WO2018228746A1 - Gas-druckbegrenzungsventil zum steuern und ablassen von einem gasförmigen medium - Google Patents

Gas-druckbegrenzungsventil zum steuern und ablassen von einem gasförmigen medium Download PDF

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WO2018228746A1
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sealing seat
valve
valve element
longitudinal axis
closing spring
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PCT/EP2018/060708
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Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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    • F16K17/02—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side
    • F16K17/04—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded
    • F16K17/0466—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded with a special seating surface
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    • F16K17/0426—Safety valves; Equalising valves, e.g. pressure relief valves opening on surplus pressure on one side; closing on insufficient pressure on one side spring-loaded with seat protecting means

Definitions

  • Gas pressure relief valve for controlling and discharging a gaseous medium
  • the present invention relates to a pressure relief valve, in particular a gas pressure relief valve for controlling and discharging a gaseous medium, in particular hydrogen, with a valve element assembly, in particular for use in vehicles with a fuel cell drive.
  • gaseous fuels will also play an increasing role in the future.
  • gas streams are no longer controlled discontinuously as in the injection of liquid fuel, but it is removed from the gas from at least one high-pressure tank and passed via an inflow line of a medium pressure line system to an ejector unit.
  • This ejector unit leads the gas via a connecting line of a low-pressure piping system to a fuel cell.
  • a pressure relief valve comprising a housing and a valve element assembly, wherein the valve element assembly has a valve element opening and closing in the direction of a longitudinal axis, wherein the valve element is pressed against a sealing seat edge of a sealing seat plate by means of a closing spring is formed and a sealing seat.
  • the closing spring is supported on a closing spring support. Due to the formed sealing seat prevents the pressure relief valve from DE 10 2013 204 563 A1 in the closed state that the medium can escape from the system, as long as a certain pressure range is not exceeded.
  • the pressure relief valve known from DE 10 2013 204 563 A1 may have certain disadvantages.
  • the closed end position is achieved in that the sealing seat edge of the sealing seat plate bounces on the valve element to form the sealing seat. Due to the material properties of the sealing seat plate, in particular the sealing seat edge, and the valve element, which may consist in particular of hard metallic materials, impulse forces and impact forces act on the two components, which can lead to damage. In addition, it may happen that bounce at a rapid closing movement of the pressure relief valve due to the momentum forces, the components sealing seat plate and valve element at least once. This can lead to damage to both components.
  • a delivery unit in which a valve element or a sealing seat plate has an elastomer coating.
  • the elastomer coating forms a sealing seat in the closed state of the valve with a sealing seat edge of either the sealing seat plate or the Ventilelments.
  • the sealing seat plate or the valve element has a circumferential stop. The circumferential stop limits a penetration depth of the peripheral sealing seat edge into the elastomer coating in the direction of a longitudinal axis.
  • a stopper prevents too deep penetration of a sealing seat edge into the elastomer coating, as a result of which the contact area between the components sealing seat plate and valve element for forming the sealing seat can be made smaller than would be the case without the use of the stop.
  • the burden of the elastomer coating is reduced by the penetration of the sealing seat edge and a concomitant deformation of the elastomer coating.
  • the adhesive force between the sealing seat and the elastomer coating is reduced by the inventive design of the pressure relief valve according to claim 1, in particular due to the reduced contact area, which leads to a higher accuracy of the opening pressure and prevents a delayed response of the pressure relief valve. This applies in particular to long-term effects over the entire service life of the pressure limiting valve with regard to properties such as elasticity of the elastomer coating.
  • the pressure relief valve according to the invention has a simple and compact construction.
  • valve element is radially outside of the area having the elastomer coating, with the stop in contact.
  • the sealing seat edge is in contact with the elastomer coating and penetrates only to a certain depth in the
  • the elastomer coating is arranged centrally in the direction of a longitudinal axis on the valve element, while the circumferential stop of the sealing seat plate is in contact radially with the valve element radially outside the region of the valve element which has the elastomer coating.
  • the elastomer coating consists of several layers, in which the stratification runs in the direction of the longitudinal axis and the layers each have different material properties.
  • an improved sealing seat between the component valve element and sealing seat plate can be achieved, while the adhesive forces on the sealing seat can be reduced.
  • the uppermost layer which is located on the sealing seat plate facing side of the elastomeric coating of the valve element, has a high deformability and elasticity, while making a second layer less deformable and elastic. This makes it possible to provide only the uppermost layer of the elastomer coating with properties that promote optimum tightness and the optimal sealing seat. At too far penetration of the sealing seat plate, in particular the circumferential sealing seat edge, in the
  • Elastomer coating which is less deformable and elastic.
  • a further inward movement of the peripheral sealing seat edge into the elastomer coating is prevented, as a result of which the contact area between the elastomer coating and the peripheral sealing seat edge can be kept small, which minimizes any adhesive forces occurring when the pressure limiting valve is opened.
  • the circumferential stop of the sealing seat plate or the valve element at least one flow opening, wherein the at least one flow opening in particular extends radially to the longitudinal axis, whereby encapsulation of a closed volume of the gaseous medium between the peripheral stop and the circumferential sealing seat edge is prevented .
  • This embodiment of the invention has the advantage that an encapsulation of the medium between the peripheral stop and the circumferential sealing seat edge can be avoided with a closed pressure relief valve. When the pressure limiting valve is closed, encapsulation of the medium between the valve element and the sealing seat plate may occur, whereby the encapsulated medium is no longer in contact with the medium in the region of an inlet and / or a drain, but is encapsulated by these regions.
  • the advantage can be achieved that the medium can escape from the encapsulated region through this at least one flow opening in the peripheral stop, in particular in the region of the drain, even in the closed state of the pressure relief valve.
  • the fact that the medium can escape through the flow opening in the direction of the flow the occurrence of cavitation is avoided, which can occur in particular at a rapid opening of the pressure relief valve.
  • the detrimental effect on surrounding components associated therewith can be reduced, thereby preventing or at least reducing damage and / or wear of the seal seat panel and valve member components.
  • the probability of failure of the entire pressure limiting valve can be reduced and thus the service life of the pressure limiting valve can be increased.
  • a further advantage results from the fact that the medium between the sealing plate and the valve element can flow off in the direction of the drain even when the pressure limiting valve closes rapidly, in particular through the flow opening, without the formation of an encapsulated region which can form from Inlet and is separated from the drain.
  • the at least one circumferential sealing seat edge in particular in the region in which the sealing seat edge is in contact with the elastomer coating, undergoes a heat treatment. Furthermore, the at least one circumferential sealing seat edge has a coating in the region. In this way, a reduction of the adhesive forces between the circumferential sealing seat edge of the sealing seat plate and the elastomer coating of the valve element can be achieved.
  • the heat treatment By the heat treatment, adhesive forces can be reduced by the fact that on the one hand, the surface size of the sealing edge, which can have small unevenness and dirt in a non-heat treated state, can be reduced.
  • the material property of the sealing seat edge can be changed so that a higher degree of hardness of the surface can be achieved, which reduces the likelihood of a possible adhesive effect between the sealing seat edge and the elastomer coating. This has the advantage that a higher accuracy of the opening pressure and an optimal response of the pressure relief valve can be achieved.
  • the heat treatment of the Sealing seat edge to achieve a higher wear resistance and thus a longer life of the component sealing seat plate.
  • peripheral sealing seat edge By coating the peripheral sealing seat edge, adhesive forces can be reduced by, on the one hand, reducing the surface area of the area of the
  • Sealing seat edge in contact with the polymer coating is reduced by choosing a coating with a very small surface roughness.
  • a coating can be selected that forms very low adhesive properties due to its material properties, in particular when paired with the material of the elastomer coating. This can be the
  • the valve element is connected to a sleeve-shaped element, via which the closing spring is supported on the valve element.
  • the valve element is in particular guided over the sleeve-shaped element and a guide element which serves in particular for guiding the closing spring in the direction of the longitudinal axis in the housing.
