WO2021151608A1 - Ventilsystem und druckspeicher mit einem ventilsystem - Google Patents

Ventilsystem und druckspeicher mit einem ventilsystem Download PDF

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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Definitions

  • safety solenoid valves are used to safely close pressure vessels, which are closed when the power is off. This ensures that gas leakage is avoided at all times when a safety solenoid valve is closed and in the event of accidents or defects in a pressure vessel.
  • a safety valve may be attached directly to or in a pressure vessel, which in the case of a tank system of a machine, in particular a vehicle, can lead to a large number of safety valves on a respective tank system.
  • valve system and a pressure accumulator with the features of the respective independent claims are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the valve system according to the invention naturally also apply in connection with the pressure accumulator according to the invention and in each case vice versa, so that with regard to the disclosure to the individual Aspects of the invention are always mutually referred to or can be referred to.
  • the presented invention serves in particular to provide a cost-effective and safe pressure accumulator for operating a vehicle.
  • a valve system for arrangement in a bottle neck of a pressure accumulator.
  • the valve system comprises an inflow channel for introducing fluid into the pressure accumulator, at least one overpressure channel for discharging fluid from the pressure accumulator, at least one overpressure element for closing the at least one overpressure channel up to a predetermined pressure, a main flow channel for guiding fluid from the pressure accumulator to the at least one overpressure channel or, for guiding fluid through the inflow channel into the pressure accumulator, a connecting element which connects the main flow channel, the inflow channel and the at least one overpressure channel in a fluid-conducting manner.
  • valve system comprises a valve element which is movably arranged in the connecting element, the valve element between a release position in which a fluid-conducting connection between the inflow channel and the main flow channel is released and a closed position in which the fluid-conducting connection between the inflow channel and the Main flow channel is closed by the valve element, is movable.
  • a bottleneck is to be understood as an area of a pressure accumulator at which the pressure accumulator has the smallest diameter or an area which connects a connection for filling the pressure accumulator with a storage volume of the pressure accumulator.
  • the presented valve system is configured for arrangement in a bottle neck of a pressure accumulator.
  • the presented valve system can, for example, in a bottle holder of a pressure accumulator using a thread of the Valve system and a mating thread of the pressure accumulator be screwed into the bottle neck.
  • the presented valve system fulfills a double function in that, as a first function, it enables a pressure accumulator to be filled with fluid through the inflow channel provided according to the invention and, as a second function, to allow fluid to flow out at an overpressure in the pressure accumulator or in the valve system.
  • the inflow channel of the presented valve system can be connected via an interface or a connection to a filling system for supplying a pressure accumulator with fluid.
  • fluid such as hydrogen or natural gas is passed through the filling system into the inflow channel and through the inflow channel via the connecting element into the main flow channel and through the main flow channel into a respective pressure accumulator and stored there.
  • valve element of the valve system is between a release position in which a fluid-conducting connection between the inflow channel and the main flow channel is released, and a closed position, in which the fluid-conducting connection between the inflow channel and the main flow channel is closed by the valve element, can be moved.
  • valve element of the presented valve system is movably mounted so that the valve element, depending on the position of the valve element in the valve system, allows fluid from the pressure accumulator or fluid from a filling system to flow through the connecting element.
  • a direction of flow of fluid through the main flow channel is changed or specified. If the valve element is in its closed position, the valve element seals a transition from the inflow channel to the main channel.
  • the valve element in its closed position seals off the inflow channel itself, so that the valve element engages in the inflow channel or surrounds the inflow channel and closes or seals it in a fluid-tight manner.
  • valve element is moved into its closed position or held in its closed position by a pressure present in a respective pressure accumulator and / or by a spring element.
  • valve element can only be moved into its release position under the action of a force which is provided, for example, by a filling system in which a fluid is passed under pressure into the inflow channel.
  • an opening movement of the valve element for moving the valve element from its closed position into its release position is supported by an actuator, such as an electromagnet.
  • valve element of the presented valve system can be moved into its closed position passively or without current, so that the valve element is in its closed position as standard.
  • a force or an active movement is required for a movement of the valve element into its release position, which counteracts the respective forces pushing or pressing the valve element into its closed position.
  • the valve element only moves into its release position when a force is applied to it that is greater than, for example, a pressure in a respective pressure accumulator or a spring force of a spring element acting on the valve element.
  • the connecting element for example.
  • the inflow channel and the Main flow channel is arranged, is flooded with fluid from a respective pressure accumulator via the main flow channel, so that there is a fluid connection between the overpressure channel and the pressure accumulator and, in the event that the pressure in the pressure accumulator is greater than a predetermined threshold value, the overpressure element of the valve system itself opens and the fluid escapes into an area surrounding the pressure accumulator.
  • valve system comprises at least one actuator for moving the valve element from the closed position into the release position.
  • the valve element of the presented valve system can be acted upon with an exactly predetermined force, so that, for example, during a filling process by means of an actuator, a force is provided that the valve element in its Release position moved.
