WO2018224312A1 - Druckentlastungsvorrichtung mit einem variablen massenstrom - Google Patents

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WO2018224312A1
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Simon Hettenkofer
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • the invention relates to a pressure relief device for a pressure vessel, wherein the pressure relief device is adapted to change the mass flow of a fluid emerging from the pressure vessel.
  • a road vehicle may comprise a fuel cell based on a fuel such as a fuel. Hydrogen electrical energy for operation,
  • the fuel may be stored in one or more pressurized tanks of the vehicle, with a pressure vessel having one or more pressure vessel walls enclosing a cavity for receiving the fuel.
  • the fuel can be passed via a valve from the pressure vessel to the fuel cell of the vehicle.
  • a pressure vessel may be disposed on the underbody or in the underbody of a vehicle.
  • a pressure vessel for storing fuel typically has at least one pressure relief device, through which fuel can be discharged from the pressure vessel when a risk of damage (in particular bursting) of the pressure vessel has been detected.
  • the risk of damage to the pressure vessel can be reduced.
  • the outflowing fuel may be a risk for a direct environment of
  • a pressure relief device e.g.
  • the pressure vessel may be designed to store a gaseous fuel at ambient pressure (in particular H 2 ).
  • the pressure relief device may include a valve.
  • the pressure relief device may be connected via a pressure vessel connection element with an opening of a pressure vessel, so that the opening is closed in a closed state of the pressure relief device. For example, that can
  • Pressure vessel connection element on the opening of the pressure vessel
  • the pressure relief device is set, upon fulfillment of a
  • Triggering condition e.g., upon reaching and / or exceeding a temperature threshold
  • a channel between the pressure vessel port of the pressure relief device and an exit port of the pressure relief device e.g., upon reaching and / or exceeding a temperature threshold
  • Pressure relief device are moved to release one or more sub-channels through the pressure relief device.
  • the pressure relief device may further be arranged to reduce the cross section of the channel with decreasing internal pressure of the pressure vessel connected to the pressure vessel connection element.
  • the relevant for the mass flow of the fluid flowing through the channel cross-section of the channel can be reduced in order to reduce the mass flow.
  • the cross-section of the channel can be reduced as the amount of difference in the pressure at the pressure vessel connection element and the pressure at the outlet opening decreases.
  • the pressure relief device may thus be arranged to provide a drain channel having a relatively large cross section at a relatively high internal pressure of the pressure vessel (ie, at a relatively high pressure at the pressure vessel connection element).
  • a drainage channel having a relatively small cross section can be provided at a relatively low internal pressure of the pressure vessel.
  • the reduction of the cross section can be carried out continuously or stepwise with decreasing internal pressure of the pressure vessel.
  • a relatively low mass flow of fluid exiting the pressure vessel may be caused to increase the risk to the environment of the pressure vessel (eg, a fire hazard) caused by the exiting fluid to reduce.
  • the pressure relief device described in this document thus makes it possible to increase the safety of a pressure vessel (especially in a fire and / or accident situation).
  • the pressure relief device may be configured to control the cross section of the
  • the pressure threshold may depend on a bursting pressure of the pressure vessel.
  • the pressure threshold may depend on the bursting pressure of the pressure vessel in the presence of a particular condition of the environment of the pressure vessel (e.g., a certain temperature of the environment of the pressure vessel).
  • the triggering condition for the pressure relief device may e.g. reaching and / or exceeding a temperature threshold at the pressure relief device.
  • a temperature threshold e.g., 110 ° C
  • a triggering element e.g., a glass vial or eutectic
  • the pressure threshold may then depend on the bursting pressure of the pressure vessel at a temperature equal to or greater than the temperature threshold.
  • Design of the pressure relief device can increase the safety of
  • the pressure relief device may include two or more different orifices that allow two or more different cross sections of the channel.
  • the two or more diaphragms may be permeable to fuel at least partially at different internal pressures.
  • at a relatively high internal pressure at least one aperture with a relatively large cross-section can be permeable.
  • at a relatively low internal pressure only one or more apertures with a relatively small Cross-section permeable. So can by the use of
  • the pressure relief device may comprise at least one aperture which influences the cross section of the channel, the geometry of the aperture
  • the diaphragm may comprise a flexible material which deforms differently depending on the pressure difference between the pressure vessel connecting element and the outlet opening and thereby changes the cross section of the channel.
  • the pressure relief device typically comprises a housing on which (on a first side) the pressure vessel connection element and on which (on a different, second side) the outlet opening of
  • Pressure relief device are arranged.
  • the housing may be formed, the channel between the pressure vessel connection element and the
  • the housing may e.g. be cylindrical.
  • the pressure relief device may be configured to open, depending on the internal pressure, a main channel and / or a secondary channel of the (total) channel to the outlet opening in order to change the cross section of the (total) channel.
  • Pressure relief device can be provided several different sub-channels (eg, a main channel and a side channel), which together form a (total) channel with a certain cross-section.
  • the subchannels may be selectively opened at least partially in response to the internal pressure of the pressure vessel to adjust the cross section of the (total) channel through the pressure relief device.
  • the cross-section of the (total) channel can be adjusted by the pressure relief device in a reliable manner gradually.
  • the pressure relief device may be formed at
  • the cross section of the (total) channel then comprises the cross section of the main channel and the cross section of the secondary channel.
  • the pressure relief device can be designed to close the main channel again while the secondary channel remains open when the
  • the pressure relief device may comprise a main closure member (e.g., a main plug) enclosed by the housing, which is housed in a housing
  • the main closure member may be moved within the housing away from the headquarters to open the main channel or to move to the main seat to move the main compartment
  • the pressure relief device may be one of
  • the main closure part enclosed by schlus steep (for example, a side cone) include, which rests in a closed state of the pressure relief device s on a secondary seat of the main closure part, and thus closes the secondary channel.
  • the secondary channel runs at least partially through the main closure part.
  • the secondary closure part can be inside the
  • the pressure relief device may include a spring configured to press the main closure member against the main seat.
  • the spring may be formed (by a corresponding restoring force), the
  • the main channel can be closed again when the pressure threshold is reached in order to reduce the cross-section of the (total) channel.
  • the pressure relief device can be any pressure relief device. As already stated above, the pressure relief device can be any pressure relief device.
  • Trigger element e.g., in the form of an ampule which breaks in the presence of the trigger condition.
  • the triggering element can be set up to push the auxiliary end against the secondary seat (and thus to close off the secondary channel and possibly also the main channel). Furthermore, that can
  • Triggering element be set to release the next schlus steeply to open the secondary channel, which passes through the main closure part to the outlet opening, when the triggering condition is met.
  • the main closure part By releasing the shunt part, if necessary, the main closure part can also be released, so that the main channel is also opened.
  • Trigger element are destroyed when the trigger condition is met, so that the shunt part by acting on the secondary closure part
  • Pressure relief device for a pressure vessel described.
  • the method may e.g. be performed by an electronic control unit of an electronically controllable pressure relief device, optionally with a pressure sensor for determining the container pressure.
  • the pressure vessel may be designed to store a gaseous at ambient pressure fluid, in particular a fuel.
  • the method comprises opening at least one channel between a pressure vessel connection element of
  • Pressure relief device is met.
  • fuel can flow away from the pressure vessel connection element into an environment of the pressure relief device in order to reduce the internal pressure in the interior of a pressure vessel connected to the pressure vessel connection element.
  • the method further includes reducing a cross-section of the channel as the pressure on the pressure vessel connector decreases.
  • a pressure vessel for storing a fuel comprising the pressure relief device described in this document.
  • a vehicle in particular a
  • Road vehicle e.g. a passenger car or truck
  • which includes the pressure vessel described in this document includes the pressure vessel described in this document.
