ausgetauscht werden als die komplette Auslöseleitung, die i.d.R. größer und komplizierter geformt ist. Zweckmäßig ist die Bersteinrichtung derart angeordnet und ausgebildet, dass der Stoff S nach einem Berstereignis in die Umgebung entweichen kann, so dass es in der Auslöseleitung und in der Druckentlastungseinheit zu einer Druckentlastung kommt, die dann das Auslösen des Sicherheitsventils bewirken kann. Besonders bevorzugt ist die Bersteinrichtung an dem freien Ende der Auslöseleitung vorgesehen. Hier lässt sie sich besonders gut integrieren. Ferner ergibt sich dann ein einfacherer Aufbau der Auslöseleitung, da alle Teilvolumina gleich

ausgestaltet sein können.

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie u.a. ein

Sicherheitsventil mit einer Auslöseleitung und einer Berstscheibe oder Ventil, die bzw. das auslöst und damit eine Druckentlastung eines Druckbehälters mittels eines direkt oder vorgesteuerten Ventils einleiten kann. Wie bereits erwähnt, können hierzu Isolationselemente vertikal zur Längsrichtung A eingebracht werden, die zwar die Wärmeleitung begrenzen jedoch einen Druckausgleich erlauben, z.B. über eine Bohrung. Die Leitungsgeometrie der Auslöseleitung erlaubt eine integrale, linienförmige oder flächige Detektion von kritischen Temperaturen und damit einen besseren Schutz vor dem Bersten von Druckbehältern durch Feuer oder unzulässiger hoher

Temperatur.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht des Sicherheitsventils

100;

Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht einer Auslöseleitung

120;

Fig. 3 eine weitere schematische Querschnittsansicht einer

Auslöseleitung 120; und

Fig. 4 eine schematische Ansicht entlang der Linie C.C der Fig. 3. Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein hier offenbartes Sicherheitsventil 100. Das Sicherheitsventil 100 ist an einem Ende eines Druckbehälters 200 angebracht. Die Montage des Sicherheitsventils 100 an den Druckbehälter 200 kann unterschiedlich gestaltet sein. In der Regel ist das Sicherheitsventil 100 unmittelbar am Druckbehälter 200 angebracht. Das Sicherheitsventil 100 umfasst eine Druckentlastungseinheit 1 10 und eine Auslöseleitung 120. Die Auslöseleitung 120 ist mit einer inneren Kammer 1 1 1 der

Druckentlastungseinheit 1 10 fluidverbunden. In der inneren Kammer 1 1 1 ist ein Kolben 1 12 angeordnet, der wiederum von einem Vorspannmittel (hier eine Feder) 1 13 vorgespannt wird.

Die Auslöseleitung 120 und die Kammer 1 1 1 der Druckentlastungseinheit 1 10 sind mit dem Stoff S gefüllt, hier ein Wasser-Glykol-Gemisch S. In der Auslöseleitung 120 sind mehrere Isolationselemente 300 angeordnet, die hier ausgeführt sind als Scheiben, die jeweils einen Durchlass aufweisen. Die Isolationselemente 300 sind voneinander beabstandet angeordnet und unterteilen das innere Volumen l_ges der Auslöseleitung 120 in mehrere Teilvolumina h, I2, b. Die Teilvolumina h, I2, b sind über die Durchlässe in den Isolationselementen 300 miteinander fluidverbunden. Daher herrscht in allen Teilvolumina h , I2, b und in der Kammer 1 1 1 ein annähernd gleicher Betriebsdruck (z.B. in etwa 1 ,3 bara (=bar Atmosphärendruck) bis 1 ,5 bara bei Raumtemperatur bei einem Wasser-Glykol Gemisch). Die

Isolationselemente 300 bewirken ferner, dass der Wärmetransport WA in der Auslöseleitung 120 in Axialrichtung A zumindest geringer ist als in einer Ausgestaltung ohne Isolationselemente 300. Die Isolationselemente 300 reduzieren also den Wärmetransport WA, der ansonsten beispielsweise durch die Fluidströmung vom freien Ende in Richtung

Druckentlastungseinheit 1 10 sowie durch die Brownsche

Molekularbewegung forciert würde. Wirkt nun lokal ein thermisches Ereignis (hier dargestellt als lokaler

Wärmestrom Q) auf die Auslöseleitung 120 ein, beispielsweise eine lokale Flamme, so wird das Teilvolumen I2 erhitzt. Da das Teilvolumen I2 an beiden Seiten von Isolationselementen 300 begrenzt wird, wird vergleichsweise wenig Wärme aus dem Teilvolumen I2 abtransportiert. Somit erhitzt sich das Teilvolumen I2 schneller als ein gleich großes Volumen, dass nicht durch Isolationselementen 300 begrenzt wird. Vorteilhaft kann somit mit einem geringen Wärmestrom Q in einem Teilvolumen I2 eine Phasentransformation realisieren, die einher geht mit einem deutlichen Anstieg vom Druck p2 (z.B. auf 2 bara) im Teilvolumen I2. Da die einzelnen Teilvolumina h , I2, b durch entsprechende Durchlässe fluidverbunden sind und die Flüssigkeit weitgehend inkompressibel bleibt, steigt auch der Druck in den anderen Teilvolumina. Vorteilhaft ist in der hier gezeigten Ausgestaltung eine