  • the actuator can provide a force that causes a counterpressure to a spring force provided by a spring element for pressing the valve element into its closed position, so that during a filling process, regardless of a pressure with which a fluid is provided for filling, the fluid in the Pressure accumulator can flow.
  • a force provided by means of an actuator for moving the valve element into its release position can ensure that the valve element is only moved into its release position when the actuator is active. Accordingly, an undesired movement of the valve element into its release position is avoided.
  • the spring force of the at least one spring element is selected such that the valve element moves from the closed position into the release position when a pressure is applied by a fluid provided for filling the pressure accumulator.
  • the at least one overpressure element comprises a reversibly and / or an irreversibly opening overpressure valve.
  • a reversibly openable overpressure element such as an overpressure valve that can be moved between a release position and a closed position
  • an overpressure valve that can be moved by means of an actuator, such as a spring element, an electromagnet or an electric motor
  • a controlled discharge of fluid from a pressure accumulator can be achieved take place at a predetermined pressure, so that a discharge of fluid above the predetermined pressure is avoided.
  • the actuator presses the pressure relief valve into its closed position up to the predetermined pressure or, from the predetermined pressure, presses it into its release position.
  • an irreversibly openable overpressure element such as a rupture disc that breaks or ruptures at a given pressure and / or a given temperature
  • a complete emptying or an essentially complete emptying of a pressure accumulator in a safety-relevant situation such as an overpressure situation or an overheating situation.
  • the at least one overpressure element and / or the at least one valve element can be configured by means of a control unit as a function of a current temperature value determined by means of a temperature sensor or by means of a thermosensitive element for draining fluid from the pressure accumulator.
  • a control unit In order to enable dynamic or controllable emptying of a pressure vessel, a control unit can be provided which interacts with an actuator in order to cause fluid to be drained from the pressure vessel.
  • the control unit can use an actuator Moving the valve element or an actuator for moving the overpressure element, in particular depending on the respective measured values determined by a sensor, such as a temperature sensor and / or a pressure sensor, are in communicative connection.
  • valve system comprises at least one guide device, the at least one guide device being configured to guide fluid flowing through the at least one overpressure element into a predetermined flow path.
  • An uncontrolled flow of fluid out of the presented valve system can be prevented by means of a guide device, such as a guide plate, and a flow of fluid to be drained from a respective pressure accumulator along a flow path predetermined by the guide device can be achieved.
  • a flow of fluid into predetermined safety areas or from unsafe areas, such as, for example, thermally active areas of a machine, can be achieved by means of a guide device.
  • the presented invention relates to a pressure accumulator with a possible configuration of the presented valve system, the valve system being arranged in a bottle neck of the pressure accumulator.
  • a particularly compact and safe pressure accumulator can be provided which is particularly suitable for tight installation spaces, such as, for example, in a vehicle.
  • the presented pressure accumulator can in particular be a pressure accumulator for storing hydrogen or natural gas.
  • valve system is screwed to the bottle neck.
  • the valve system can be exchanged quickly and easily, for example after an overpressure element bursts.
  • valve system and pressure accumulator enables a pressure accumulator to be adapted to the respective infrastructures, such as filling systems used in a country, by screwing a correspondingly adapted valve system into the pressure accumulator or screwing it onto the pressure accumulator.
  • Figure 1 shows a possible embodiment of the presented valve system in a possible embodiment of the presented pressure accumulator
  • Figure 2 shows a possible embodiment of a reversibly actuated overpressure element
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of an irreversibly actuated overpressure element.
  • FIG. 1 a pressure accumulator 100 with a bottle neck 101 is shown.
  • a valve system 103 is screwed onto the bottle neck 101.
  • the valve system 103 comprises an inflow channel 105 for introducing fluid into the pressure accumulator 100, overpressure channels 107a and 107b for discharging fluid from the pressure accumulator 100, a first overpressure element 109 and an alternative second overpressure element 111 for closing the overpressure channels 107a and 107b up to a predetermined one Pressure, one Main flow channel 113 for guiding fluid from pressure accumulator 100 to overpressure channels 107a and 107b or for guiding fluid through inflow channel 105 into pressure accumulator 100, a connecting element 115 which fluidly connects main flow channel 113, inflow channel 105 and overpressure channels 107a and 107b.
  • valve system 103 comprises a valve element 117, which is movably arranged in the connecting element 115, the valve element 117 between a release position in which a fluid-conducting connection between the inflow channel 105 and the main flow channel 113 is released, and a closed position in which the fluid-conducting connection is released Connection between the inflow channel 105 and the main flow channel 113 is closed by the valve element 117, is movable.
  • the connecting element 115 is circular with an essentially U-shaped cross section and is connected to the main flow channel 113 at two points or via at least two supply lines. Accordingly, if necessary, fluid flowing through the main flow channel 113 into the connecting element 115 is guided along a direct flow path or a flow path of minimal length to the overpressure channels 107a and 107b.
  • the overpressure channels 107a and 107b are arranged on a side opposite the main flow channel 113 on the connecting element 115 and enable a particularly direct escape of overpressure from the main flow channel 113 by avoiding potential pressure accumulation areas such as angles or curves.