  • Figure la an exemplary pressure vessel arrangement in a vehicle
  • Figure lb an exemplary pressure relief device
  • FIGS. 2a, 2b and 2c different states of an exemplary
  • FIG. 2 d shows an exemplary pressure / mass flow profile of the
  • Figures 3a, 3b different states of an exemplary
  • FIG. 4 is a flowchart of an exemplary method of adjusting the mass flow through a pressure relief device.
  • the present document is concerned with a pressure vessel for a
  • the pressure vessel system is used to store under ambient conditions gaseous fuel or fuel.
  • the pressure vessel system can be used, for example, in a motor vehicle that is operated with compressed natural gas (CNG) or liquefied (LNG) natural gas or with hydrogen.
  • CNG compressed natural gas
  • LNG liquefied
  • Such a pressure vessel system comprises at least one pressure vessel or pressure tank.
  • High-pressure gas containers are formed, essentially at
  • Operating pressure also called nominal working pressure or NWP
  • NWP nominal working pressure
  • a cryogenic pressure vessel is suitable to store the fuel or fuel at the aforementioned operating pressures even at temperatures that are well below the operating temperature of the motor vehicle.
  • 1a shows an exemplary pressure vessel arrangement or an exemplary pressure vessel system 100 with a pressure tank or pressure vessel 110 that can be used to fuel (especially hydrogen) for a
  • the pressure vessel 110 is connected via a line 112 with the fuel consumers (e.g., a fuel cell) 101 of a vehicle.
  • the pressure vessel 110 is connected via a line 112 with the fuel consumers (e.g., a fuel cell) 101 of a vehicle.
  • the pressure vessel 110 may have end pieces 111, 114 on the front sides, which can be used in the production of the pressure vessel 110 for holding and optionally for rotating the pressure vessel 110. Further, an opening 111 may be provided at an end portion 111 through which fuel may be passed from the pressure vessel 110 (e.g., via a valve 115 to the conduit 112). At an opening of the pressure vessel 110 (possibly at openings at both end pieces 111, 114), there is typically disposed a pressure relief device 113, which may be triggered in the presence of a particular triggering condition (e.g., at a particular temperature, about 110 ° C)
  • a particular triggering condition e.g., at a particular temperature, about 110 ° C
  • a pressure vessel 110 typically includes at least one fiber reinforced layer.
  • the fiber-reinforced layer may preferably completely surround a liner at least in regions.
  • the fiber reinforced layer is often called Laminate or sheathing or reinforcement called.
  • Fiber-reinforced plastics also abbreviated to FVK or FKV
  • CFRP carbon fiber reinforced plastics
  • GRP glass fiber reinforced plastics
  • a fiber-reinforced layer suitably comprises reinforcing fibers embedded in a plastic matrix.
  • Fig. Lb shows an exemplary pressure relief device 113.
  • Pressure relief device 113 by a plug or by a
  • Closure part 122 is closed, wherein the plug 122 is held by an ampoule 123 such that the outlet opening 124 remains closed.
  • the ampoule 123 typically contains a liquid that expands when heated so that the ampule 123 breaks when the triggering condition is met.
  • the plug 122 then releases the outlet opening 124 so that fuel 125 can flow out of the pressure vessel 110 via the outlet opening 124 (see arrow 121).
  • Ampoule 123 represents an exemplary triggering element that is configured to determine whether the triggering condition for the
  • Pressure relief device 113 is met. By venting fuel 125, the pressure within a
  • Pressure vessel 110 can be reduced, so that the risk of bursting of the pressure vessel 110 is reduced.
  • the outflowing fuel 125 may possibly ignite at a certain distance from the outlet opening 124, and possibly ignite a fire. This typically increases the risk of ignition and / or associated with a fire heat and / or the risk radius through the outflowing fuel 125 with the
  • the pressure vessel 110 bursts (e.g., due to failure of the CFRP reinforcement).
  • leakage of the pressure vessel 110 may occur (e.g., by melting the liner).
  • the mass flow of the fuel 125 in the discharge should therefore be dependent on the pressure in the pressure vessel 110.
  • the mass flow should be relatively large, and at a lower pressure in the pressure vessel 110, the mass flow should be lower.
  • the discharge of the pressure vessel 110 should be as fast as possible and the mass flow should be relatively large, as long as the pressure in the pressure vessel 110 could still lead to bursting of the pressure vessel 110.
  • the pressure in the pressure vessel 110 is smaller (possibly taking into account a margin of safety) than the pressure at which it bursts
  • Pressure vessel 110 may come, so the discharge should be slower and the mass flow may be lower.
  • the pressure in the pressure vessel 110 should thus be reduced as quickly as possible to at least a certain pressure threshold. This can be achieved by the highest possible mass flow of leaking fuel 125.
  • the mass flow of leaking fuel 125 should be kept as low as possible (at least once the specified pressure threshold has been reached or undershot) in order to reduce risks for the environment of the pressure vessel 110.
  • openings 124, from which a fluid flows from a higher pressure to a lower pressure already have the property that the higher the pressure in the pressure vessel 110, the higher the mass flow of the fluid.
  • the pressure relief device 113 may include a plurality
  • Outlet opening 124 and / or the cross section of a channel to the outlet opening 124 of the pressure relief device 113 is defined.
  • the different orifices can be at least partially permeable at different internal container pressure, and thus change the cross-section of the outlet opening 124 and / or of the channel as a function of the internal pressure of the container. So can the
  • Tank internal pressure can be changed.
  • the geometry of one or more orifices of a pressure relief device 113 may vary in dependence on the internal pressure of the container, and thus change the cross section of the outlet opening 124 and / or of the channel.
  • the pressure relief device 113 of a pressure vessel 110 may thus be adapted to the degree of opening of a channel through the
  • Pressure relief device 113 with decreasing pressure of the medium within the pressure vessel 110 to reduce. So can at a relatively high
  • Container internal pressure a channel can be provided with a relatively high degree of opening to a relatively high mass flow the container internal pressure To reduce as quickly as possible to a certain pressure threshold (to reduce the risk of bursting of the pressure vessel 110).
  • the opening degree of the channel can be reduced to reduce risks to the immediate environment of the pressure vessel 110 by a relatively low mass flow.
  • an unnecessarily large mass flow can thus be avoided with a relatively small internal container pressure.
  • FIG. 2a shows an example pressure relief device 113 for a
  • the pressure relief device 113 is in the illustrated example via a pressure vessel connecting element 214 (eg with a thread) with the pressure vessel 110, for example with an end portion 111 of the pressure vessel 110, fluid-tight coupled.
  • the container internal pressure is shown in Fig. 2a with pi, the ambient pressure (eg atmospheric pressure) with p 3 and a back pressure on the main cone 205 of the pressure relief device 113 is denoted by p 2.
  • the pressure relief device 113 comprises, as already shown in Fig. Lb, a triggering element 201, for example an ampoule 123, in the presence of a
  • Tripping condition in particular in the presence of a certain temperature, triggers, and thus the main cone 205 and the secondary cone 208 of the
  • Cross section are free against to allow a relatively high mass flow.
  • side channel 212 (possibly with a relatively small cross-section) can be released by the secondary cone 208 to allow a relatively low mass flow.
  • Fig. 2a represents the
  • FIG. 2 a also shows a sealing ring 206 of the main cone 205 and a sealing ring 209 of the secondary cone 208.
  • the trigger element 201 triggers. If the internal container pressure pi is sufficiently large to overcome the restoring force of the spring 203, as shown in Fig. 2b, both the main channel 211 and the secondary channel 212 are released, so that at a relatively high
  • Fuel 125 is enabled.
  • the spring 203 typically does not act on the secondary cone 208, so that even at a relatively low internal container pressure pi the secondary channel 212 is opened (even if the main channel 211 should not be opened) and / or a complete resealing of
  • Pressure relief device 113 can be prevented.