  • the spring force of the closing spring in particular during a movement of the valve element and / or the sleeve-shaped element in the direction of the longitudinal axis, does not extend linearly over the path when compressing or decompressing the closing spring.
  • the closing spring In this case has a on the spring travel, in particular progressive, variable spring constant.
  • the progressively variable spring constant of the closing spring is thereby achieved in that the winding diameter of the closing spring is variable and / or that the closing spring is made up of at least two spring segments, wherein the spring segments have different spring constants.
  • the advantage is achieved that the sealing and encapsulation properties of the sealing seat can be improved, while the wear of the components valve element, in particular the elastomer coating, and sealing seat plate, in particular the peripheral stop and the sealing seat edge, can be reduced.
  • the progressively variable spring rate allows high forces to be available in one area while the pressure relief valve closes and the valve element approaches the closed position, but is not yet in contact with the sealing seat panel.
  • the spring constant and thus a spring force are reduced. This makes it possible that the impact of the sealing seat edge on the elastomer coating takes place more gently and with less force until the sealing seat edge moves into the elastomer coating so far that the sealing seat can form and the stop comes into contact with the valve element.
  • Another advantage results from the fact that a rapid closing of the pressure relief valve is ensured, since here at the initial closing movement of the valve element, a large spring force due to the high spring constant.
  • a progressive reduction of the force of the closing spring is effected in the remaining closing movement of the valve and in particular the impact of the sealing seat edge on the elastomer coating, whereby damage to the component elastomer coating can be avoided and the damage to the surrounding components is reduced by impulse forces.
  • the life of the pressure relief valve can be increased.
  • a more compact design of the closing spring can be achieved, resulting in a cost savings due to material savings.
  • the closing spring and / or the sleeve-shaped element is guided in the direction of the longitudinal axis via the guide element in the housing (7), wherein the guide element is arranged between the closing spring and the housing.
  • three movable components which are required for the function of opening and closing the valve, can be performed by the use of only one component in the housing.
  • These three movable components are the closing spring, the sleeve-shaped element and the elastomer-coated valve element.
  • the arrangement of the guide element outside of the flow-through region of the medium in particular by the displacement of a guide in the direction of the longitudinal axis outside the region of at least one passage opening in the sleeve-shaped element, a more optimal flow through the medium from an inlet to a drain achieve with open pressure relief valve.
  • the inventive feature offers the advantage that the life of the pressure relief valve can be increased because the complexity of the valve is reduced due to a reduced number of items.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a gas pressure relief valve according to a preferred embodiment of the invention, wherein the gas pressure relief valve is in a closed state
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the gas pressure relief valve according to a preferred embodiment of the invention, wherein the gas pressure relief valve is in an open state,
  • FIG. 3 is a sectional view of a designated in Figure 2 with V circumferential stop in an enlarged view with a flow opening
  • FIG. 4 shows a sectional view of a sealing seat plate labeled A-A in FIG. 1,
  • Figure 5 is a schematic representation of an inventive
  • FIGS. 1 and 2 shows an exemplary embodiment of a pressure limiting valve 1, in particular of a gas pressure limiting valve 1, for controlling and discharging a gaseous medium.
  • the gas pressure limiting valve 1 comprises a housing 7, a valve element assembly 17, a sleeve-shaped element 13 which a closing spring 8 is supported, a guide element 9, in particular for guiding the closing spring 8 and a closing spring support 11.
  • the valve element assembly 17 also has a sealing seat plate 2 and a valve element 3, wherein the valve element 3 in the direction of a longitudinal axis 14 is in abutment with the sleeve-shaped element 13 or, in an alternative embodiment, is connected to the sleeve-shaped element 13.
  • the sleeve-shaped element 13 also has at least one passage openings 15, so that a passage of the gas when the gas pressure relief valve 1 is open in the direction of the longitudinal axis 14 from an inlet II to a drain III is made possible.
  • the more than one passage openings can be arranged circumferentially on the sleeve-shaped element 13.
  • the closing spring 8 can be embodied in a further possible embodiment such that the spring force does not extend linearly over the path when compressing or decompressing the closing spring 8.
  • the closing spring 8 can be structurally designed such that the winding diameter of the closing spring 8 changes, in particular increases and decreases, or that the closing spring 8 has at least two spring segments, each having a different spring constant.
  • valve element 3 has an elastomer coating 4, wherein the elastomer coating 4 is arranged on the side of the valve element 3 facing in the direction of the longitudinal axis 14 of the sealing seat plate 2.
  • the sealing seat plate 2 is designed to be rotationally symmetrical about the longitudinal axis 14 and has a stop 5 circulating around the longitudinal axis and a sealing seat edge 12 revolving around the longitudinal axis 14.
  • the sealing seat plate 2 has a first recess 18 which extends centrally on the sealing seat plate 2 along the longitudinal axis 14.
  • the sealing seat plate 2 is connected to the housing 7.
  • An alternative embodiment of the gas pressure limiting valve 1 is designed such that the sealing seat plate 2 has the elastomer coating 4 on the side facing the valve element 3.
  • the valve element 3 has a sealing seat edge 12 which revolves around the longitudinal axis 14.
  • the stopper 5 may be arranged circumferentially around the longitudinal axis 14, however, on the valve element 3.
  • the circumferential sealing seat edge 12 may also have undergone a heat treatment and / or have a coating, which can reduce occurring adhesive forces between the sealing seat edge 12 and the elastomer coating 4 and also increase the wear resistance of the sealing seat plate 2. These adhesive forces occur especially at low temperatures and / or are amplified by low temperatures.
  • the gas pressure limiting valve 1 shown in FIG. 1 is a valve 1 which is in a closed state.
  • the valve element 3 is in contact with the sealing seat plate 2 such that the circumferential sealing seat edge 12 of the sealing seat plate 2 forms a sealing seat 6 with the elastomer coating 4 of the valve element 3.
  • the arrangement is reversed and the circumferential sealing seat edge 12 of the valve element 3 forms it with the elastomer coating of the sealing seat plate 2 from a sealing seat 6.
  • the circumferential sealing seat edge 12 of the sealing seat plate 2 penetrates in the direction of the longitudinal axis 14 in the elastic elastomer coating 4 of the valve element 3 and thus forms a gas-tight connection and causes an encapsulation.
  • the circumferential stop 5 is in this case in the direction of the longitudinal axis 14 with a portion of the valve member 3 in abutment, said portion of the valve element 3 is located radially outside the region of the valve element 3 having the elastomer coating 4. This causes a defined distance between the valve element 3 and the sealing seat plate 2 can be maintained and it is prevented that the sealing seat edge 12 continues in the
  • Elastomer coating 4 penetrates, causing damage to the elastomer coating 4 would be effected.
  • An embodiment of the elastomer coating 4 may be designed in such a way that the elastomer coating 4 consists of several layers, with the layering running in the direction of the longitudinal axis 14. Thereby, the tightness of the sealing seat 6 between the component valve element 3 and sealing seat plate 2 can be improved, while the adhesive forces on the sealing seat can be reduced
  • Fig. 2 the gas pressure relief valve 1 is shown, wherein the gas pressure relief valve is in an open state.
  • the sealing seat plate 2 has the first recess 18, through which a gaseous medium from a tank 27, not shown here (see FIG. 4), and / or an ejector unit 10 (see FIG. 4) under pressure Direction of an arrow II is fed, this being the feed II.
  • the sealing seat plate 2 in this case has the first recess 18 through which the inflowing medium penetrates into the region in which the sealing seat edge 12 of the sealing seat plate 2 with the elastomer coating 4 of the valve element 3 forms the sealing seat 6, as shown in FIG.
  • pressure builds up on the valve element 3 on the side facing the inlet II, in particular in the region which has the elastomer coating 4, which pressure corresponds to the pressure of a connecting line 25 (see FIG. 5) or the pressure of an inflow line 28 (see FIG 5), depending on the arrangement of the gas pressure relief valve 1.