  • valve element 117 is pressed onto a valve seat 131 of the inflow channel 105 by means of an optional spring element 119 in order to seal it off. Accordingly, in order to fill the pressure accumulator 100 with fluid through the inflow channel, a fluid under pressure must be pumped into the inflow channel and / or the valve element 117 must be moved into the release position by means of an optional actuator, such as a solenoid 121. An overpressure in the valve system 103 and / or the pressure accumulator 100 is reduced by supplying fluid that is provided by a filling system or that flows from the pressure accumulator 100 via the overpressure channels 107a, 107b to the first overpressure element 109 and / or the alternative overpressure element 111 and is discharged into an environment.
  • a rupture disc 123 of the first overpressure element 107 bursts when a pressure in the first overpressure channel 107a is higher than a predetermined threshold value or higher than a pressure tolerance of the rupture disc 123, so that a predetermined breaking point exists in the valve system 103 through which a Overpressure in the valve system 103 or the pressure accumulator 100 can be reduced.
  • the second overpressure element 111 is based on a valve pin 125, which is movably mounted in the overpressure channel 107b and is pressed onto a valve seat 129 of the overpressure channel 107b via a retaining spring 133, the pressure of which can be adjusted via a holder screw 127, in order to seal it.
  • the actuator can be controlled via an interface 135 in order to move the valve element 117 into its release position, so that fluid flows through the inflow channel 105 via the main flow channel 113 and through an opening 137 in a base body 139 of the valve system 103 from the pressure accumulator 100 can flow.
  • the materials built into the valve system 103 can be optimized to form a magnetic flux through the magnetic coil 121, the valve element 117, a union nut 139 and a support structure 141.
  • cross-sectional dimensions and surface structures of the valve system 103 can be selected in such a way that a particularly strong magnetic force results when the magnetic coil 121 is actuated with electrical current.
  • FIG. 2 shows an overpressure element 200 which seals off an overpressure channel 201 by means of a ball 203.
  • the ball 203 is pressed by a spring element 205 onto a valve seat 207 of the overpressure channel 201. If a pressure in the overpressure channel 201 becomes greater than a force provided by the spring element 205 or a counterpressure provided by the spring element 205, the ball 203 is pressed against the spring element 205 by the pressure in the overpressure channel 201, so that the spring element 205 is shortened and the ball 203 releases the overpressure channel 201, as a result of which fluid is finally discharged through the overpressure channel 201 past ball 203, along a guide device 209, which guides the fluid away from a heat source, into an environment and the in the overpressure channel 201 and a den Overpressure channel 201 is reduced with fluid flowing pressure accumulator.
  • an overpressure element 300 is shown.
  • the overpressure element 300 comprises a rupture disk 301, which is exposed to a flow of fluid from a pressure accumulator through an overpressure channel 303.
  • the rupture disc 301 breaks and enables the fluid to flow out of the pressure accumulator via a guide device 305 into an environment.
  • the rupture disk 301 can also be constructed in such a way that it melts from a predetermined temperature, so that, for example, in the event of a fire, fluid is released from the pressure accumulator at an early stage.

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Ventilsystem (103) zur Anordnung in einem Flaschenhals (101) eines Druckspeichers (100). Das Ventilsystem (103) umfasst einen Zuströmungskanal (105) zum Einführen von Fluid in den Druckspeicher (100), mindestens einen Überdruckkanal (107a, 107b) zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher (100), mindestens ein Überdruckelement (109, 111) zum Verschließen des mindestens einen Überdruckkanals (107a, 107b) bis zu einem vorgegebenen Druck, einen Hauptströmungskanal (113) zum Leiten von Fluid aus dem Druckspeicher (100) zu dem mindestens einen Überdruckkanal (107a, 107b) oder zum leiten Fluid durch den Zuströmungskanal (105) in den Druckspeicher (100), ein Verbindungselement (115), das den Hauptströmungskanal (113), den Zuströmungskanal (105) und den mindestens einen Überdruckkanal (107a, 107b) fluidleitend verbindet. Weiterhin umfasst das Ventilsystem (103) ein Ventilelement (117), das beweglich in dem Verbindungselement (115) angeordnet ist, wobei das Ventilelement (117) zwischen einer Freigabestellung, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal (105) und dem Hauptströmungskanal (113) freigegeben ist und einer Schließstellung, in der die fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal (105) und dem Hauptströmungskanal (113) durch das Ventilelement (117) verschlossen ist, bewegbar ist. Ferner betrifft die vorgestellte Erfindung einen Druckspeicher (100) mit dem vorgestellten Ventilsystem (103).