  • the restoring force of the spring 203 causes the main plug 205 to be pressed (if necessary again) against the main seat 207, thereby closing the main duct 211.
  • the sub-channel 212 remains open. It is thus at a reduced
  • FIGS. 2 a, 2 b, 2 c further show a convection opening 204 of the relief device 113.
  • FIG. 2 d shows an exemplary pressure-mass flow profile of the pressure-relief device 113 shown in FIGS. 2 a, 2 b and 2 c. It can be seen that upon reaching and / or falling below a certain pressure threshold, the mass flow of the outgoing fuel 125 is suddenly reduced (by closing the main channel 211).
  • Figures 3a and 3b show an exemplary pressure relief device 113 with a flexible diaphragm 302.
  • the diaphragm 302 As shown in Fig. 3b, be bent, so that the cross section 301 of the (total) channel 303 through the Pressure relief device 113 is relatively large, thus enabling a relatively large mass flow.
  • there is no or a reduced bending of the diaphragm 302 so that the cross section of the (total) channel 303 and thus the mass flow are reduced.
  • Fig. 4 shows a flow diagram of an exemplary method 400 for controlling a pressure relief device 113 for a pressure vessel 110, wherein the pressure vessel 110, e.g. for storing a gaseous at ambient pressure fuel 125 is used.
  • the method 400 may be implemented by a
  • Control unit 117 of the pressure relief device 113 are executed (for example, in an electronically controlled pressure relief device 113). This is illustrated by way of example in FIG. 1a.
  • FIG. 1 a shows an optional control unit 117 and an optional pressure sensor 116.
  • the pressure sensor 116 may be configured to detect sensor data relating to the tank internal pressure of the pressure tank 110.
  • the controller 117 may be configured to drive one or more actuators of the pressure relief device 113 in response to the sensor data to perform the method 400.
  • the method 400 may be performed by a corresponding mechanical design of the pressure relief device 113.
  • the method 400 includes opening 401 of a passage 303 between a pressure vessel port 214 of the pressure relief device 113 and an exit port 124 of the pressure relief device 113 when a triggering condition of the pressure relief device 113 is satisfied.
  • the opening 401 of the channel 303 allows fuel 125 from a pressure vessel 110 connected to the pressure vessel connection element 214 to flow from the pressure vessel connection element 214 via the outlet opening 124 into an environment of the pressure relief device 113 via the duct 303, in order to reduce the internal pressure reduce in the interior of the pressure vessel 110.
  • the method 400 includes reducing 402 a cross-section 301 of the channel 303 as the pressure on the pressure vessel interface 214 decreases.
  • the cross section 301 of the channel 303 By reducing the cross section 301 of the channel 303, the mass flow of the flowing through the pressure relief device 113
  • Fuel 125 can be reduced.
  • main closure part main cone

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
  • Cooling, Air Intake And Gas Exhaust, And Fuel Tank Arrangements In Propulsion Units (AREA)

Abstract

Es wird eine Druckentlastungsvorrichtung (113) für einen Druckbehälter (110) zur Speicherung eines bei Umgebungsdruck gasförmigen Brennstoffs (125) beschrieben. Die Druckentlastungsvorrichtung (113) ist eingerichtet, bei Erfüllung einer Auslösebedingung einen Kanal (303) zwischen einem Druckbehälter-Anschlusselement (214) der Druckentlastungsvorrichtung (113) und einer Austrittsöffnung (124) der Druckentlastungsvorrichtung (113) zu öffnen, so dass über den Kanal (303) Brennstoff (125) aus einem an dem Druckbehälter-Anschlusselement (214) angeschlossenen Druckbehälter (110) in eine Umgebung des Druckbehälters (110) abfließen kann, um einen Innendruck im Innenraum des Druckbehälters (110) zu reduzieren. Außerdem ist die Druckentlastungsvorrichtung (113) eingerichtet, den Querschnitt (301) des Kanals (303) mit sinkendem Innendruck des an dem Druckbehälter-Anschlusselement (214) angeschlossenen Druckbehälters (110) zu reduzieren.

Description

Druckentlastungsvorrichtung mit einem variablen Massenstrom
Die Erfindung betrifft eine Druckentlastung s Vorrichtung für einen Druckbehälter, wobei die Druckentlastungs Vorrichtung eingerichtet ist, den Massenstrom eines aus dem Druckbehälter austretenden Fluids zu verändern.
Ein Straßenkraftfahrzeug kann eine Brennstoffzelle aufweisen, die auf Basis eines Brennstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb,
insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert. Der Brennstoff kann in einem oder mehreren Druckbehältern bzw. Drucktanks des Fahrzeugs gespeichert werden, wobei ein Druckbehälter ein oder mehrere Druckbehälter-Wände aufweist, die einen Hohlraum zur Aufnahme des Brennstoffs umschließen. Der Brennstoff kann über ein Ventil aus dem Druckbehälter zu der Brennstoffzelle des Fahrzeugs geführt werden. Ein Druckbehälter kann am Unterboden bzw. in der Bodengruppe eines Fahrzeugs angeordnet sein.
Ein Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff weist typischerweise zumindest eine Druckentlastungs Vorrichtung auf, durch die Brennstoff aus dem Druckbehälter abgelassen werden kann, wenn ein Risiko für eine Schädigung (insbesondere für das Bersten) des Druckbehälters detektiert wurde. So kann das Schädigungs-Risiko des Druckbehälters reduziert werden. Andererseits kann der ausströmende Brennstoff ggf. ein Risiko für ein direktes Umfeld des
Druckbehälters darstellen. Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine
Druckentlastungsvorrichtung für einen Druckbehälter bereitzustellen, durch die die Sicherheit für den Druckbehälter und für ein Umfeld des Druckbehälters erhöht werden kann. Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem
unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs
unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
Gemäß einem Aspekt wird eine Druckentlastungs Vorrichtung (z.B. ein
Temperature Pressure Relief Device, TPRD) für einen Druckbehälter beschrieben. Der Druckbehälter kann zur Speicherung eines bei Umgebungsdruck gasförmigen Brennstoffs (insbesondere H2) ausgelegt sein. Die Druckentlastungsvorrichtung kann ein Ventil umfassen. Die Druckentlastungs Vorrichtung kann über ein Druckbehälter- Anschlusselement mit einer Öffnung eines Druckbehälters verbunden sein, so dass die Öffnung in einem verschlossenen Zustand der Druckentlastungsvorrichtung verschlossen ist. Beispielsweise kann das
Druckbehälter- Anschlusselement auf die Öffnung des Druckbehälters
aufgeschraubt sein. Die Druckentlastungsvorrichtung ist eingerichtet, bei Erfüllung einer
Auslösebedingung (z.B. bei Erreichen und/oder Überschreiten eines Temperatur- Schwellenwerts) einen Kanal zwischen dem Druckbehälter- Anschlusselement der Druckentlastungsvorrichtung und einer Austrittsöffnung der
Druckentlastungsvorrichtung zu öffnen. Durch Öffnen des Kanals kann das in dem Druckbehälter gespeicherte Fluid, z.B. Brennstoff, über den Kanal aus dem an dem Druckbehälter- Anschlusselement angeschlossenen Druckbehälter in eine Umgebung des Druckbehälters abfließen, um den Innendruck im Innenraum des Druckbehälters zu reduzieren. Durch die Reduzierung des Innendrucks des Druckbehälters kann z.B. bei einem Brand in der Umgebung des Druckbehälters das Risiko dafür, dass der Druckbehälter schlagartig versagt, reduziert werden. Zum Öffnen des Kanals können ein oder mehrere Verschlussteile der
Druckentlastungsvorrichtung bewegt werden, um ein oder mehrere Teilkanäle durch die Druckentlastungsvorrichtung freizugeben.