  • a variable force acts on the valve element 3 in the direction of the longitudinal axis 14, which acts on the surface of the valve element 3, in particular the elastomer coating 4, in the region of the first recess 18 due to the applied pressure of the medium.
  • the force due to the applied pressure thus acts on the valve element 3 in the direction of the longitudinal axis 14 and pushes the valve element 3 away from the sealing seat plate 2 when a certain pressure is exceeded.
  • the valve element 3 is movable in the direction of the longitudinal axis 14, wherein it is guided radially in the direction of the longitudinal axis 14 in a connection with the sleeve-shaped element 13 by the guide element 9, whereby a movement of the valve element 3 are prevented radially to the longitudinal axis 14 can.
  • the valve element 3 moves away from the sealing seat plate in the direction of the longitudinal axis 14, by transmitting the force to the closing spring 8 via the sleeve-shaped element 13.
  • the closing spring 8 on the side opposite the sleeve-shaped element 13 with the closing spring support 11 in Läge stands, the closing spring 8 shortens due to their spring constant at a certain force is exceeded, which is transmitted by the pressure on the valve element 3 via the sleeve-shaped element 13 to the closing spring 8, and the closing spring 8 is thus together in the direction of the longitudinal axis 14 - pressed down.
  • the guide element 9 can thereby guide the closing spring 8 and / or the sleeve-shaped element 13 in the housing 7.
  • the system pressure in the connection line 25 (see FIG. 5) or the inflow line 28 (see FIG. 5) can normalize and / or sink again, as a result of which Pressure acting force on the valve element 3 is reduced.
  • the gas pressure relief valve 1 is closed again.
  • Fig. 3 is a sectional view of the designated in Fig. 2 with V circumferential stop 5 of the sealing seat plate 2 is shown in an enlarged view.
  • the peripheral stop 5 in this case has a flow opening 16, through which a medium located in the gas pressure relief valve 1 can flow. Without the flow opening 16, a sealed space between the peripheral stop 5, the circumferential sealing seat edge 12, the sealing seat plate 2 and the valve element 3 would arise when the gas pressure limiting valve 1 is closed. Such encapsulated space may damage the gas pressure relief valve 1, particularly in the process of opening and closing the gas pressure relief valve 1.
  • the flow opening can be formed in such a way that the flow resistance with respect to the outflowing medium is reduced by, for example, rounding the edges of the flow opening 16 and / or shaping it to optimize flow.
  • FIG. 4 shows a sectional view of the sealing seat plate 2 designated AA in FIG. 1 in a plan view in the direction of the longitudinal axis 14.
  • the peripheral stop 5 has the at least one, in particular radially to the longitudinal axis 14 extending, flow opening 16.
  • an exemplary embodiment of the gas pressure limiting valve 1 is shown, in which the circumferential stop 5 has four flow openings 16.
  • the housing 7 is shown in Fig. 4, and the circumferential sealing seat edge 12th
  • the ejector unit 10 is connected via the connecting line 25 to a fuel cell 30, which comprises an anode region 31 and a cathode region 32.
  • the gas pressure relief valve 1 a described in the previous figures can be arranged in an embodiment of the fuel cell assembly to the connecting line 25, in particular between the ejector 10 and the fuel cell 30.
  • a return line 26 is provided, the anode portion 31 of the fuel cell 30 with a Intake region 22 of the ejector unit 10 connects.
  • the return line 26 the second gaseous medium formed in the anode region 31 during operation of the fuel cell 30, which is essentially a mixture of hydrogen, nitrogen and water vapor, can be returned to the intake region 22.
  • the first gaseous medium stored in the tank 27 is supplied via the inflow line 28 to an inflow region 21 of the ejector unit 10.
  • the gas pressure relief valve 1 b described in the previous figures can be arranged on the inflow line 28 in one embodiment of the fuel cell arrangement, in particular between a first shut-off valve 24 and a second shut-off valve 19 the gas pressure relief valve 1 and the tank 27 also the first shut-off valve 24 and between the gas pressure relief valve 1 b and the ejector 10, the second shut-off valve 19 is arranged.
  • the shut-off valves 24, 19 are provided to possibly interrupt the influx of the first gaseous medium from the tank 27 to the gas pressure relief valve 1 b or the inflow to the ejector unit 10.
  • a branch 36 with a third shut-off valve 46 Through this third shut-off valve 46 can be located in the return line 26 second gaseous medium to the outside.
  • the arrangement of the gas pressure relief valves 1 a, b has the advantage that the connecting line 25 and the inflow line 28 are protected from excessive pressure, as when a predetermined pressure levels are exceeded, the respective gas pressure relief valve 1 a, b opens and the system pressure reduced.
  • the components fuel cell 30, in particular membrane of the fuel cell 30, and the component Ejektorhow 10 can be protected from damage, since both components are extremely vulnerable to excessive pressure.

Abstract

Gas-Druckbegrenzungsventil (1) zum Steuern von einem gasförmigem Medium, insbesondere von Wasserstoff, mit einem Gehäuse (7) und einer Ventilelement-Baugruppe (17), wobei die Ventilelement-Baugruppe (17) ein in Richtung einer Längsachse (14) öffnendes und schließendes und somit bewegliches Ventilelement (3) aufweist und eine unbewegliche Dichtsitzplatte (2), wobei entweder die Dichtsitzplatte (2) oder das Ventilement (3) eine um die Längsachse (14) umlaufende Dichtsitzkante (12) aufweist, die in geschlossenem Zustand des Ventils (1) mit dem jeweiligen anderen Bauteil einen Dichtsitz (6) ausbildet, mit einer Schließfeder (8), die in Richtung der Längsachse (14) im Gehäuse (7) angeordnet ist und wobei sich die Schließfeder (8) auf einer Seite in Richtung der Längsache (14) an einer Schließfeder-Abstützung (11) abstützt und auf der gegenüberliegenden Seite zumindest mittelbar am Ventilelement (3) abstützt, Erfindungsgemäß weist das Ventilelement (3) oder die Dichtsitzplatte (2) eine Elastomerbeschichtung (4) aufweist, dass die Elastomerbeschichtung (4) in geschlossenem Zustand des Ventils (1) mit der Dichtsitzkante (12) entweder der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelments (3) den Dichtsitz (6) ausbildet, dass die Dichtsitzplatte (2) oder das Ventilement (3) einen umlaufenden Anschlag (5) aufweist und dass durch den umlaufenden Anschlag (5) die Eindringtiefe der umlaufenden Dichtsitzkante (12) in die Elastomerbeschichtung (4) in Richtung der Längsachse (14) begrenzt wird.

Description

Beschreibung Titel
Gas-Druckbegrenzungsventil zum Steuern und Ablassen von einem gasförmigen Medium
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil, insbesondere ein Gas-Druckbegrenzungsventil zum Steuern und Ablassen von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, mit einer Ventilelement-Baugruppe, insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
Aus der DE 10 2013 204 563 A1 ist ein Druckbegrenzungsventil bekannt mit einem Gehäuse und einer Ventilelement-Baugruppe, wobei die Ventilelement-Baugruppe ein in Richtung einer Längsachse öffnendes und schliessenden Ventilelement aufweist, wobei das Ventilelement gegen eine Dichtsitzkante einer Dichtsitzplatte mit Hilfe einer Schließfeder gedrückt wird und einen Dichtsitz ausbildet. Die Schließfeder stützt sich dabei an einer Schließfeder-Abstützung ab. Aufgrund des ausgebildeten Dichtsitzes verhindert das Druckbegrenzungsventil aus der DE 10 2013 204 563 A1 in geschlossenem Zustand dass das Medium aus dem System entweichen kann, solange ein bestimmter Druckbereich nicht überschritten wird. Sobald ein kritischer Druck im jeweiligen Mittel- und/oder Niederdruckleitungssystems überschritten wird, bewegt sich das Ventilelement von der Dichtsitzkante der Dichtsitzplatte weg und der Dichtsitz besteht somit nicht mehr. Das Druckbegrenzungsventil öffnet somit und lässt das Medium so lange aus dem jeweiligen Leitungssystem entweichen, bis der Systemdruck wieder unter dem kritischen Druck liegt.