Description

Beschreibung
Titel
Ventilsystem und Druckspeicher mit einem Ventilsystem
Stand der Technik
In Druckspeichern, vor allem in mobilen Anwendungen von technischen Gasen, wie bspw. bei einem Wasserstoffantrieb oder einem Erdgasantrieb, werden zum sicheren Verschließen von Druckbehältern Sicherheitsmagnetventile verwendet, die im stromlosen Zustand geschlossen sind. Dadurch wird sichergestellt, dass im geschlossenen Zustand eines Sicherheitsmagnetventils und bei Unfällen oder Defekten eines Druckbehälters zu jedem Zeitpunkt ein Gasaustritt vermieden wird.
Aufgrund von regulatorischen Bestimmungen kann es erforderlich sein, dass ein Sicherheitsventil direkt an oder in einem Druckbehälter angebracht ist, was bei einem Tanksystem einer Maschine, insbesondere eines Fahrzeugs, zu einer Vielzahl von Sicherheitsventilen an einem jeweiligen Tanksystem führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Ventilsystem und ein Druckspeicher mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Ventilsystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Druckspeicher und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen kosteneffizienten und sicheren Druckspeicher zum Betrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen.
Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Ventilsystem zur Anordnung in einem Flaschenhals eines Druckspeichers, vorgestellt. Das Ventilsystem umfasst einen Zuströmungskanal zum Einführen von Fluid in den Druckspeicher, mindestens einen Überdruckkanal zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher, mindestens ein Überdruckelement zum Verschließen des mindestens einen Überdruckkanals bis zu einem vorgegebenen Druck, einen Hauptströmungskanal zum Leiten von Fluid aus dem Druckspeicher zu dem mindestens einen Überdruckkanal oder zum leiten Fluid durch den Zuströmungskanal in den Druckspeicher, ein Verbindungselement, das den Hauptströmungskanal, den Zuströmungskanal und den mindestens einen Überdruckkanal fluidleitend verbindet. Weiterhin umfasst das Ventilsystem ein Ventilelement, das beweglich in dem Verbindungselement angeordnet ist, wobei das Ventilelement zwischen einer Freigabestellung, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal freigegeben ist, und einer Schließstellung, in der die fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal durch das Ventilelement verschlossen ist, bewegbar ist.
Unter einem Flaschenhals ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Bereich eines Druckspeichers zu verstehen, an dem der Druckspeicher einen geringsten Durchmesser aufweist bzw. ein Bereich, der einen Anschluss zum Befüllen des Druckspeichers mit einem Speichervolumen des Druckspeichers verbindet.
Das vorgestellte Ventilsystem ist zur Anordnung in einem Flaschenhals eines Druckspeichers konfiguriert. Dies bedeutet, dass zumindest der Überdruckkanal, der Hauptströmungskanal, das Verbindungselement und das Ventilelements innerhalb des Flaschenhalses einen Druckspeichers anordenbar bzw. integrierbar sind. Dazu kann das vorgestellte Ventilsystem bspw. in einen Flaschenhalt eines Druckspeichers unter Verwendung eines Gewindes des Ventilsystems und eines Gegengewindes des Druckspeichers in den Flaschenhals eingeschraubt sein.
Das vorgestellte Ventilsystem erfüllt eine Doppelfunktion indem es, als erste Funktion, ein Befüllen eines Druckspeichers durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Zuströmungskanal mit Fluid und, als zweite Funktion, ein Ausströmen von Fluid bei einem Überdruck in dem Druckspeicher bzw. in dem Ventilsystem ermöglicht.
Der Zuströmungskanal des vorgestellten Ventilsystems kann über eine Schnittstelle bzw. einen Anschluss mit einem Befüllungssystem zum Versorgen eines Druckspeichers mit Fluid verbunden werden. Entsprechend wird durch das Befüllungssystem Fluid, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas, in den Zuströmungskanal und durch den Zuströmungskanal über das Verbindungselement in den Hauptströmungskanal und durch den Hauptströmungskanal in einen jeweiligen Druckspeicher geleitet und dort gespeichert.
Um ein Einströmen von Fluid durch den Zuströmungskanal des vorgestellten Ventilsystems selektiv bzw. lediglich während eines Befüllungsvorgangs zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäß vorgesehene Ventilelement des Ventilsystems zwischen einer Freigabestellung, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal freigegeben ist, und einer Schließstellung, in der die fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal durch das Ventilelement verschlossen ist, bewegbar ist.
Das Ventilelement des vorgestellten Ventilsystems ist beweglich gelagert, sodass das Ventilelement, je nach Position des Ventilelements in dem Ventilsystem, ein Durchströmen des Verbindungselements mit Fluid aus dem Druckspeicher oder mit Fluid aus einem Befüllungssystem ermöglicht. Entsprechend wird, in Abhängigkeit einer Position des Ventilelements, eine Strömungsrichtung von Fluid durch den Hauptströmungskanal geändert bzw. vorgegeben. Befindet sich das Ventilelement in seiner Schließstellung, dichtet das Ventilelement einen Übergang von dem Zuströmungskanal zu dem Hauptkanal ab. Insbesondere dichtet das Ventilelement in seiner Schließstellung den Zuströmungskanal an sich ab, sodass das Ventilelement in den Zuströmungskanal eingreift bzw. den Zuströmungskanal umgibt und diesen fluiddicht verschließt bzw. abdichtet.