Die Druckentlastungsvorrichtung kann ferner eingerichtet sein, den Querschnitt des Kanals mit sinkendem Innendruck des an dem Druckbehälter- Anschlusselement angeschlossenen Druckbehälters zu reduzieren. Insbesondere kann dabei der für den Massenstrom des durch den Kanal fließenden Fluids relevante Querschnitt des Kanals reduziert werden, um den Massenstrom zu reduzieren. Der Querschnitt des Kanals kann insbesondere reduziert werden, wenn der Betrag der Differenz des Drucks an dem Druckbehälter- Anschlusselement und des Drucks an der Auslassöffnung sinkt.
Die Druckentlastungsvorrichtung kann somit eingerichtet sein, bei einem relativ hohen Innendruck des Druckbehälters (d.h. bei einem relativ hohen Druck an dem Druckbehälter- Anschlusselement) einen Abfluss-Kanal mit einem relativ großen Querschnitt bereitzustellen. Andererseits kann bei einem relativ niedrigen Innendruck des Druckbehälters ein Abfluss-Kanal mit einem relativ kleinen Querschnitt bereitgestellt werden. Die Reduzierung des Querschnitts kann dabei kontinuierlich oder stufenweise mit abnehmenden Innendruck des Druckbehälters erfolgen. So kann bei einem relativ hohen Innendruck des Druckbehälters ein relativ hoher Massenstrom des aus dem Druckbehälter austretenden Fluids bewirkt werden, um möglichst schnell das Berstrisiko des Druckbehälters zu reduzieren. Andererseits kann bei einem relativ niedrigen Innendruck des Druckbehälters ein relativ niedriger Massenstrom des aus dem Druckbehälter austretenden Fluids bewirkt werden, um ein, durch das austretende Fluid bewirktes, Risiko für die Umgebung des Druckbehälters (z.B. ein Brandrisiko) zu reduzieren. Die in diesem Dokument beschriebene Druckentlastungsvorrichtung ermöglicht es somit, die Sicherheit eines Druckbehälters zu erhöhen (insbesondere bei einer Brand- und/oder Unfallsituation). Die Druckentlastungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den Querschnitt des
Kanals zu reduzieren, sobald der Innendruck einen Druck-Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Dabei kann der Druck-Schwellenwert von einem Berstdruck des Druckbehälters abhängen. Insbesondere kann der Druck-Schwellenwert von dem Berstdruck des Druckbehälters bei Vorliegen einer bestimmten Bedingung des Umfelds des Druckbehälters (z.B. einer bestimmten Temperatur des Umfelds des Druckbehälters) abhängen.
Die Auslösebedingung für die Druckentlastungsvorrichtung kann z.B. das Erreichen und/oder Überschreiten eines Temperatur-Schwellenwertes an der Druckentlastungsvorrichtung umfassen. Insbesondere kann bei Erreichen eines Temperatur-Schwellenwerts (z.B. 110°C) ein Auslöseelement (z.B. eine Glas- Ampulle oder Eutektikum) der Druckentlastungsvorrichtung auslösen, um den Kanal durch das Druckentlastungselement freizugeben. Der Druck-Schwellenwert kann dann von dem Berstdruck des Druckbehälters bei einer Temperatur abhängen, die gleich wie oder größer als der Temperatur-Schwellenwert ist.
Durch die Berücksichtigung des Berstdrucks des Druckbehälters bei der
Auslegung der Druckentlastungsvorrichtung kann die Sicherheit des
Druckbehälters weiter erhöht werden. Die Druckentlastungsvorrichtung kann zwei oder mehr unterschiedliche Blenden umfassen, die zwei oder mehr unterschiedliche Querschnitte des Kanals ermöglichen. Die zwei oder mehr Blenden können zumindest teilweise bei unterschiedlichen Innendrücken durchlässig für Brennstoff sein. Insbesondere kann bei einem relativ hohen Innendruck zumindest eine Blende mit einem relativ großen Querschnitt durchlässig sein. Andererseits können bei einem relativ niedrigen Innendruck nur ein oder mehrere Blenden mit einem relativ kleinen Querschnitt durchlässig sein. So kann durch die Verwendung von
unterschiedlichen Blenden in effizienter und zuverlässiger Weise der Querschnitt des Kanals durch die Druckentlastungs Vorrichtung angepasst werden. Die Druckentlastungs Vorrichtung kann zumindest eine Blende umfassen, die den Querschnitt des Kanals beeinflusst, wobei die Geometrie der Blende
(insbesondere der durch die Blende bewirkte Querschnitt) von dem Innendruck des Druckbehälters abhängt. Beispielsweise kann die Blende ein flexibles Material umfassen, das sich je nach Druckunterschied zwischen Druckbehälter- Anschlusselement und Austrittsöffnung unterschiedlich stark verformt und dadurch den Querschnitt des Kanals verändert. So wird eine effiziente und zuverlässige Anpassung des Querschnitts des Kanals durch die
Druckentlastungsvorrichtung ermöglicht. Die Druckentlastungsvorrichtung umfasst typischerweise ein Gehäuse, an dem (auf einer ersten Seite) das Druckbehälter- Anschlusselement und an dem (auf einer unterschiedlichen, zweiten Seite) die Austrittsöffnung der
Druckentlastungsvorrichtung angeordnet sind. Das Gehäuse kann ausgebildet sein, den Kanal zwischen dem Druckbehälter- Anschlusselement und der
Austrittsöffnung zu umschließen. Das Gehäuse kann z.B. zylinderförmig sein.
Die Druckentlastungsvorrichtung kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von dem Innendruck einen Hauptkanal und/oder einen Nebenkanal des (Gesamt-) Kanals zu der Austrittsöffnung zu öffnen, um den Querschnitt des (Gesamt-) Kanals zu verändern. Mit anderen Worten, innerhalb des Gehäuses der
Druckentlastungsvorrichtung können mehrere unterschiedliche Teilkanäle (z.B. ein Hauptkanal und ein Nebenkanal) bereitgestellt werden, die zusammen einen (Gesamt-) Kanal mit einem bestimmten Querschnitt bilden. Die Teilkanäle können zumindest teilweise selektiv in Abhängigkeit von dem Innendruck des Druckbehälters geöffnet werden, um den Querschnitt des (Gesamt-) Kanals durch die Druckentlastungsvorrichtung anzupassen. Durch die Bereitstellung von unterschiedlichen Teilkanälen, die selektiv je nach Druckbedingungen geöffnet bzw. verschlossen werden können, kann der Querschnitt des (Gesamt-) Kanals durch die Druckentlastungsvorrichtung in zuverlässiger Weise stufenweise angepasst werden.
Insbesondere kann die Druckentlastungsvorrichtung ausgebildet sein, bei
Erfüllung der Auslösebedingung sowohl den Hauptkanal als auch den Nebenkanal zu der Austrittsöffnung zu öffnen, wenn der Innendruck größer als der Druck- Schwellenwert ist. Der Querschnitt des (Gesamt-) Kanals umfasst dann den Querschnitt des Hauptkanals und den Querschnitt des Nebenkanals. Des Weiteren kann die Druckentlastungsvorrichtung ausgebildet sein, den Hauptkanal wieder zu verschließen während der Nebenkanal weiter geöffnet bleibt, wenn der
Innendruck den Druck-Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Der Querschnitt des (Gesamt-) Kanals umfasst dann den Querschnitt des Nebenkanals aber nicht mehr den Querschnitt des Hauptkanals.