Das aus der DE 10 2013 204 563 A1 bekannte Druckbegrenzungsventil kann gewisse Nachteile aufweisen.
Bei dem Schließvorgang des Druckbegrenzungsventils wird die geschlossene Endlage dadurch erzielt, dass die Dichtsitzkante der Dichtsitzplatte auf das Ventilelement prallt, um den Dichtsitz auszubilden. Aufgrund der Materialeigenschaften der Dichtsitzplatte, insbesondere der Dichtsitzkante, und des Ventilelements, die insbesondere aus harten metallischen Werkstoffen bestehen können, wirken Impulskräfte und Stoßkräfte auf die beiden Bauteile, die zu einer Schädigung führen können. Zudem kann es dazu kommen, dass bei einer schnellen Schließbewegung des Druckbegrenzungsventils aufgrund der Impulskräfte die Bauteile Dichtsitzplatte und Ventilelement mindestens einmal voneinander abprallen. Dies kann zu einer Schädigung beider Bauteile führen.
Offenbarung der Erfindung
Bezugnehmend auf Anspruch 1 wird ein Förderaggregat vorgeschlagen, bei dem ein Ventilelement oder eine Dichtsitzplatte eine Elastomerbeschichtung aufweist. Die Elastomerbeschichtung bildet dabei in geschlossenem Zustand des Ventils mit einer Dichtsitzkante entweder der Dichtsitzplatte oder des Ventilelments einen Dichtsitz aus. Weiterhin weist die Dichtsitzplatte oder das Ventilement einen umlaufenden Anschlag auf. Durch den umlaufenden Anschlag wird eine Eindringtiefe der umlaufenden Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung in Richtung einer Längsachse begrenzt. Auf diese Weise kann ein zuverlässiges Abdichten eines Mittel- und/oder Niederdruckleitungssystem bewirkt und zudem den Verschleiß der beiden Bauteile Dichtsitzplatte und Ventilelement bei einem hochfrequenten Betrieb des Druckbegrenzungsventils verringert werden, da die weiche Elastomerbeschichtung den Materialabtrag beim Zusammenstoßen der Bauteile Dichtsitzplatte und Ventilelement beim Schließen des Druckbegrenzungsventils durch elastische und federnde Eigenschaften verringert. Des weiteren können die notwendigen Schließkräfte gering gehalten werden, da ein vollständiges Abdichten des Ventils durch die Verwendung der Elastomerbeschichtung schon bei niedrigeren Schließkräften zwischen den Bauteilen Ventilelement und Dichtsitzplatte erzielt werden kann als dies bei Nicht-Verwendung der Elastomerbeschich- tung möglich wäre.
Durch den Einsatz eines Anschlags wird ein zu tiefes Eindringen einer Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung verhindert, wodurch die Kontaktfläche zwischen den Bauteilen Dichtsitzplatte und Ventilelement zur Ausbildung des Dicht- sitzes kleiner ausgebildet werden kann, als dies ohne den Einsatz des Anschlags der Fall ist. Dadurch wird die Belastung der Elastomerbeschichtung durch das Eindringen der Dichtsitzkante und eine damit einhergehende Verformung der Elastomerbeschichtung verringert. Des weiteren werden durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils nach Anspruch 1 die Klebe- kräfte zwischen dem Dichtsitz und der Elastomerbeschichtung verringert, insbesondere aufgrund der verkleinerten Kontaktfläche, was zu einer höheren Genauigkeit des Öffnungsdrucks führt und ein verzögertes Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils verhindert. Dies gilt insbesondere für Langzeiteffekte über die gesamte Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils hinsichtlich den Ei- genschaften wie Elastizität der Elastomerbeschichtung. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil einen einfachen und kompakten Aufbau auf.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung steht das Ventilelement radial außerhalb des Bereichs, der die Elastomerbeschichtung aufweist, mit dem Anschlag in Kontakt. Auf diese Weise steht die Dichtsitzkante mit der Elastomerbeschichtung in Kontakt und dringt nur bis zu einer gewissen Tiefe in die
Elastomerbeschichtung ein, um den Dichtsitz auszubilden, ohne die Elastomerbeschichtung durch zu tiefes Eindringen zu schädigen. Die Elastomerbeschichtung ist hierzu radial in Richtung einer Längsachse mittig am Ventilelement angeordnet während der umlaufende Anschlag der Dichtsitzplatte radial außerhalb des Bereichs des Ventilelements, der die Elastomerbeschichtung aufweist, mit dem Ventilelement in Kontakt steht. Dies bietet den Vorteil, dass der umlaufende Anschlag der Dichtsitzplatte mit einem nicht-elastischen Bereich des Ventilelements in Kontakt steht und somit ein konstanter Abstand zwischen der Dichtsitzplatte und dem Ventilelement bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil eingehalten werden kann, unabhängig von einer variierenden Schließkraft, die insbe- sondere durch eine Schließfeder eingebracht wird. Dadurch ist sichergestellt, dass eine konstante Eindringtiefe der Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung zur Ausbildung des Dichtsitzes eingehalten werden kann, unabhängig von äußeren Faktoren, die eine Streuung der Eindringtiefe bewirken können. Durch eine konstante Eindringtiefe der Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung des Ventilelement werden Klebekräfte zwischen dem Dichtsitz und der Elastomerbeschichtung verringert, wodurch sich eine höhere Genauigkeit des Öffnungsdrucks und ein optimales Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils erzielen lässt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht die Elastomerbeschichtung aus mehreren Schichten, bei der die Schichtung in Richtung der Längsachse verläuft und die Schichten jeweils unterschiedliche Materialeigenschaften aufweisen. Auf diese Weise kann ein verbesserter Dichtsitz zwischen dem Bauteil Ventilelement und Dichtsitzplatte erzielt werden, während die Klebekräfte am Dichtsitz verringert werden können. Diese Vorteile lassen sich dadurch erzielen, dass beispielsweise die oberste Schicht, die sich auf der der Dichtsitzplatte zugewandten Seite der Elastomerbeschichtung des Ventilelements befindet, eine hohe Verformbarkeit und Elastizität aufweist, während man eine zweite Schicht weniger verformbar und elastisch gestaltet. Dadurch ist es möglich nur die oberste Schicht der Elastomerbeschichtung mit Eigenschaften zu versehen, die eine optimale Dichtigkeit und den optimalen Dichtsitz begünstigen. Bei einem zu weiten Eindringen der Dichtsitzplatte, insbesondere der umlaufenden Dichtsitzkante, in die
Elastomerbeschichtung dringt das Bauteil dann in die zweite Schicht der
Elastomerbeschichtung ein, die weniger verformbar und elastisch ist. Durch diese Materialeigenschaften der zweiten Schicht wird ein weiteres Hineinbewe- gene der umlaufenden Dichtsitzkante in die Elastomerbeschichtung verhindert, wodurch die Kontaktfläche zwischen der Elastomerbeschichtung und der umlaufenden Dichtsitzkante klein gehalten werden kann, was wiederrum auftretende Klebekräfte bei einem Öffnen des Druckbegrenzungsventils minimiert. Des weite- ren lässt sich die Lebensdauer der Elastomerbeschichtung, aufgrund der geringeren Verformbarkeit der Elastomerbeschichtung über deren gesamte Länge in Richtung der Längsachse, verbessern während die guten Dichtigkeitseigenschaften erhalten bleiben.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der umlaufende Anschlag der Dichtsitzplatte oder des Ventilelements mindestens eine Strömungs-Öffnung auf, wobei die mindestens eine Strömungsöffnung insbesondere radial zur Längsachse verläuft, wodurch eine Kapselung eines abgeschlossenen Volumens des gasförmigen Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag und der umlaufenden Dichtsitzkante verhindert wird. Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass eine Kapselung des Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag und der umlaufenden Dichtsitzkante bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil vermieden werden kann. Bei geschlossenem Zustand des Druckbe- grenzungsventils kann sich eine Kapselung des Mediums zwischen dem Ventilelement und der Dichtsitzplatte einstellen, wobei das gekapselte Medium nicht mehr mit dem Medium im Bereich eines Zulaufs und/oder eines Ablaufs in Kontakt steht, sondern von diesen Bereichen gekapselt ist. Dadurch kann kein Austausch des Mediums im gekapselten Bereich mit dem Medium im Bereich des Zulaufs und/oder Ablaufs erfolgen. Der gekapselte Raum ensteht dabei insbesondere zwischen der umlaufenden Dichsitzkante und dem umlaufenden Anschlag der Dichsitzplatte und dem Ventilelement. Durch die vorteilhaften Ausgestaltung des Druckbegrenzungsventils kann der Vorteil erzielt werden, dass das Medium durch diese mindestens eine Strömungsöffnung im umlaufenden An- schlag auch in geschlossenem Zustand des Druckbegrenzungsventils aus dem gekapselten Bereich entweichen kann, insbesondere in den Bereich des Ablaufs. Dadurch, dass das Medium durch die Strömungs-Öffnung in Richtung des Ablaufs entweichen kann, wird das Auftreten einer Kavitation vermieden, die insbesondere bei einem schnellen Öffnen des Druckbegrenzungsventils auftreten kann. Durch das Vermeiden und/oder Verringern der Kavitation kann der mit Ihr einhergehende schädliche Effekt auf umliegende Bauteile verringert werden, wodurch eine Schädigung und/oder ein Verschleiß der Bauteile Dichtsitzplatte und Ventilelement verhindert oder zumindest verringert wird. Dadurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten Druckbegrenzungsventils verringert und somit die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass das Medium zwischen der Dichsitz- platte und dem Ventilelement auch bei einem schnellen Schließen des Druckbegrenzungsventils in Richtung des Ablaufs abfließen kann, insbesondere durch die Strömungs-Öffnung, ohne dass sich ein gekapselter Bereich ausbilden kann, der vom Zulauf und vom Ablauf getrennt ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine Verringerung und/oder Vermeidung von Druckpulsation erzielt werden kann, wobei die Druckpulsation bei einem schnellen Schließen des Druckbegrenzungsventils auftritt, insbesondere im gekapselten Raum. Durch die Vermeidung und/o- der Verringerung der Pulsation kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des gesamten
Druckbegrenzungsventils verringert und somit die Lebensdauer erhöht werden. Weiterhin wird der Verschleiß an den Kanten des umlaufenden Anschlags und der umlaufenden Dichsitzkante reduziert, da das Abfliessverhalten des Mediums in Richtung Ablauf bei nur minimal bis leicht geöffnetem Druckbegrenzungsven- tils verbessert wird, was durch die Ausführung des Druckbegrenzungsventils gemäß Anspruch 4 ermöglicht wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung hat die mindestens eine umlaufende Dichtsitzkante, insbesondere in dem Bereich, in dem die Dichtsitzkante mit der Elastomerbeschichtung in Kontakt steht, eine Wärmebehandlung erfahren. Des weiteren weist die mindestens eine umlaufende Dichtsitzkante in dem Bereich eine Beschichtung auf. Auf diese Weise kann eine Verringerung der Klebekräfte zwischen der umlaufenden Dichtsitzkante der Dichtsitzplatte und der Elastomerbeschichtung des Ventilelements erzielt werden.
Durch die Wärmebehandlung lassen sich Klebekräfte dadurch verringern, dass sich zum einen die Oberflächengröße der Dichsitzkante, die in einem nicht wärmebehandelten Zustand kleine Unebenheiten und Verschmutzungen aufweisen kann, verringern lässt. Zum anderen kann durch eine Wärmebehandlung die Ma- terialeigenschaft der Dichtsitzkante dahingehend verändert werden, dass ein höherer Härtegrad der Oberfläche erzielt werden kann, was die Wahrscheinlichkeit eines möglichen Klebeeffekts zwischen der Dichtsitzkante und der Elastomerbeschichtung reduziert. Dies bewirkt den Vorteil, dass eine höhere Genauigkeit des Öffnungsdrucks und ein optimales Ansprechverhalten des Druckbegrenzungs- ventils erzielt werden kann. Zudem lässt sich durch die Wärmebehandlung der Dichtsitzkante eine höhere Verschleissfestigkeit und somit eine höhere Lebensdauer des Bauteils Dichtsitzplatte erzielen.
Durch die Beschichtung der umlaufenden Dichtsitzkante lassen sich Klebekräfte dadurch verringern, dass sich zum Einen die Oberflächengröße des Bereichs der
Dichtsitzkante, der mit der Polymerbeschichtung in Kontakt steht, verringert, indem eine Beschichtung mit einer sehr kleinen Oberflächenrauheit gewählt wird. Zum Anderen kann eine Beschichtung gewählt werden, die durch Ihre Materialeigenschaften, insbesondere in der Paarung mit dem Material der Elastomerbe- Schichtung, sehr geringe Klebeeigenschaften ausbildet. Dadurch lassen sich die
Klebekräfte minimieren und eine höhere Genauigkeit des Öffnungsdrucks und ein optimales Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils kann erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Ventilelement mit einem hülsen- förmigen Element verbunden, über das sich die Schließfeder am Ventilelement abstützt. Dabei ist das Ventilelement insbesondere über das hülsenförmige Element und ein Führungs-Element , das insbesondere zur Führung der Schließfeder dient, in Richtung der Längsachse im Gehäuse geführt. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden kann, da die Komplexität des Druckbegrenzungsventils aufgrund einer kleineren Anzahl an Einzelteilen verringert wird. Des weiteren ist nun kein separates Führen des Bauteils Ventilelement in Richtung der Längsachse in einem Gehäuse notwendig, da das hülsenförmige Element, an dem sich die Schließfeder abstützt, bereits durch ein Führungs-Element im Gehäuse geführt wird, wobei das Führungs-Element insbesondere zur Führung der Schließfeder dient und da durch das Verbinden der Bauteile Ventilelement und hülsenförmiges Element das Ventilelement durch das Führungs-Element mitgeführt wird. Durch diese Maßnahme lässt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Druckbegrenzungventils reduzieren und die Lebensdauer erhöhen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft die Federkraft der Schließfeder, insbesondere bei einer Bewegung des Ventilelements und/oder des hülsen- förmigen Elements in Richtung der Längsachse, nicht linear über den Weg bei einem Komprimieren oder Dekomprimieren der Schließfeder. Die Schließfeder weist dabei eine über den Federweg, insbesondere progressiv, veränderliche Federkonstante auf. Die progressiv veränderliche Federkonstante der Schließfeder wird dabei dadurch erzielt, dass der Windungsdurchmesser der Schließfeder ver- ändlich ist und/oder das die Schließfeder aus mindestens zwei Federsegmenten aufgebaut ist, wobei die Federsegmente unterschiedliche Federkonstanten aufweisen. Auf diese Weise wird der Vorteil erzielt, dass die Dichtungs- und Kapselungseigenschaften des Dichtsitzes verbessert werden können, während der Verschleiß der Bauteile Ventilelement, insbesondere der Elastomerbeschichtung, und Dichtsitz platte, insbesondere des umlaufenden Anschlags und der Dichtsitzkante, reduziert werden können. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass das Druckbegrenzungsventil über einen längeren Zeitraum nicht öffnet. Durch die progressiv veränderliche Federkonstante ist es möglich, dass hohe Kräfte in einem Bereich zur Verfügung stehen, während sich das Druckbegrenzungsventil schließt und sich das Ventilelement der Schließstellung nähert, jedoch noch nicht mit der Dichtsitzplatte in Kontakt steht. Im Bereich der finalen Schließbewegung des Druckbegrenzungsventils und somit der Bewegung des Ventilelements in Richtung der Längsachse zum Kontakt mit der Dichtsitzplatte verringert sich die Federkonstante und somit eine Federkraft. Dadurch wird es ermöglicht dass das Auftreffen der Dichtsitzkante auf die Elastomerbeschichtung sanfter und mit weniger Kraft erfolgt, bis die Dichtsitzkante soweit in die Elastomerbeschichtung hineinbewegt, dass sich der Dichtsitz ausbilden kann und der Anschlag mit dem Ventilelement in Anlage kommt.