Es ist insbesondere vorgesehenen, dass das Ventilelement durch einen in einem jeweiligen Druckspeicher vorliegenden Druck und/oder durch ein Federelement in seine Schließstellung bewegt bzw. in seiner Schließstellung gehalten wird.
Dies bedeutet, dass das Ventilelement lediglich unter Einwirkung einer Kraft, die bspw. von einem durch ein Befüllungssystem bereitgestellt wird, indem ein Fluid mit Druck in den Zuströmungskanal geleitet wird, in seine Freigabestellung bewegt werden kann.
Es kann optional vorgesehen sein, dass eine Öffnungsbewegung des Ventilelements zum Bewegen des Ventilelements von seiner Schließstellung in seine Freigabestellung von einem Aktuator, wie bspw. einem Elektromagneten unterstützt wird.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das Ventilelement des vorgestellten Ventilsystems passiv bzw. stromlos in seine Schließstellung bewegbar ist, sodass sich das Ventilelement standardmäßig in seiner Schließstellung befindet. Entsprechend ist für eine Bewegung des Ventilelements in seine Freigabestellung eine Kraft bzw. eine aktive Bewegung erforderlich, die jeweiligen das Ventilelement in seine Schließstellung drängenden bzw. drückenden Kräften entgegenwirken. Dies bedeutet, dass sich das Ventilelement nur dann in seine Freigabestellung bewegt, wenn dieses mit einer Kraft beaufschlagt wird, die größer ist als bspw. ein Druck in einem jeweiligen Druckspeicher bzw. eine Federkraft eines auf das Ventilelement einwirkenden Federelements.
Wenn sich das Ventilelement des vorgestellten Ventilsystems in seiner Schließstellung befindet, ist insbesondere vorgesehen, dass das Verbindungselement, das bspw. zwischen dem Zuströmungskanal und dem Hauptströmungskanal angeordnet ist, über den Hauptströmungskanal mit Fluid aus einem jeweiligen Druckspeicher geflutet wird, sodass eine Fluidverbindung zwischen dem Überdruckkanal und dem Druckspeicher besteht und, für den Fall, dass der Druck in dem Druckspeicher größer wird als ein vorgegebener Schwellenwert, das Überdruckelement des Ventilsystems sich öffnet und das Fluid in eine Umgebung des Druckspeichers entweicht.
Es kann vorgesehen sein, dass das Ventilsystem mindestens einen Aktuator zum Bewegen des Ventilelements von der Schließstellung in die Freigabestellung umfasst.
Mittels eines Aktuators, wie bspw. einer Magnetspule bzw. einem Elektromagneten oder einem Elektromotor, kann das Ventilelement des vorgestellten Ventilsystems mit einer exakt vorgegebenen Kraft beaufschlagt werden, sodass bspw. bei einem Befüllungsvorgang mittels eines Aktuators eine Kraft bereitgestellt wird, die das Ventilelement in seine Freigabestellung bewegt. Alternativ kann der Aktuator eine Kraft bereitstellen, die einen Gegendruck zu einer von einem Federelement zum Drücken des Ventilelements in seine Schließstellung bereitgestellten Federkraft bewirkt, sodass bei einem Befüllungsvorgang, unabhängig von einem Druck, mit dem ein Fluid zum Befüllen bereitgestellt wird, das Fluid in den Druckspeicher strömen kann.
Durch eine mittels eines Aktuators bereitgestellte Kraft zum Bewegen des Ventilelements in seine Freigabestellung kann sichergestellt werden, dass das Ventilelement nur dann in seine Freigabestellung bewegt wird, wenn der Aktuator aktiv ist. Entsprechend wird eine ungewollte Bewegung des Ventilelements in seine Freigabestellung vermieden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Federkraft des mindestens einen Federelements derart gewählt ist, dass sich das Ventilelement bei einer Beaufschlagung mit einem Druck durch ein zum Befüllen des Druckspeichers vorgesehenes Fluid, von der Schließstellung in die Freigabestellung bewegt.
Mittels eines Federelements, das eine vorgegebene bzw. definierte Federkraft bereitstellt, kann eine Befüllung durch Systeme, die ein Fluid mit zu geringem Druck bereitstellen, wie bspw. beschädigte oder ungeeignete Systeme, vermieden werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mindestens eine Überdruckelement ein reversibel und/oder ein irreversibel öffnendes Überdruckventil umfasst.
Mittels eines reversibel zu öffnenden Überdruckelements, wie bspw. einem zwischen einer Freigabestellung und einer Schließstellung bewegbaren Überdruckventil, insbesondere einem mittels eines Aktuators, wie bspw. einem Federelement, einem Elektromagnet oder einem Elektromotor bewegbaren Überdruckventil, kann ein kontrolliertes Ablassen von Fluid aus einem Druckspeicher bis zu einem vorgegebenen Druck erfolgen, sodass ein Ablassen von Fluid über den vorgegebenen Druck hinaus vermieden wird. Dazu kann vorgesehen sein, dass der Aktuator das Überdruckventil bis zu dem vorgegebenen Druck in seine Schließstellung drückt oder ab dem vorgegebenen Druck in seine Freigabestellung drückt.