Die Druckentlastungsvorrichtung kann ein von dem Gehäuse umschlossenes Hauptverschlussteil (z.B. einen Hauptkegel) umfassen, das in einem
verschlossenen Zustand der Druckentlastungsvorrichtung an einem Hauptsitz des Gehäuses anliegt, und so den Hauptkanal verschließt. Das Hauptverschlussteil kann innerhalb des Gehäuses von dem Hauptsitz wegbewegt werden, um den Hauptkanal zu öffnen oder zu dem Hauptsitz hinbewegt werden, um den
Hauptkanal zu verschließen. Des Weiteren kann die Druckentlastungsvorrichtung ein von dem
Hauptverschlussteil umschlossenes Neben verschlus steil (z.B. einen Nebenkegel) umfassen, das in einem verschlossenen Zustand der Druckentlastung s Vorrichtung an einem Nebensitz des Hauptverschlussteils anliegt, und so den Nebenkanal verschließt. Dabei verläuft der Nebenkanal zumindest teilweise durch das Hauptverschlussteil. Das Nebenverschlussteil kann innerhalb des
Neben verschlussteils von dem Nebensitz wegbewegt werden, um den Nebenkanal zu öffnen oder zu dem Nebensitz hinbewegt werden, um den Nebenkanal zu verschließen. So können in effizienter Weise unterschiedliche Teilkanäle innerhalb der Druckentlastungsvorrichtung bereitgestellt werden. Die Druckentlastungsvorrichtung kann eine Feder umfassen, die eingerichtet ist, das Hauptverschlussteil gegen den Hauptsitz zu drücken. Die Feder kann ausgebildet sein (durch eine entsprechende Rückstellkraft), das
Hauptverschlussteil zurück auf den Hauptsitz zu drücken, um den Hauptkanal wieder zu schließen, wenn der Innendruck den Druck- Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. So kann der Hauptkanal bei Erreichen des Druck-Schwellenwerts wieder verschlossen werden, um den Querschnitt des (Gesamt-) Kanals zu reduzieren.
Wie bereits oben dargelegt, kann die Druckentlastungsvorrichtung ein
Auslöseelement umfassen (z.B. in Form einer Ampulle, die bei Vorliegen der Auslösebedingung bricht). Das Auslöseelement kann eingerichtet sein, das Neben verschlus steil gegen den Nebensitz zu drücken (und damit den Nebenkanal und ggf. auch den Hauptkanal zu verschließen). Des Weiteren kann das
Auslöseelement eingerichtet sein, das Neben verschlus steil freizugeben, um den Nebenkanal, der durch das Hauptverschlussteil zu der Austrittsöffnung verläuft, zu öffnen, wenn die Auslösebedingung erfüllt ist. Durch das Freigeben des Nebenschlussteils kann ggf. auch das Hauptverschlussteil freigegeben werden, so dass auch der Hauptkanal geöffnet wird. Beispielsweise kann das relativ zu dem Druckbehälter- Anschlusselement hinter dem Nebenschlussteil liegende
Auslöseelement zerstört werden, wenn die Auslösebedingung erfüllt ist, so dass das Nebenschlussteil durch den auf das Nebenverschlussteil wirkenden
Innendruck von dem Nebensitz weggedrückt wird, um den Nebenkanal zu öffnen. Außerdem kann auch das Hauptverschlussteil durch den auf das
Hauptverschlussteil wirkenden Innendruck von dem Hauptsitz weggedrückt werden, um den Hauptkanal zu öffnen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Steuerung einer
Druckentlastungsvorrichtung für einen Druckbehälter beschrieben. Das Verfahren kann z.B. durch eine elektronische Steuereinheit einer elektronisch steuerbaren Druckentlastungsvorrichtung, ggf. mit einem Drucksensor zur Bestimmung des Behälterdrucks, ausgeführt werden. Der Druckbehälter kann zur Speicherung eines bei Umgebungsdruck gasförmigen Fluids, insbesondere eines Brennstoffs, ausgelegt sein. Das Verfahren umfasst das Öffnen zumindest eines Kanals zwischen einem Druckbehälter-Anschlusselement der
Druckentlastungsvorrichtung und einer Austrittsöffnung der
Druckentlastungsvorrichtung, wenn eine Auslösebedingung der
Druckentlastungsvorrichtung erfüllt ist. Dabei kann über den geschaffenen Kanal Brennstoff von dem Druckbehälter-Anschlusselement in eine Umgebung der Druckentlastungsvorrichtung abfließen, um den Innendruck im Innenraum eines mit dem Druckbehälter- Anschlusselement verbundenen Druckbehälters zu reduzieren. Das Verfahren umfasst ferner das Reduzieren eines Querschnitts des Kanals, wenn der Druck an dem Druckbehälter- Anschlusselement sinkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Druckbehälter zur Speicherung eines Brennstoffs beschrieben, wobei der Druckbehälter die in diesem Dokument beschriebene Druckentlastungs Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein
Straßenkraftfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen) beschrieben, das den in diesem Dokument beschriebenen Druckbehälter umfasst.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
Figur la eine beispielhafte Druckbehälter- Anordnung in einem Fahrzeug;
Figur lb eine beispielhafte Druckentlastungsvorrichtung;
Figuren 2a, 2b und 2c unterschiedliche Zustände einer beispielhaften
Druckentlastung s Vorrichtung ;
Figur 2d einen beispielhaften Druck / Massenstrom - Verlauf der
Druckentlastungsvorrichtung aus Figur 2a;
Figuren 3a, 3b unterschiedliche Zustände einer beispielhaften
Druckentlastungsvorrichtung; und
Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Anpassung des Massenstroms durch eine Druckentlastungsvorrichtung.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der
Bereitstellung einer Druckentlastungsvorrichtung für einen Druckbehälter, durch die die Sicherheit des Druckbehälters erhöht werden kann. Dabei befasst sich das vorliegende Dokument insbesondere mit einem Druckbehälter für ein
Druckbehältersystem (insbesondere ein compressed hydrogen storage System (=CHS-System)) für ein Kraftfahrzeug. Das Druckbehältersystem dient zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Kraftstoff bzw. Brennstoff. Das Druckbehältersystem kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas" = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird.
Ein solches Druckbehältersystem umfasst mindestens einen Druckbehälter bzw. Drucktank. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei
Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen
Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr, zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bzw. Kraftstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen. Fig. la zeigt eine beispielhafte Druckbehälter-Anordnung bzw. ein beispielhaftes Druckbehältersystem 100 mit einem Drucktank bzw. Druckbehälter 110, der dazu verwendet werden kann, Brennstoff (insbesondere Wasserstoff) für einen
Brennstoff- Verbraucher (z.B. eine Brennstoffzelle) 101 eines Fahrzeugs bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über eine Leitung 112 mit dem
Brennstoff- Verbraucher 101 verbunden.
Der Druckbehälter 110 kann an den Stirnseiten Endstücke 111, 114 aufweisen, die bei der Herstellung des Druckbehälters 110 zum Halten und ggf. zum Drehen des Druckbehälters 110 verwendet werden können. Des Weiteren kann an einem Endstück 111 eine Öffnung bereitgestellt werden, durch die Brennstoff aus dem Druckbehälter 110 geführt werden kann (z.B. über ein Ventil 115 zu der Leitung 112). An einer Öffnung des Druckbehälters 110 (ggf. an Öffnungen an beiden Endstücken 111, 114) ist typischerweise eine Druckentlastung s Vorrichtung 113 angeordnet, die bei Vorliegen einer bestimmten Auslösebedingung (z.B. bei Vorliegen einer bestimmten Temperatur, etwa 110°C) auslösen kann, um
Brennstoff aus dem Druckbehälter 110 in die Umgebung des Druckbehälters 110 abzulassen, und um so den Druck in dem Druckbehälter 110 zu reduzieren.