Bersteinrichtung 123 in der Auslöseleitung 120 vorgesehen. Die

Bersteinrichtung 123 ist ausgelegt, dass die Bersteinrichtung 123 birst, wenn der Druck auf einen Druck oberhalb eines Bersteinrichtungs-Auslösedrucks (z.B. 1 ,8 bara) ansteigt. Ist die Bersteinrichtung 123 zerstört, so entweicht die Flüssigkeit aus der Auslöseleitung 120. Dies bewirkt, dass die Flüssigkeit auch aus der Kammer 1 1 1 entweicht. Der Druck in der Kammer 1 1 1 sinkt nun unterhalb eines Kammer-Auslösedrucks (z.B. 1 ,1 bara) der

Druckentlastungseinheit 1 10. Die durch den Druck in der Kammer 1 1 1 aufgebrachte Gegenkraft zum Vorspannmittel 1 13 reicht nicht mehr aus, um den Kolben 1 12 in der durchflusssperrenden Position zu halten. Der Kolben verschiebt sich daher aus der durchflusssperrenden Position in eine Position, in der der Durchfluss von Brennstoff durch die Druckentlastungseinheit 1 10 ermöglicht wird. Dazu kann beispielsweise ein Stopfen 1 15 in eine

Aussparung des Kolbens 1 12 entweichen. Der entwichene Stopfen 1 15 gibt den Strömungspfad 500 in die Umgebung frei. In dieser Position des Kolbens 1 12 wird dann der Druck im Druckbehälter 200 sicher abgebaut. Gemäß der hier gezeigten Lösung bewirkt das thermische Ereignis Q zunächst einen Druckaufbau auf einen Druckwert oberhalb des

Bersteinrichtungs-Auslösedrucks. Nach der Zerstörung der Bestscheibe kommt es zu einem Druckabbau in der Auslöseleitung 120 und somit zum Auslösen der Druckentlastungseinheit 1 10. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass etwaige Undichtigkeiten in der Auslöseleitung 120 auch zum Druckabbau in der Auslöseleitung 120 und somit zum Ablassen von Brennstoff führen würde. Ein solches System ist somit sicherer als Systeme, bei denen ein erhöhter Druck direkt das Druckentlastungseinheit 1 10 in eine offene Stellung bringt (z.B. ohne Bersteinrichtung). Prinzipiell wäre Letzteres aber auch von der hier offenbarten Technologie umfasst.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht von zwei Isolationselementen 300, 300', die das Teilvolumen ^ begrenzen. Die Isolationselemente 300, 300' werden durch ein Distanzmittel 320, hier eine flexible Stange bzw. einen formstabilen Faden positioniert, insbesondere derart, dass die

Isolationselemente 300, 300' voneinander beabstandet sind und ein

Teilvolumen I2 des inneren Volumens l_ges der Auslöseleitung 120 definieren. Gestrichelt dargestellt sind die Isolationselemente 300, 300' in dem Zustand, in dem der Stoff S im Teilvolumen I2 derart erwärmt wurde, dass zumindest teilweise eine Phasentransformation stattgefunden hat. In dem Fall steigt der Druck p2 im Teilvolumen I2 stark an. Der Druckanstieg bewirkt, dass es zu einer Druckdifferenz zwischen benachbarten Teilvolumina kommt. Übersteigt diese Druckdifferenz einen gewissen Wert, so bewirkt die Druckdifferenz, dass sich die Randbereiche Ra, Ra' der Isolationselemente 300, 300' verbiegen. Es entsteht dann eine Fluidverbindung zwischen benachbarten Teilvolumina. Mit der Fluidverbindung einher geht ein Druckausgleich, so dass die Teildrücke pi, p2, p3 in den Teilvolumina h, I2, b im Wesentlichen gleich sind. Wie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben, bewirkt der Druckanstieg in der Auslöseleitung 120 die Zerstörung der Berstscheibe durch einen Druck oberhalb vom Bersteinrichtungs- Auslösedruck (z.B. 2 bara). Es kommt dann zum Druckabbau in der

Auslöseleitung 120 auf einen Druckwert (z.B. 1 bara), der unterhalb des normalen Betriebsdrucks (z.B. 1 ,5 bara) in der Auslöseleitung 120 liegt. Dies bewirkt wiederum, dass sich die Isolationselemente 300, 300' in die entgegengesetzte Richtung (also in der Fig. 2 nach links) verbiegen. Somit entsteht wiederum eine Fluidverbindung von benachbarten Teilvolumina, die bewirkt, dass es zu einem Druckabbau in der Kammer 1 1 1 kommt. Der Kolben 1 1 1 der Druckentlastungseinheit 1 10 verschiebt sich und öffnet somit das Sicherheitsventil 100 (in Fig. 2 nicht gezeigt).