Mittels eines irreversibel zu öffnenden Überdruckelements, wie bspw. einer Berstscheibe, die bei einem vorgegebenen Druck und/oder einer vorgegebenen Temperatur bricht bzw. berstet, kann ein vollständiges Entleeren bzw. ein im Wesentlichen vollständiges Entleeren eines Druckspeichers in einer sicherheitsrelevanten Situation, wie bspw. einer Überdrucksituation oder einer Überhitzungssituation, erfolgen.
Es kann weiterhin vorgegeben sein, dass das mindestens eine Überdruckelement und/oder das mindestens eine Ventilelement mittels einer Kontrolleinheit in Abhängigkeit eines mittels eines Temperatursensors ermittelten aktuellen Temperaturwerts oder mittels eines thermosensitiven Elements zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher konfigurierbar ist.
Um eine dynamische bzw. eine regelbare/steuerbare Entleerung eines Druckbehälters zu ermöglichen, kann eine Kontrolleinheit vorgesehen sein, die mit einem Aktuator zusammenwirkt, um ein Ablassen von Fluid aus dem Druckbehälter zu bewirken. Dazu kann die Kontrolleinheit einen Aktuator zum Bewegen des Ventilelements oder einen Aktuator zum Bewegen des Überdruckelements, insbesondere in Abhängigkeit jeweiliger von einem Sensor, wie bspw. einem Temperatursensor und/oder einem Drucksensor ermittelter Messwerte, in kommunikativer Verbindung stehen.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Ventilsystem mindestens eine Leitvorrichtung umfasst, wobei die mindestens eine Leitvorrichtung dazu konfiguriert ist, durch das mindestens eine Überdruckelement strömendes Fluid in einen vorgegebenen Strömungspfad zu leiten.
Mittels einer Leitvorrichtung, wie bspw. einem Leitblech, kann ein unkontrolliertes Strömen von Fluid aus dem vorgestellten Ventilsystem verhindert und ein Strömen von aus einem jeweiligen Druckspeicher abzulassenden Fluid entlang eines durch die Leitvorrichtung vorgegebenen Strömungspfades erreicht werden. Insbesondere kann durch eine Leitvorrichtung ein Strömen von Fluid in vorgegebene Sicherheitsbereiche bzw. von unsicheren Bereichen, wie bspw. thermisch aktiven Bereichen einer Maschine weg, erreicht werden.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung einen Druckspeicher mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Ventilsystems, wobei das Ventilsystem in einem Flaschenhals des Druckspeichers angeordnet ist.
Durch ein in einem Flaschenhals des vorgestellten Druckspeichers angeordnetes Ventilsystem kann ein besonders kompakter und sicherer Druckspeicher bereitgestellt werden, der sich besonders für enge Bauräume, wie bspw. in einem Fahrzeug, eignet.
Der vorgestellte Druckspeicher kann insbesondere ein Druckspeicher zum Speichern von Wasserstoff oder Erdgas sein.
Es kann vorgesehen sein, dass das Ventilsystem mit dem Flaschenhals verschraubt ist. Durch eine Verschraubung zwischen einem Flaschenhals des vorgestellten Druckspeichers und dem Ventilsystem kann das Ventilsystem, bspw. nach einem Bersten eines Überdruckelements, schnell und einfach ausgetauscht werden.
Insbesondere ermöglicht eine Verschraubung von Ventilsystem und Druckspeicher eine Anpassung eines Druckspeichers an jeweilige Infrastrukturen, wie bspw. in einem Land verwendete Befüllungssysteme, indem ein entsprechend angepasstes Ventilsystem in den Druckspeicher eingeschraubt bzw. an dem Druckspeicher angeschraubt wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Ventilsystems in einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Druckspeichers,
Figur 2 eine mögliche Ausgestaltung eines reversibel zu betätigenden Überdruckelements,
Figur 3 eine mögliche Ausgestaltung eines irreversibel zu betätigenden Überdruckelements.
In Figur 1 ist ein Druckspeicher 100 mit einem Flaschenhals 101 dargestellt. Auf den Flaschenhals 101 ist ein Ventilsystem 103 aufgeschraubt.
Das Ventilsystem 103 umfasst einen Zuströmungskanal 105 zum Einführen von Fluid in den Druckspeicher 100, Überdruckkanäle 107a und 107b zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher 100, ein erstes Überdruckelement 109 und ein alternatives zweites Überdruckelement 111 zum Verschließen der Überdruckkanäle 107a und 107b bis zu einem vorgegebenen Druck, einen Hauptströmungskanal 113 zum Leiten von Fluid aus dem Druckspeicher 100 zu den Überdruckkanälen 107a und 107b oder zum leiten Fluid durch den Zuströmungskanal 105 in den Druckspeicher 100, ein Verbindungselement 115, das den Hauptströmungskanal 113, den Zuströmungskanal 105 und die Überdruckkanäle 107a und 107b fluidleitend verbindet.