Ein Druckbehälter 110 umfasst typischerweise mindestens eine faserverstärkte Schicht. Die faserverstärkte Schicht kann einen Liner zumindest bereichsweise bevorzugt vollständig umgeben. Die faserverstärkte Schicht wird oft auch als Laminat bzw. Ummantelung oder Armierung bezeichnet. Als faserverstärkte Schicht kommen i.d.R. faserverstärkte Kunststoffe (auch FVK bzw. FKV abgekürzt) zum Einsatz, bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und/oder glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK). Eine faserverstärkte Schicht umfasst zweckmäßig in einer Kunststoffmatrix eingebettete Verstärkungsfasern.
Fig. lb zeigt ein beispielhafte Druckentlastungsvorrichtung 113. In einem geschlossenen Zustand wird eine Austrittsöffnung 124 der
Druckentlastungsvorrichtung 113 durch einen Pfropf bzw. durch ein
Verschlussteil 122 verschlossen, wobei der Pfropf 122 durch eine Ampulle 123 derart gehalten wird, dass die Austrittsöffnung 124 verschlossen bleibt. Die Ampulle 123 enthält typischerweise eine Flüssigkeit, die sich bei Erwärmung ausdehnt, so dass die Ampulle 123 zerbricht, wenn die Auslösebedingung erfüllt ist. Der Pfropf 122 gibt dann die Austrittsöffnung 124 frei, so dass Brennstoff 125 über die Austrittsöffnung 124 aus dem Druckbehälter 110 (siehe Pfeil 121) strömen kann. Die Ampulle 123 stellt ein beispielhaftes Auslöseelement dar, das eingerichtet ist, zu ermitteln, ob die Auslösebedingung für die
Druckentlastungsvorrichtung 113 erfüllt ist. Durch das Ablassen von Brennstoff 125 kann der Druck innerhalb eines
Druckbehälters 110 reduziert werden, so dass das Berstrisiko des Druckbehälters 110 reduziert wird. Andererseits kann sich der ausströmende Brennstoff 125 ggf. in einem bestimmten Abstand zu der Austrittsöffnung 124 entzünden, und ggf. einen Brand entfachen. Dabei steigen typischerweise das Entzündungsrisiko und/oder die mit einem Brand verbundene Hitzeeinwirkung und/oder der Gefährdungsradius durch den ausströmenden Brennstoff 125 mit dem
Massenstrom des austretenden Brennstoffs 125 an. Des Weiteren kann durch den austretenden Brennstoff 125 Luftsauerstoff verdrängt werden (insbesondere in einem Tunnel und/oder in einer Garage), wobei dieser Verdrängungseffekt mit steigendem Massenstrom ansteigt. Durch das Ablassen von Brennstoff 125 kann somit einerseits das Berstrisiko eines Druckbehälters 110 reduziert werden. Andererseits kann ein relativ hoher Massenstrom von austretendem Brennstoff 125 ein Risiko für eine direkte Umgebung des Druckbehälters 110 darstellen.
Das Versagen eines Druckbehälters 110, z.B. bei einem Brand, hängt
typischerweise primär vom Behälterinnendruck ab. Für höhere Drücke kommt es zum Bersten des Druckbehälters 110 (z.B. durch Versagen der CFK- Armierung). Für niedrigere Drücke kann es zu einer Leckage des Druckbehälters 110 kommen (z.B. durch Schmelzen des Liners). Der Massenstrom des Brennstoffs 125 bei der Entlastung sollte daher abhängig vom Druck im Druckbehälter 110 sein. Bei einem größeren Druck im Druckbehälter 110 sollte der Massenstrom relativ groß sein und bei einem kleineren Druck im Druckbehälter 110 sollte der Massenstrom geringer sein. Insbesondere sollte die Entlastung des Druckbehälters 110 möglichst schnell erfolgen und der Massenstrom relativ groß sein, solange der Druck im Druckbehälter 110 noch zu einem Bersten des Druckbehälters 110 führen könnte.
Ist der Druck im Druckbehälter 110 dagegen kleiner (ggf. unter Berücksichtigung einer Sicherheitsmarge) als der Druck, bei dem es zu einem Bersten des
Druckbehälters 110 kommen kann, so sollte die Entlastung langsamer erfolgen und der Massenstrom geringer sein.
Um das Berstrisiko des Druckbehälters 110 zu reduzieren, sollte somit der Druck im Druckbehälter 110 möglichst schnell zumindest auf einen bestimmten Druck- Schwellenwert reduziert werden. Dies kann durch einen möglichst hohen Massenstrom von austretendem Brennstoff 125 erreicht werden. Andererseits sollte der Massenstrom von austretendem Brennstoff 125 möglichst gering gehalten werden (zumindest sobald der bestimmte Druck-Schwellenwert erreicht bzw. unterschritten wurde), um Risiken für die Umgebung des Druckbehälters 110 zu reduzieren. Im Grundsatz haben Öffnungen 124, aus denen ein Fluid von einem höheren Druck zu einem niedrigeren Druck strömt, bereits die Eigenschaft, dass der Massenstrom des Fluids um so höher ist, je höher der Druck im Druckbehälter 110 ist. In diesem Dokument wird jedoch vorgeschlagen, diesen Effekt durch Anpassung der Geometrie der Druckentlastungsvorrichtung 113 zu verstärken und den Massenstrom des Brennstoffs 125 entsprechend zu steuern bzw. zu regeln. Typischerweise kann allein aufgrund der Strömungsgesetze mit einer festen Geometrie einer Druckentlastungsvorrichtung 113 kein ausreichend hoher Massenstrom oberhalb eines kritischen Druck-Schwellenwerts und/oder kein ausreichend kleiner Massenstrom unterhalb des kritischen Druck-Schwellenwerts erreicht werden.
Die Druckentlastungs Vorrichtung 113 kann beispielsweise mehrere
unterschiedliche Blenden aufweisen, durch die der Querschnitt der
Auslassöffnung 124 und/oder der Querschnitt eines Kanals zu der Auslassöffnung 124 der Druckentlastungsvorrichtung 113 definiert wird. Die unterschiedlichen Blenden können zumindest teilweise bei unterschiedlichem Behälterinnendruck durchlässig sein, und so den Querschnitt der Auslassöffnung 124 und/oder des Kanals in Abhängigkeit vom Behälterinnendruck verändern. So kann der
Massenstrom des austretenden Brennstoffs 125 in Abhängigkeit von dem
Behälterinnendruck verändert werden. Alternativ oder ergänzend kann sich die Geometrie von ein oder mehreren Blenden einer Druckentlastungsvorrichtung 113 in Abhängigkeit von dem Behälterinnendruck verändern, und so den Querschnitt der Auslassöffnung 124 und/oder des Kanals verändern.