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dabei dadurch, dass ein schnelles Schließen des Druckbegrenzungsventils gewährleistet wird, da hier bei der initialen Schließbewegung des Ventilelements eine große Federkraft aufgrund der hohen Federkonstante anliegt. Jedoch wird bei der restlichen Schließbewegung des Ventils und insbesondere dem Auftreffen der Dichtsitzkante auf die Elastomerbeschichtung eine progressive Reduzierung der Kraft der Schließfeder bewirkt, wodurch eine Schädigung des Bauteils Elastomerbeschichtung vermieden werden kann und auch die Schädigung der umliegenden Bauteile durch Impulskräfte verringert wird. Dadurch kann die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden. Zudem kann eine kompaktere Bauweise der Schließfeder erzielt werden , was zu einer Kostenersparnis aufgrund von Materialeinsparungen führt. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Schließfeder und/oder das hülsenförmige Element in Richtung der Längsachse über das Führungs-Element im Gehäuse (7) geführt, wobei das Führungs-Element zwischen der Schließfeder und dem Gehäuse angeordnet ist. Auf diese Weise können drei bewegliche Bauteile, die für die Funktion Öffnen und Schließen des Ventils benötigt werden, durch den Einsatz nur eines Bauteils im Gehäuse geführt werden können. Bei diesen drei beweglichen Bauteilen handelt es sich um die Schließfeder, das hülsenförmige Element und das Ventilelement mit Elastomerbeschichtung. Durch die Anordnung des Führungs-Elements zwischen der Schließfeder und dem Gehäuse wird es ermöglicht, die Schließfeder zu führen, ein Verkippen der Schließfeder beim Öffnen und Schließen des Druckbegrenzungsventils zu Verhindern und eine Vereinfachung und Beschleunigung bei der Montage zu bewirken. Diese vereinfachte und beschleunigte Montage bietet den Vorteil, dass Montagekosten gespart werden können und dass die Fehleranfälligkeit bei der Montage der Schließfeder reduziert werden kann, da aufgrund der Form des Führungs-Elements das Risiko einer falschen Einbringung oder Positionierung der Schließfeder bei der Montage vermieden werden kann.
Weiterhin lässt sich über die Anordnung des Führungs-Elements außerhalb des Durchströmbereichs des Mediums, insbesondere durch die Verlagerung einer Führung in Richtung der Längsachse außerhalb des Bereichs mindestens einer Durchlass-Öffnung in dem hülsenförmigen Element, eine optimalere Durchströmung des Mediums von einem Zufluss zu einem Abfluss bei geöffnetem Druckbegrenzungsventils erzielen. Des weiteren bietet die erfindungsgemäße Ausprägung den Vorteil, dass die Lebensdauer des Druckbegrenzungsventils erhöht werden kann, da die Komplexität des Ventils aufgrund einer reduzierten Anzahl an Einzelteilen verringert wird.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Gas-Druckbegrenzungsventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich das Gas-Druckbegrenzungsventils in einem geschlossenen Zustand befindet,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht des Gas-Druckbegrenzungsventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich das Gas-Druckbegrenzungsventils in einem geöffneten Zustand befindet,
Figur 3 eine Schnittansicht eines in Figur 2 mit V bezeichneten umlaufenden Anschlags in vergrößerter Darstellung mit einer Strömungs-Öffnung,
Figur 4 eine Schnittansicht einer in Figur 1 mit A-A bezeichneten Dichtsitzplatte,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und mindestens einem Gas-Druckbegrenzungsventils von Figur 1.
Ausführungsform der Erfindung
Der Darstellung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel Druckbegrenzungsventil 1 , insbesondere eines Gas-Druckbegrenzungsventil 1 , zum Steuern und Ablassen von einem gasförmigem Medium dargestellt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 ein Gehäuse 7, eine Ventilelement-Baugruppe 17, ein hülsenförmiges Element 13, an dem sich eine Schließfeder 8 abstützt, ein Führungs-Element 9, insbesondere zur Führung der Schließfeder 8 und einen Schließfeder-Abstützung 11. Die Ventilelement-Baugruppe 17 weist zudem eine Dichtsitzplatte 2 und ein Ventilelement 3 auf, wobei das Ventilelement 3 in Richtung einer Längsachse 14 mit dem hülsenförmigen Element 13 in Anlage steht oder in einer alternativen Ausführung mit dem hülsenförmigen Element 13 verbunden ist. Das hülsenförmige Element 13 weist zudem mindestens eine Durchlass-Öffnungen 15 auf, so dass ein Durchströmen des Gases bei geöffneten Gas-Druckbegrenzungsventil 1 in Richtung der Längsachse 14 von einem Zulauf II zu einem Ablauf III ermöglicht wird. Die mehr als eine Durchlass-Öffnungen können dabei umlaufend am hülsenförmigen Element 13 angeordnet sein.
Die Schließfeder 8 kann in einer weiteren möglichen Ausführungsform derart ausgeführt sein, dass die Federkraft nicht linear über den Weg bei einem Komprimieren oder Dekomprimieren der Schließfeder 8 verläuft. Dazu kann die Schließfeder 8 konstruktiv derart ausgeführt sein, dass sich der Windungsdurchmesser der Schließfeder 8 verändert, inbesondere zunimmt und abnimmt, oder dass die Schließfeder 8 mindestens zwei Federsegmenten mit jeweils unterschiedlicher Federkonstante aufweist.
Weiterhin weist das Ventilelement 3 eine Elastomerbeschichtung 4 auf, wobei die Elastomerbeschichtung 4 auf der in Richtung der Längsachse 14 der Dichtsitzplatte 2 zugewandten Seite des Ventilelements 3 angeordnet ist. Die Dichtsitzplatte 2 ist rotationssymetrisch um die Längsachse 14 ausgeführt und weist einen um die Längsache umlaufenden Anschlag 5 und eine um die Längsachse 14 umlaufende Dichtsitzkante 12 auf. Des Weiteren weist die Dichtsitzplatte 2 eine erste Aussparung 18 auf die mittig an der Dichtsitzplatte 2 entlang der Längsachse 14 verläuft. Die Dichtsitzplatte 2 ist mit dem Gehäuse 7 verbunden.
Eine alternative Ausführungsform des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 ist derart ausgeführt, dass die Dichtsitzplatte 2 die Elastomerbeschichtung 4 auf der dem Ventilelement 3 zugewandten Seite aufweist. In dieser alternativen Ausführungsform weist das Ventilelement 3 eine um die Längsachse 14 umlaufende Dichtsitzkante 12 auf. Auch der Anschlag 5 kann um die Längsachse 14 umlaufend jedoch am Ventilelement 3 angeordnet sein. Die umlaufende Dichtsitzkante 12 kann zudem eine Wärmebehandlung erfahren haben und/oder eine Beschichtung aufweisen, wodurch sich auftretende Klebekräfte zwischen der Dichtsitzkante 12 und der Elastomerbeschichtung 4 verringern lassen und zudem die Verschleissfestigkeit der Dichtsitzplatte 2 erhöhen lässt. Diese Klebekräfte treten insbesondere bei niedrigen Temperaturen auf und/oder werden durch niedrige Temperaturen verstärkt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gas-Druckbegrenzungventil 1 handelt es sich um ein Ventil 1 , das sich in einem geschlossenen Zustand befindet. Dabei steht das Ventilelement 3 mit der Dichtsitzplatte 2 derart in Anlage, dass die umlaufende Dichtsitzkante 12 der Dichtsitzplatte 2 mit der Elastomerbeschichtung 4 des Ventilelements 3 einen Dichtsitz 6 ausbildet. In der oben beschriebenen alternativen Ausführungsform ist die Anordnung vertauscht und die umlaufende Dichtsitzkante 12 des Ventilelements 3 bildet it der Elastomerbeschichtung der Dichtsitzplatte 2 einen Dichtsitz 6 aus. Hierzu dringt die umlaufende Dichtsitzkante 12 der Dichtsitzplatte 2 in Richtung der Längsachse 14 in die elastische Elastomerbeschichtung 4 des Ventilelements 3 ein und bildet somit eine gasdichte Verbindung aus und bewirkt eine Kapselung.