Weiterhin umfasst das Ventilsystem 103 ein Ventilelement 117, das beweglich in dem Verbindungselement 115 angeordnet ist, wobei das Ventilelement 117 zwischen einer Freigabestellung, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal 105 und dem Hauptströmungskanal 113 freigegeben ist, und einer Schließstellung, in der die fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal 105 und dem Hauptströmungskanal 113 durch das Ventilelement 117 verschlossen ist, bewegbar ist.
Vorliegend ist das Verbindungselement 115 kreisförmig mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt ausgestaltet und an zwei Stellen bzw. über mindestens zwei Zuführleitungen mit dem Hauptströmungskanal 113 verbunden. Entsprechend wird ggf. durch den Hauptströmungskanal 113 in das Verbindungselement 115 strömendes Fluid entlang eines direkten Strömungspfads bzw. einem Strömungspfad mit minimaler Länge zu den Überdruckkanälen 107a und 107b geleitet. Die Überdruckkanäle 107a und 107b sind an einer dem Hauptströmungskanal 113 gegenüberliegenden Seite an dem Verbindungselement 115 angeordnet und ermöglichen ein besonders direktes Entweichen von Überdruck aus dem Hauptströmungskanal 113, indem potentiell Druckstaubereiche, wie bspw. Winkel oder Kurven vermieden werden.
Das Ventilelement 117 wird mittels eines optionalen Federelements 119 auf einen Ventilsitz 131 des Zuströmungskanals 105 gedrückt, um diesen abzudichten. Entsprechend muss zum Befüllen des Druckspeichers 100 mit Fluid durch den Zuströmungskanal ein Fluid unter Druck in den Zuströmungskanal gepumpt werden und/oder das Ventilelement 117 mittels eines optionalen Aktuators, wie bspw. einer Magnetspule 121 in die Freigabestellung bewegt werden. Ein Überdruck in dem Ventilsystem 103 und/oder dem Druckspeicher 100 wird reduziert, indem Fluid, das von einem Befüllungssystem bereitgestellt wird oder das aus dem Druckspeicher 100 strömt, über die Überdruckkanäle 107a, 107b dem ersten Überdruckelement 109 und/oder dem alternativen Überdruckelement 111 zugeführt und in eine Umgebung abgelassen wird.
Es kann vorgesehenen, dass eine Berstscheibe 123 des ersten Überdruckelements 107 berstet, wenn ein Druck in dem ersten Überdruckkanal 107a höher als ein vorgegebener Schwellenwert bzw. höher als eine Drucktoleranz der Berstscheibe 123 ist, sodass eine Sollbruchstelle in dem Ventilsystem 103 besteht, durch die ein Überdruck in dem Ventilsystem 103 bzw. dem Druckspeicher 100 abgebaut werden kann.
Das zweite Überdruckelement 111 basiert auf einem Ventilbolzen 125, der bewegbar in dem Überdruckkanal 107 b gelagert und ist über eine Haltefeder 133, deren Druck über eine Halterschaube 127 einstellbar ist, auf einen Ventilsitz 129 des Überdruckkanals 107b gedrückt wird, um diesen abzudichten.
Mittels eines optionalen Kontrollgeräts kann der Aktuator über eine Schnittstelle 135 angesteuert werden, um das Ventilelement 117 in seine Freigabestellung zu bewegen, sodass Fluid durch den Zuströmungskanal 105 über den Hauptströmungskanal 113 und durch eine Öffnung 137 in einem Grundkörper 139 des Ventilsystems 103 aus dem Druckspeicher 100 strömen kann.
Die in dem Ventilsystem 103 verbauten Materialien können zur Ausbildung eines magnetischen Flusses durch die Magnetspule 121, das Ventilelement 117 eine Überwurfmutter 139 und eine Trägerstruktur 141 optimiert sein. Dazu können bspw. Querschnittsdimensionierungen und Oberflächenstrukturen des Ventilsystems 103 derart gewählt werden, dass sich eine besonders starke magnetische Kraft beim Ansteuern der Magnetspule 121 mit elektrischem Strom ergibt.
In Figur 2 ist ein Überdruckelement 200 dargestellt, das einen Überdruckkanal 201 mittels einer Kugel 203 abdichtet. Die Kugel 203 wird durch ein Federelement 205 auf einen Ventilsitz 207 des Überdruckkanals 201 gedrückt. Wenn ein Druck in dem Überdruckkanal 201 größer wird als eine durch das Federelement 205 bereitgestellte Kraft bzw. ein durch das Federelement 205 bereitgestellter Gegendruck, wird die Kugel 203 durch den Druck in dem Überdruckkanal 201 dem Federelement 205 entgegen gedrückt, sodass sich das Federelement 205 verkürzt und die Kugel 203 den Überdruckkanal 201 frei gibt, wodurch schließlich Fluid durch den Überdruckkanal 201 an Kugel 203 vorbei, an einer Leitvorrichtung 209 entlang, die das Fluid von einer Wärmequelle weg leitet, in eine Umgebung ausgeleitet und der in dem Überdruckkanal 201 und einem den Überdruckkanal 201 mit Fluid beströmenden Druckspeicher reduziert wird.