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Isolationselemente 300, 300' der Fig. 1 . 1m Mittenbereich sind die Durchlässe 310, 310' angeordnet, die die verschiedenen Teilvolumina h, I2, b voneinander trennen. In der hier gezeigten Ausgestaltung sind die Isolationselemente 300, 300' fest verbunden mit der Auslöseleitung 120. Die Isolationselemente 300, 300' könnten auch ohne Durchlässe 310, 310' ausgebildet sein. Ferner könnten die Isolationselemente 300, 300' lediglich in der Auslöseleitung 120 derart gehalten sein, dass sich die Isolationselemente 300, 300' verschieben, wenn ein Druckdifferenzgrenzwert zwischen benachbarten Teilvolumina h, I2, b überschritten wird.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung der Isolationselemente 300, 300'. Die Isolationselemente 300, 300' umfassen einen scheibenförmigen Bereich, von denen Distanzmittel 320, 320' sich weg erstrecken. Die Distanzmittel 320, 320' sind hier zweckmäßig als Streben bzw. Stege ausgebildet und beabstanden die scheibenförmigen Bereiche benachbarter Isolationselemente 300, 300' voneinander. In den Mittenbereichen der scheibenförmigen Bereiche sind wiederum Durchlässe 310, 310' angeordnet.

Fig. 5. Zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie C-C. Im

Mittenbereich die der Durchlass 310 gezeigt und im Randbereich sind hier zwei Streben 320 gezeigt.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der

Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer

Äquivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche

1 . Sicherheitsventil (1 00) für einen Druckbehälter (200) mit einer

Auslöseleitung (1 20), die sich von einer Druckentlastungseinheit (1 10) weg erstreckt;

- wobei ein Stoff (S) ein inneres Volumen (l_ges) der Auslöseleitung (1 20) ausfüllt; und

- wobei in der Auslöseleitung (1 20) mindestens ein Isolationselement (300) vorgesehen ist, welches ausgebildet ist, den Wärmetransport (WA) zumindest in dem inneren Volumen (l_ges) in Axialrichtung (A) der Auslöseleitung (1 20) zumindest zu reduzieren.

2. Sicherheitsventil (1 00) nach Anspruch 1 , wobei der Wärmetransport (WR) in Radialrichtung (R) der Auslöseleitung (1 20) durch das mindestens eine Isolationselement (300) nicht oder nur im geringen Maße verändert wird.

3. Sicherheitsventil (1 00) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das mindestens eine Isolationselement (300) ausgebildet ist, das innere Volumen (l_ges) der Auslöseleitung (1 20) in mehrere Teilvolumina (h , I2, b) zu unterteilen.

4. Sicherheitsventil (1 00) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mindestens eine Isolationselement (300) in Axialrichtung (A) der

Auslöseleitung (1 20) verschiebbar ausgebildet ist.

5. Sicherheitsventil (1 00) nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine Isolationselement (300) derart ausgebildet und in der Auslöseleitung

(1 20) angeordnet ist, dass es sich innerhalb der Auslöseleitung (1 20) Axialrichtung (A) der Auslöseleitung (1 20) verschiebt, wenn ein

Druckdifferenzgrenzwert zwischen benachbarten Teilvolumina

überschritten wird.

6. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mindestens eine Isolationselement (300) ausgebildet ist, eine

Fluidverbindung zwischen benachbarten Teilvolumina (h , I2, b) zu unterbinden.

7. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, wobei das mindestens eine Isolationselement (300) ausgebildet ist, eine Fluidverbindung zwischen benachbarten Teilvolumina (h , I2, b) herzustellen, falls der Druckdifferenzgrenzwert überschritten wird.

8. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mindestens eine Isolationselement (300) zumindest bereichsweise als Scheibe (300) ausgebildet ist, und wobei bevorzugt das mindestens eine Isolationselement (300) im Mittenbereich und/oder im Randbereich (Ra) biegsam und/oder berstbar ausgebildet ist.

9. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mindestens eine Isolationselement (300) zumindest einen Durchlass (310) aufweist

10. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sicherheitsventil mindestens zwei Isolationselemente (300) aufweist, die über mindestens ein Distanzmittel (320) voneinander beabstandet sind.

1 1 . Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das mindestens eine Distanzmittel (320) biegsam ausgebildet ist, und im Randbereich (Ra) und/oder im Mittenbereich mit dem mindestens einen Isolationselement (300) verbunden ist oder an dem mindestens einen Isolationselement (300) zumindest bereichsweise anliegt.

12. Sicherheitsventil (100) für einen Druckbehälter (200), bevorzugt nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Auslöseleitung (120), die sich vom Ventilkörper (1 10) weg erstreckt, wobei in der Auslöseleitung (120) ein Stoff angeordnet ist, der in Abhängigkeit von der Temperatur das Stoffvolumen ändert, wobei die Auslöseleitung (120) eine separate Bersteinrichtung (123) aufweist.

13. Sicherheitsventil (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Bersteinrichtung (123) an dem freien Ende (122) der Auslöseleitung (120) vorgesehen ist.