Der umlaufende Anschlag 5 steht hierbei in Richtung der Längsachse 14 mit einem Bereich des Ventilelements 3 in Anlage, wobei dieser Bereich des Ventilelements 3 radial außerhalb des Bereichs des Ventilelements 3 liegt, der die Elastomerbeschichtung 4 aufweist. Dadurch wird bewirkt, dass ein definierter Abstand zwischen dem Ventilelement 3 und der Dichtsitzplatte 2 eingehalten werden kann und es wird verhindert, dass die Dichtsitzkante 12 weiter in die
Elastomerbeschichtung 4 eindringt, wodurch eine Beschädigung der Elastomerbeschichtung 4 bewirkt werden würde.
Eine Ausführungsform der Elastomerbeschichtung 4 kann derart ausgeführt sein, dass die Elastomerbeschichtung 4 aus mehreren Schichten besteht und dabei die Schichtung in Richtung der Längsachse 14 verläuft. Dadurch kann die Dichtheit des Dichtsitzes 6 zwischen dem Bauteil Ventilelement 3 und Dichtsitzplatte 2 verbessert werden, während die Klebekräfte am Dichtsitz verringert werden können In Fig. 2 wird das Gas-Druckbegrenzungsventils 1 dargestellt, wobei sich das Gas-Druckbegrenzungsventil hierbei in einem geöffneten Zustand befindet.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird im Folgenden beschrieben, wie der Öffnungsvorgang des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 abläuft. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weist die Dichtsitzplatte 2 die erste Aussparung 18 auf, durch welche ein gasförmiges Medium aus einem hier nicht dargestellten Tank 27 (siehe Fig. 4) und/oder einer Ejektoreinheit 10 (siehe Fig. 4) unter Druck in Richtung eines Pfeils II zugeführt wird, wobei es sich hierbei um den Zulauf II handelt. Die Dichtsitzplatte 2 weist hierbei die erste Aussparung 18 auf, durch die das einströmende Medium bis in den Bereich vordringt, in dem die Dichtsitzkante 12 der Dichtsitzplatte 2 mit der Elastomerbeschichtung 4 des Ventilemenents 3 den Dichtsitz 6 ausbildet, wie in Fig. 1 gezeigt. Dabei baut sich am Ventilelement 3 auf der dem Zulauf II zugewandten Seite, insbesondere in dem Bereich, der die Elastomerbeschichtung 4 aufweist, ein Druck auf, der dem Druck einer Verbindungsleitung 25 (siehe Fig. 5) oder dem Druck einer Zuströmleitung 28 (siehe Fig. 5) entspricht, je nach Anordnung des Gas-Druckbegrenzungsventils 1.
Somit wirkt eine veränderliche Kraft auf das Ventilelement 3 in Richtung der Längsachse 14, die aufgrund des anliegenden Drucks des Mediums auf die Oberfläche der Ventilelements 3, insbesondere der Elastomerbeschichtung 4, im Bereich der ersten Aussparung 18 wirkt. Die Kraft aufgrund des anliegenden Drucks wirkt somit auf das Ventilelement 3 in Richtung der Längsachse 14 und drückt das Ventilelement 3 bei einem Überschreiten eines bestimmten Druckes von der Dichtsitzplatte 2 weg.
Das Ventilelement 3 ist in Richtung der Längsachse 14 beweglich, wobei es radial in Richtung der Längsachse 14 bei einer Verbindung mit dem hülsenförmi- gen Element 13 durch das Führungs-Element 9 geführt ist, wodurch eine Bewegung des Ventilelements 3 radial zur Längsachse 14 verhindert werden kann. Bei einem Überschreiten eines bestimmten Druckniveaus auf der Seite des Zulaufs II bewegt sich das Ventilelement 3 in Richtung der Längsachse 14 von der Dichtsitzplatte weg, indem es die Kraft über das hülsenförmige Element 13 auf die Schließfeder 8 überträgt. Da die Schließfeder 8 auf der dem hülsenförmigen Element 13 gegenüberliegenden Seite mit dem Schließfeder-Abstützung 11 in An- läge steht, verkürzt sich die Schließfeder 8 aufgrund Ihrer Federkonstante bei einem Überschreiten einer bestimmten Kraft, die durch den Druck auf das Ventilelement 3 über das hülsenförmige Element 13 auf die Schließfeder 8 übertragen wird, und die Schließfeder 8 wird somit in Richtung der Längsachse 14 zusam- mengedrückt. Das Führungs-Element 9 kann dabei die Schließfeder 8 und/oder das hülsenförmige Element 13 im Gehäuse 7 führen.
Durch das Wegbewegen des Ventilelements 3 in Richtung der Längsachse 14 von der Dichtsitzplatte 2 weg wird der Dichtsitz 6 aufgehoben, wodurch das Me- dium vom Zulauf II in Richtung der Pfeile IV durch das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 zum Ablauf III strömen kann. Das Medium kann hierbei durch die mindestens eine Durchlass-Öffnung 15 des hülsenförmigen Elements 13 strömen.
Sobald ein Teil des Mediums über den Abfluss aus dem System abgeführt ist, kann sich der Systemdruck in der Verbindungsleitung 25 (siehe Fig. 5) oder der Zuströmleitung 28 (siehe Fig. 5) wieder normalisieren und/oder absenken , wodurch sich die aufgrund des Drucks wirkende Kraft auf das Ventilelement 3 verringert. Die in Richtung der Längsachse 14 wirkende Kraft, insbesondere die Federkraft der Schließfeder 8, drückt dabei das Ventilelement 3 wieder in Richtung der Dichtsitzplatte 2 bis sich die Dichtsitzkante 12 wieder in die Elastomer- beschichtung 4 hineinbewegt und der Dichtsitz 6 ausgebildet wird. In der Endstellung des Ventilelements 3, insbesondere wenn das Ventilelement 3 mit dem umlaufenden Anschlag 5 in Anlage kommt, ist das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 wieder geschlossen.