In Figur 3 ist ein Überdruckelement 300 dargestellt. Das Überdruckelement 300 umfasst eine Berstscheibe 301, die durch einen Überdruckkanal 303 mit Fluid aus einem Druckspeicher angeströmt wird.
Für den Fall, dass sich ein Druck in dem Druckspeicher und entsprechend in dem Überdruckkanal 303 über eine Belastungsgrenze der Berstscheibe 301 erhöht, zerbricht die Berstscheibe 301 und ermöglicht ein Ausströmen des Fluids aus dem Druckspeicher über eine Leitvorrichtung 305 in eine Umgebung.
Selbstverständlich kann die Berstscheibe 301 auch derart konstruiert sein, dass diese ab einer vorgegebenen Temperatur schmilzt, sodass bspw. bei einem Brand ein frühzeitiges Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher erreicht wird.

Claims

Ansprüche
1. Ventilsystem (103) zur Anordnung an einem Flaschenhals (101) eines Druckspeichers (100), wobei das Ventilsystem (103) umfasst:
- einen Zuströmungskanal (105) zum Einführen von Fluid in den
Druckspeicher (100),
- mindestens einen Überdruckkanal (107a, 107b) zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher (100),
- mindestens ein Überdruckelement (109, 111, 200, 300) zum Verschließen des mindestens einen Überdruckkanals (107a, 107b) bis zu einem vorgegebenen Druck,
- einen Hauptströmungskanal (113) zum Leiten von Fluid aus dem
Druckspeicher (100) zu dem mindestens einen Überdruckkanal (107a, 107b) oder zum leiten Fluid durch den Zuströmungskanal (105) in den Druckspeicher (100),
- ein Verbindungselement (115), das den Hauptströmungskanal (113), den Zuströmungskanal (105) und den mindestens einen Überdruckkanal (107a, 107b) fluidleitend verbindet,
- ein Ventilelement (117), das beweglich in dem Verbindungselement
(115) angeordnet ist, wobei das Ventilelement (117) zwischen einer Freigabestellung, in der eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal (105) und dem Hauptströmungskanal (113) freigegeben ist, und einer Schließstellung, in der die fluidleitende Verbindung zwischen dem Zuströmungskanal (105) und dem Hauptströmungskanal (113) durch das Ventilelement (117) verschlossen ist, bewegbar ist. 2. Ventilsystem (103) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem (103) mindestens einen Aktuator (121) zum Bewegen des Ventilelements (117) von der Schließstellung in die Freigabestellung umfasst.
3. Ventilsystem (103) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem (103) mindestens ein Federelement (119, 205) umfasst, das eine Federkraft bereitstellt, die das Ventilelement (117) in die Schließstellung drückt.
4. Ventilsystem (103) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft des mindestens einen Federelements (119, 205) derart gewählt ist, dass sich das Ventilelement (117) bei einer Beaufschlagung mit einem Druck durch ein zum Befüllen des Druckspeichers (100) vorgesehenes Fluid, von der Schließstellung in die Freigabestellung bewegt.
5. Ventilsystem (103) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Überdruckelement (109, 111, 200, 300) ein reversibel und/oder ein irreversibel öffnendes Überdruckventil umfasst.
6. Ventilsystem (103) nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Überdruckelement (109, 111, 200, 300) und/oder das mindestens eine Ventilelement (117) mittels einer Kontrolleinheit in Abhängigkeit eines mittels eines Temperatursensors ermittelten aktuellen Temperaturwerts oder mittels eines thermosensitiven Elements zum Ablassen von Fluid aus dem Druckspeicher (100) konfigurierbar ist.
7. Ventilsystem (103) nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem (103) mindestens eine Leitvorrichtung (209, 305) umfasst, wobei die mindestens eine Leitvorrichtung (209, 305) dazu konfiguriert ist, durch das mindestens eine Überdruckelement strömendes Fluid in einen vorgegebenen Strömungspfad zu leiten.
8. Ventilsystem (103) nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Überdruckelement (109, 111, 200, 300) ein Überdruckventil und ein Federelement (119, 205) umfasst, wobei das Federelement (119, 205) eine Federkraft bereitstellt, die das Überdruckelement (109, 111) gegen den mindestens einen Überdruckkanal (107a, 107b) drückt, um ein Ausströmen von Fluid durch den mindestens einen Überdruckkanal (107a, 107b) bis zu einem vorgegebenen Druck des Fluids zu verhindern.
9. Druckspeicher (100) mit einem Flaschenhals (101) und einem Ventilsystem (103) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Ventilsystem (103) in dem Flaschenhals (101) des Druckspeichers (100) angeordnet ist.
10. Druckspeicher (100) nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilsystem (103) mit dem Flaschenhals (101) verschraubt ist.
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