Die Druckentlastungs Vorrichtung 113 eines Druckbehälters 110 kann somit eingerichtet sein, den Öffnungsgrad eines Kanals durch die
Druckentlastungsvorrichtung 113 mit sinkendem Druck des Mediums innerhalb des Druckbehälters 110 zu reduzieren. So kann bei einem relativ hohen
Behälterinnendruck ein Kanal mit einem relativ hohen Öffnungsgrad bereitgestellt werden, um durch einen relativ hohen Massenstrom den Behälterinnendruck möglichst schnell auf einen bestimmten Druck-Schwellenwert zu reduzieren (um das Berstrisiko des Druckbehälters 110 zu reduzieren). Andererseits kann bei einem relativ niedrigen Behälterinnendruck (z.B. ab dem Druck-Schwellenwert) der Öffnungsgrad des Kanals reduziert werden, um durch einen relativ niedrigen Massenstrom Risiken für die direkte Umgebung des Druckbehälters 110 zu reduzieren. Insbesondere kann so bei einem relativ kleinen Behälterinnendruck ein unnötig großer Massenstrom vermieden werden. So kann die Sicherheit eines Druckbehälters 110 (z.B. bei einem Brand) erhöht werden. Fig. 2a zeigt eine beispielhafte Druckentlastungsvorrichtung 113 für einen
Druckbehälter 110. Die Druckentlastungsvorrichtung 113 ist in dem dargestellten Beispiel über ein Druckbehälter- Anschlusselement 214 (z.B. mit einem Gewinde) mit dem Druckbehälter 110, z.B. mit einem Endstück 111 des Druckbehälters 110, fluiddicht gekoppelt. Der Behälterinnendruck wird in Fig. 2a mit pi, der Umgebungsdruck (z.B. der Atmosphärendruck) wird mit p3 und ein Hinterdruck am Hauptkegel 205 der Druckentlastungs Vorrichtung 113 wird mit p2 bezeichnet. Die Druckentlastungsvorrichtung 113 umfasst, wie bereits in Fig. lb dargestellt, ein Auslöseelement 201, z.B. eine Ampulle 123, die bei Vorliegen einer
Auslösebedingung, insbesondere bei Vorliegen einer bestimmten Temperatur, auslöst, und damit den Hauptkegel 205 und den Nebenkegel 208 der
Druckentlastungsvorrichtung 113 freigibt. Durch den Hauptkegel 205 kann, wie in Fig. 2b dargestellt, ein Hauptkanal 211 (ggf. mit einem relativ großen
Querschnitt) frei gegen werden, um einen relativ hohen Massenstrom zu ermöglichen. Andererseits kann durch den Nebenkegel 208 ein Nebenkanal 212 (ggf. mit einem relativ kleinen Querschnitt) freigegeben werden, um einen relativ niedrigen Massenstrom zu ermöglichen.
Der Hauptkegel 205 und der Nebenkegel 208 sind in einem Gehäuse 202 der Druckentlastungsvorrichtung 113 angeordnet. Fig. 2a stellt die
Druckentlastungsvorrichtung 113 in einem geschlossenen Zustand dar. Der Hauptkegel 205 sitzt dabei an einem Hauptsitz 207 der Druckentlastungsvorrichtung 113, wobei der Hauptsitz 207 fest mit dem Gehäuse 202 verbunden ist. Der Hauptkegel 205 verschließt somit den Hauptkanal 211. Der Hauptkegel 205 wird durch eine Feder 203 gegen den Hauptsitz 207 gepresst. Der Nebensitz 208 ist von dem Hauptkegel 205 umgeben und liegt im geschlossen Zustand an einem an dem Hauptkegel 205 angeordneten Nebensitz 210 an, um den durch den Hauptkegel 205 verlaufenden Nebenkanal 212 zu verschließen. Der Nebenkegel 208 wird durch das Auslöseelement 201 gegen den Nebensitz 210 gedrückt. Fig. 2a zeigt auch einen Dichtungsring 206 des Hauptkegels 205 und einen Dichtungsring 209 des Nebenkegels 208.
Bei Vorliegen der Auslösebedingung löst das Auslöseelement 201 aus. Wenn der Behälterinnendruck pi ausreichend groß ist, um die Rückstellkraft der Feder 203 zu überwinden, werden, wie in Fig. 2b dargestellt, sowohl der Hauptkanal 211 als auch der Nebenkanal 212 freigegeben, so dass bei einem relativ hohen
Behälterinnendruck pi ein relativ hoher Massenstrom von austretendem
Brennstoff 125 ermöglicht wird. Die Feder 203 wirkt typischerweise nicht auf den Nebenkegel 208, so dass auch bei einem relativ niedrigen Behälterinnendruck pi der Nebenkanal 212 geöffnet (auch wenn der Hauptkanal 211 nicht geöffnet werden sollte) und/oder ein komplettes Wiederverschließen der
Druckentlastungsvorrichtung 113 verhindert werden.
Wenn der Behälterinnendruck pi sinkt, so bewirkt die Rückstellkraft der Feder 203, dass der Hauptkegel 205 (ggf. wieder) gegen den Hauptsitz 207 gepresst wird, und dabei den Hauptkanal 211 verschließt. Andererseits verbleibt der Nebenkanal 212 weiterhin geöffnet. Es wird somit bei einem reduzierten
Behälterinnendruck pi ein reduzierter Massenstrom von austretendem Brennstoff 125 ermöglicht. Der Brennstoff 125 tritt über die Austrittsöffnung 124 der Druckentlastungsvorrichtung 113 aus. Die Figuren 2a, 2b, 2c zeigen weiter eine Konvektionsöffnung 204 der Entlastungs Vorrichtung 113. Fig. 2d zeigt einen beispielhaften Druck-Massenstrom- Verlauf der in den Figuren 2a, 2b und 2c dargestellten Druckentlastungs Vorrichtung 113. Es ist ersichtlich, dass bei Erreichung und/oder Unterschreiten eines bestimmten Druck- Schwellenwerts der Massenstrom des austretenden Brennstoffs 125 sprunghaft reduziert wird (durch Verschließen des Hauptkanals 211).
Die Figuren 3a und 3b zeigen eine beispielhafte Druckentlastungsvorrichtung 113 mit einer flexiblen Blende 302. Bei einem relativ hohen Behälterinnendruck kann die Blende 302, wie in Fig. 3b dargestellt, gebogen sein, so dass der Querschnitt 301 des (Gesamt-) Kanals 303 durch die Druckentlastungs Vorrichtung 113 relativ groß ist und somit einen relativ großen Massenstrom ermöglicht. Andererseits erfolgt bei einem relativ niedrigen Behälterinnendruck keine bzw. eine reduzierte Biegung der Blende 302, so dass der Querschnitt des (Gesamt-) Kanals 303 und damit der Massenstrom reduziert werden.
Fig. 4 zeigt ein Ablauf diagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Steuerung einer Druckentlastungsvorrichtung 113 für einen Druckbehälter 110, wobei der Druckbehälter 110 z.B. zur Speicherung eines bei Umgebungsdruck gasförmigen Brennstoffs 125 dient. Das Verfahren 400 kann durch eine
Steuereinheit 117 der Druckentlastungs Vorrichtung 113 ausgeführt werden (z.B. bei einer elektronisch gesteuerten Druckentlastungsvorrichtung 113). Dies ist beispielhaft in Fig. la dargestellt. Insbesondere zeigt Fig. la eine optionale Steuereinheit 117 und einen optionalen Drucksensor 116. Der Drucksensor 116 kann eingerichtet sein, Sensordaten in Bezug auf den Behälterinnendruck des Druckbehälters 110 zu erfassen. Die Steuereinheit 117 kann eingerichtet sein, ein oder mehrere Aktuatoren der Druckentlastungs Vorrichtung 113 in Abhängigkeit von den Sensordaten anzusteuern, um das Verfahren 400 auszuführen.
Andererseits kann das Verfahren 400 durch eine entsprechende mechanische Auslegung der Druckentlastungsvorrichtung 113 ausgeführt werden. Das Verfahren 400 umfasst das Öffnen 401 eines Kanals 303 zwischen einem Druckbehälter- Anschlusselement 214 der Druckentlastungsvorrichtung 113 und einer Austrittsöffnung 124 der Druckentlastungsvorrichtung 113, wenn eine Auslösebedingung der Druckentlastungsvorrichtung 113 erfüllt ist. Durch das Öffnen 401 des Kanals 303 wird ermöglicht, dass über den Kanal 303 Brennstoff 125 aus einem mit dem Druckbehälter-Anschlusselement 214 verbundenen Druckbehälter 110 von dem Druckbehälter- Anschlusselement 214 über die Austrittsöffnung 124 in eine Umgebung der Druckentlastungsvorrichtung 113 abfließen kann, um den Innendruck im Innenraum des Druckbehälters 110 zu reduzieren.