In Fig. 3 ist eine Schnittansicht des in Fig. 2 mit V bezeichneten umlaufenden Anschlags 5 der Dichtsitzplatte 2 in vergrößerter Darstellung dargestellt. Der umlaufende Anschlag 5 weist dabei eine Strömungs-Öffnung 16 auf, durch die ein im Gas-Druckbegrenzungsventil 1 befindliches Medium abfließen kann. Ohne die Strömungs-Öffnung 16 würde bei einem geschlossenen Zustand des Gas-Druckbegrenzungsventil 1 ein gekapselter Raum zwischen dem umlaufenden Anschlag 5, der umlaufenden Dichtsitzkante 12, der Dichtsitzplatte 2 und dem Ventilelement 3 enstehen. Ein derart gekapselter Raum kann das Gas-Druckbegrenzungsventil 1 schädigen, insbesondere beim Vorgang des Öffnens und des Schließens des Gas-Druckbegrenzungsventils 1. Eine weitere Ausführungsform der Strömungsöffnung kann dabei derart ausgeformt sein, dass der Strömungswiderstand gegenüber dem abfließenden Medium reduziert wird, indem man beispielsweise die Kanten der Strömungs-Öffnung 16 gerundet und/oder strö- mungsoptimiert ausformt.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht der in Fig. 1 mit A-A bezeichneten Dichtsitzplatte 2 in einer Draufsicht in Richtung der Längsachse 14. Hierbei ist gezeigt, dass eine Kapselung des Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag 5 und der umlaufenden Dichtsitzkante 12 bei geschlossenem Gas-Druckbegrenzungsventil 1 vermieden werden kann. Dies wird dadurch erzielt, dass der umlaufende Anschlag 5 die mindestens eine, insbesondere radial zur Längsachse 14 verlaufende, Strömungs-Öffnung 16 aufweist. In der Fig. 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Gas-Druckbegrenzungsventils 1 dargestellt, bei dem der umlaufende Anschlag 5 vier Strömungs-Öffnungen 16 aufweist. Des weiteren ist in Fig. 4 das Gehäuse 7 dargestellt, sowie die umlaufende Dichtsitzkante 12.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist die Ejektoreinheit 10 über die Verbindungsleitung 25 mit einer Brennstoffzelle 30 verbunden, die einen Anodenbereich 31 und einen Kathodenbereich 32 umfasst. Das in den vorherigen Figuren beschriebene Gas-Druckbegrenzungsventil 1 a kann in einer Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung an der Verbindungsleitung 25 angeordnet sein, insbesondere zwischen der Ejektoreinheit 10 und der Brennstoffzelle 30. Zudem ist eine Rückführleitung 26 vorgesehen, die den Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 mit einem Ansaugbereich 22 der Ejektoreinheit 10 verbindet. Mittels der Rückführlei- tung 26 kann das im Anodenbereich 31 beim Betrieb der Brennstoffzelle 30 entstehende zweite gasförmige Medium, das im Wesentlichen ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf ist, zum Ansaugbereich 22 zurückgeführt werden. Wie aus Fig. 7 weiter ersichtlich, wird das im Tank 27 gespeicherte erste gasförmige Medium über die Zuströmleitung 28 einem Zuströmbereich 21 der Ejektoreinheit 10 zugeführt. Das in den vorherigen Figuren beschrieben Gas- Druckbegrenzungsventil 1 b kann in einer Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung an der Zuströmleitung 28 angeordnet sein, insbesondere zwischen einem ersten Absperrventil 24 und einem zweiten Absperrventil 19. Zwischen dem Gas-Druckbegrenzungsventil 1 und dem Tank 27 ist zudem das erste Absperrventil 24 und zwischen dem Gas-Druckbegrenzungsventil 1 b und der Ejektoreinheit 10 das zweites Absperrventil 19 angeordnet. Die Absperrventile 24, 19 sind dazu vorgesehen, um ggf. den Zustrom des ersten gasförmigen Mediums aus dem Tank 27 zum Gas-Druckbegrenzungsventil 1 b bzw. den Zustrom weiter zur Ejektoreinheit 10 zu unterbrechen. Ferner befindet sich in der Rückführleitung 26 eine Verzweigung 36 mit einem dritten Absperrventil 46. Durch dieses dritte Absperrventil 46 lässt sich das in der Rückführleitung 26 befindliche zweite gasförmige Medium nach außen ablassen.
Die Anordnung der Gas-Druckbegrenzungsventile 1 a,b bietet den Vorteil, dass die Verbindungsleitung 25 und die Zuströmleitung 28 vor einem zu hohen Druck geschützt sind, da bei einem Überschreiten eines festgelegten Druckniveaus das jeweilige Gas-Druckbegrenzungsventil 1 a,b öffnet und den Systemdruck redu- ziert. Dadurch lassen sich die Bauteile Brennstoffzelle 30, insbesondere Membran der Brennstoffzelle 30, und des Bauteils Ejektoreinheit 10 vor einer Schädigung schützen, da beide Bauteile extrem anfällig auf zu hohen Druck reagieren.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die
Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich.

Claims

Ansprüche
Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) zum Steuern von einem gasförmigem Medium, insbesondere von Wasserstoff, mit einem Gehäuse (7) und einer Ventilelement-Baugruppe (17), wobei die Ventilelement-Baugruppe (17) ein in Richtung einer Längsachse (14) öffnendes und schließendes und somit bewegliches Ventilelement (3) aufweist und eine unbewegliche Dichtsitzplatte (2), wobei entweder die Dichtsitzplatte (2) oder das Ventilement (3) eine um die Längsachse (14) umlaufende Dichtsitzkante (12) aufweist, die in geschlossenem Zustand des Ventils (1 ) mit dem jeweiligen anderen Bauteil einen Dichtsitz (6) ausbildet, mit einer Schließfeder (8), die in Richtung der Längsachse (14) im Gehäuse (7) angeordnet ist und wobei sich die Schließfeder (8) auf einer Seite in Richtung der Längsache (14) an einer Schließfe- der-Abstützung (1 1 ) abstützt und auf der gegenüberliegenden Seite zumindest mittelbar am Ventilelement (3) abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass entweder das Ventilelement (3) oder die Dichtsitzplatte (2) eine Elastomerbeschichtung (4) aufweist, dass die Elastomerbeschichtung (4) in geschlossenem Zustand des Ventils (1 ) mit der Dichtsitzkante (12) entweder der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelments (3) den Dichtsitz (6) ausbildet, dass die Dichtsitzplatte
(2) oder das Ventilement (3) einen umlaufenden Anschlag (5) aufweist und dass durch den umlaufenden Anschlag (5) die Eindringtiefe der umlaufenden Dichtsitzkante (12) in die Elastomerbeschichtung (4) in Richtung der Längsachse (14) begrenzt wird.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement
(3) radial außerhalb des Bereichs, der die Elastomerbeschichtung (4) aufweist, mit dem Anschlag (5) in Kontakt steht.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerbeschichtung
(4) aus mehreren Schichten besteht, wobei die Schichten unterschiedliche
Materialeigenschaften aufweisen, und die Schichtung in Richtung der Längsachse (14) erfolgt. Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Anschlag (5) der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelements (3) mindestens eine Strömungs- Öffnung (16) aufweist, wobei die mindestens eine Strömungsöffnung (16) insbesondere radial zur Längsachse (14) verläuft, wodurch eine Kapselung eines abgeschlossenen Volumens des gasförmigen Mediums zwischen dem umlaufenden Anschlag
(5) und der umlaufenden Dichtsitzkante (12) verhindert wird.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine umlaufende Dichtsitzkante (12) der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelements (3) eine Wärmebehandlung erfahren hat und/oder eine Beschichtung aufweist, insbesondere in dem Bereich, in dem die umlaufende Dichtsitzkante (12) mit der Elastomerbeschichtung (4) der Dichtsitzplatte (2) oder des Ventilelements (3) in Kontakt steht und den Dichtsitz
(6) ausbildet.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (3) mit einem hül- senförmigen Element (13) verbunden ist, über das sich die Schließfeder (8) am Ventilelement (3) abstützt, und dass das Ventilelement (3) insbesondere über das hülsenförmige Element (13) und ein Führungs-Element (9), das insbesondere zur Führung der Schließfeder (8) dient, in Richtung der Längsachse (14) im Gehäuse
(7) geführt wird.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Schließfeder (8), insbesondere bei einer Bewegung des Ventilelements (3) und/oder des hül- senförmigen Elements (13) in Richtung der Längsachse (14), nicht linear über den Weg bei einem Komprimieren oder Dekomprimieren der Schließfeder (8) verläuft, sondern dass insbesondere die Schließfeder eine über den Federweg progressiv veränderliche Federkonstante aufweist.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die progressiv veränderliche Federkonstante der Schließfeder (8) dadurch erzielt wird, dass der Windungsdurchmesser der Schließfeder (8) verändlich ist und/oder das die Schließfeder (8) aus mindestens zwei Federsegmenten aufgebaut ist, wobei die Federsegmente unterschiedliche Federkonstanten aufweisen.
Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder
(8) und/oder das hül- senförmige Element (13) in Richtung der Längsachse (14) über das Führungs-Element (9) im Gehäuse (7) geführt wird, wobei das Führungs-Element
(9) zwischen der Schließfeder (8) und dem Gehäuse (7) angeordnet ist.
10. Brennstoffzellenanordnung umfassend ein Gas-Druckbegrenzungsventil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle (30).
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