Außerdem umfasst das Verfahren 400 das Reduzieren 402 eines Querschnitts 301 des Kanals 303, wenn der Druck an dem Druckbehälter-Anschlusselement 214 sinkt. Durch die Reduzierung des Querschnitts 301 des Kanals 303 kann der Massenstrom des durch die Druckentlastungsvorrichtung 113 fließenden
Brennstoffs 125 reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
Bezugszeichenliste
100 Druckbehälter- Anordnung
101 Brennstoff- Verbraucher
110 Druckbehälter
111, 114 Endstück
112 Leitung
113 Druckentlastungsvorrichtung
115 Ventil
116 Drucksensor
117 Steuereinheit
121 Strömungsrichtung
122 Verschlussteil (Pfropf)
123 Ampulle
124 Auslassöffnung
125 Brennstoff
201 Auslöseelement
202 Gehäuse
203 Feder
204 Konvektionsöffnung
205 Hauptverschlussteil (Hauptkegel)
206 Dichtung des Hauptverschlussteils
207 Hauptsitz
208 Nebenverschlus steil (Nebenkegel)
209 Dichtung des Nebenverschlussteils
210 Neben sitz
211 Hauptkanal
212 Nebenkanal
214 Druckbehälter- Anschlusselement
301 Querschnitt
302 Blende Kanal
Verfahren zur Steuemng einer Dmckentlastungsvornchtung Verfahrensschritte

Claims

Ansprüche
1) Druckentlastungsvorrichtung (113) für einen Druckbehälter (110) zur
Speicherung eines bei Umgebung sdruck gasförmigen Brennstoffs (125); wobei die Druckentlastungsvorrichtung (113) eingerichtet ist,
- bei Erfüllung einer Auslösebedingung einen Kanal (303) zwischen einem Druckbehälter-Anschlusselement (214) der
Druckentlastungsvorrichtung (113) und einer Austrittsöffnung (124) der Druckentlastungsvorrichtung (113) zu öffnen, so dass über den Kanal (303) Brennstoff (125) aus einem an dem Druckbehälter- Anschlusselement (214) angeschlossenen Druckbehälter (110) in eine Umgebung des Druckbehälters (110) abfließen kann, um einen Innendruck im Innenraum des Druckbehälters (110) zu reduzieren; und
- den Querschnitt (301) des Kanals (303) mit sinkendem Innendruck des an dem Druckbehälter- Anschlusselement (214) angeschlossenen Druckbehälters (110) zu reduzieren.
2) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß Anspruch 1, wobei
- die Druckentlastungs Vorrichtung (113) eingerichtet ist, den
Querschnitt (301) des Kanals (303) zu reduzieren, sobald der Innendruck einen Druck-Schwellenwert erreicht oder unterschreitet; und
- der Druck-Schwellenwert von einem Berstdruck des Druckbehälters (110) abhängt.
3) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß Anspruch 2, wobei
- die Auslösebedingung das Erreichen und/oder Überschreiten eines Temperatur-Schwellenwertes an der Druckentlastungsvorrichtung (113) umfasst; und
- der Druck-Schwellenwert von dem Berstdruck des Druckbehälters (110) bei einer Temperatur abhängt, die gleich wie oder größer als der Temperatur-Schwellenwert ist.
4) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
- die Druckentlastungsvorrichtung (113) zwei oder mehr Blenden (302) umfasst, die zwei oder mehr unterschiedliche Querschnitte (301) des Kanals (303) ermöglichen; und
- die zwei oder mehr Blenden (302) zumindest teilweise bei
unterschiedlichen Innendrücken durchlässig für Brennstoff (125) sind.
5) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
- die Druckentlastungsvorrichtung (113) zumindest eine Blende (302) umfasst, die den Querschnitt (301) des Kanals (303) beeinflusst; und - eine Geometrie der Blende (302) von dem Innendruck des
Druckbehälters (110) abhängt.
6) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei
- die Druckentlastungs Vorrichtung (113) ein Gehäuse (202) umfasst, an dem das Druckbehälter-Anschlusselement (214) und die
Austrittsöffnung (124) der Druckentlastungs Vorrichtung (113) angeordnet sind, und das ausgebildet ist, den Kanal (303) zwischen dem Druckbehälter-Anschlusselement (214) und der Austrittsöffnung (124) zu bilden; und
- die Druckentlastungs Vorrichtung (113) eingerichtet ist, in
Abhängigkeit von dem Innendruck einen Hauptkanal (211) und/oder einen Nebenkanal (212) des Kanals (303) zu der Austrittsöffnung (124) zu öffnen, um den Querschnitt des Kanals (303) zu verändern. 7) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß Anspruch 6, wobei die
Druckentlastungsvorrichtung (113) umfasst,
- ein von dem Gehäuse (202) umschlossenes Hauptverschlussteil (205), das in einem verschlossenen Zustand der Druckentlastungsvorrichtung (113) an einem Hauptsitz (207) des Gehäuses (202) anliegt, und so den
Hauptkanal (211) verschließt; und
- ein von dem Hauptverschlussteil (205) umschlossenes
Neben verschlussteil (208), das in einem verschlossenen Zustand der Druckentlastungsvorrichtung (113) an einem Nebensitz (210) des Hauptverschlussteils (205) anliegt, und so den Nebenkanal (212) verschließt; wobei der Nebenkanal (212) zumindest teilweise durch das Hauptverschlussteil (205) verläuft.
8) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß Anspruch 7, wobei
- die Druckentlastungsvorrichtung (113) eine Feder (203) umfasst, die eingerichtet ist, das Hauptverschlussteil (205) gegen den Hauptsitz
(207) zu drücken; und
- die Feder (203) ausgebildet ist, das Hauptverschlussteil (205) zurück auf den Hauptsitz (207) zu drücken, um den Hauptkanal (211) wieder zu schließen, wenn der Innendruck einen Druck-Schwellenwert erreicht oder unterschreitet.
9) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei
- die Druckentlastungsvorrichtung (113) ein Auslöseelement (201) umfasst;
- das Auslöseelement (201) eingerichtet ist, das Nebenverschlussteil
(208) gegen den Nebensitz (210) zu drücken; und
- das Auslöseelement (201) eingerichtet ist, das Nebenverschlussteil (208) freizugeben, um den Nebenkanal (212) durch das
Hauptverschlussteil (205) zu der Austrittsöffnung (124) zu öffnen, wenn die Auslösebedingung erfüllt ist.
10) Druckentlastungsvorrichtung (113) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Druckentlastungsvorrichtung (113) ausgebildet ist,
- bei Erfüllung der Auslösebedingung den Hauptkanal (211) und den Nebenkanal (212) zu der Austrittsöffnung (124) zu öffnen, wenn der Innendruck größer als ein Druck-Schwellenwert ist; und
- den Hauptkanal (211) wieder zu verschließen während der Nebenkanal (212) weiter geöffnet bleibt, wenn der Innendruck den Druck- Schwellenwert erreicht oder überschreitet.
11) Verfahren (400) zur Steuerung einer Druckentlastungsvorrichtung (113) für einen Druckbehälter (110) zur Speicherung eines bei Umgebungsdruck gasförmigen Brennstoffs (125); wobei das Verfahren (400) umfasst,
- Öffnen (401) eines Kanals (303) zwischen einem Druckbehälter- Anschlusselement (214) der Druckentlastungsvorrichtung (113) und einer Austrittsöffnung (124) der Druckentlastungsvorrichtung (113), wenn eine Auslösebedingung der Druckentlastungsvorrichtung (113) erfüllt ist; wobei über den Kanal (303) Brennstoff (125) von dem Druckbehälter-Anschlusselement (214) in eine Umgebung der Druckentlastungsvorrichtung (113) abfließen kann, um den Innendruck im Innenraum eines mit dem Druckbehälter-Anschlusselement (214) verbundenen Druckbehälters (110) zu reduzieren; und
- Reduzieren (402) eines Querschnitts (301) des Kanals (303), wenn der Druck an dem Druckbehälter- Anschlusselement (214) sinkt.
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