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WO2023143845A1 - Absperrventil sowie wasserstofftanksystem mit absperrventil - Google Patents

Absperrventil sowie wasserstofftanksystem mit absperrventil Download PDF

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WO2023143845A1
WO2023143845A1 PCT/EP2022/087880 EP2022087880W WO2023143845A1 WO 2023143845 A1 WO2023143845 A1 WO 2023143845A1 EP 2022087880 W EP2022087880 W EP 2022087880W WO 2023143845 A1 WO2023143845 A1 WO 2023143845A1
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WO
WIPO (PCT)
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valve
shut
armature
main valve
magnet
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/087880
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Udo Schaich
Andreas Rau
Joachim Soubari
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN202280090054.4A priority Critical patent/CN118591707A/zh
Priority to KR1020247027943A priority patent/KR20240136424A/ko
Publication of WO2023143845A1 publication Critical patent/WO2023143845A1/de

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    • F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
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    • F17C2270/0165—Applications for fluid transport or storage on the road
    • F17C2270/0184—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a shut-off valve for hydrogen tank systems. Furthermore, the invention relates to a hydrogen tank system with a shut-off valve according to the invention.
  • Hydrogen tank systems for motor vehicles or mobile hydrogen tank systems are known, which are used to supply fuel cells or internal combustion engines with hydrogen.
  • a defect for example a line rupture, or an accident
  • the individual containers of a hydrogen tank system must be able to be closed by means of a shut-off valve in order to prevent hydrogen from escaping in an uncontrolled manner.
  • the shut-off valves used should therefore be designed as automatically closing valves without current.
  • shuttoff valves that are automatic without current are known from the prior art, which are servo-controlled, ie have a main valve controlled indirectly via a control valve.
  • a control valve By opening the control valve, a control chamber is relieved, which is delimited by a valve member of the main valve. This also relieves the valve member, so that a pressure equalization is achieved, which leads to a pneumatic equilibrium of forces.
  • the main valve can then be opened by means of the spring force of a spring or the magnetic force of a magnetic actuator.
  • the main valve can also be closed by means of spring force or magnetic force.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a miniaturized shut-off valve for a hydrogen tank system which, thanks to optimized field line guidance, enables large strokes with only one magnetic actuator, which is also small.
  • shut-off valve with the features of claim 1 is specified.
  • Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims.
  • a hydrogen tank system with at least one shut-off valve according to the invention is specified.
  • a shut-off valve for hydrogen tank systems comprising a housing in which an annular magnet coil is accommodated for acting on a magnet armature designed as a flat armature of a control valve and a solenoid armature designed as a plunger of a main valve.
  • the two magnet armatures are arranged coaxially and together delimit a control chamber formed within the magnet coil, which is pneumatically connected on the one hand to a control valve chamber and on the other hand to a main valve chamber.
  • At least one spring for resetting the two magnet armatures is accommodated in the control room.
  • the proposed shut-off valve is therefore a servo-controlled solenoid valve.
  • the opening of the main valve is effected by means of magnetic force and a pneumatic force which - with the opening of the control valve - result from changing pressure and thus force conditions on the magnet armature of the main valve. Opening therefore requires less magnetic force.
  • only one magnetic coil is required to actuate the control valve and main valve. As a result, installation space can thus be saved.
  • the design of the magnet armature of the main valve as a plunger is advantageous here, since with a plunger the magnetic force decreases less as the distance between the magnet armature and a fixed stroke stop increases than with flat armature designs. This measure thus contributes to the magnetic circuit being able to be made more compact.
  • the particularly compact design of the proposed shut-off valve allows not only the classic installation as a screw-in valve with an external magnetic coil but also an installation in which the magnetic coil of the shut-off valve comes to rest inside the bottleneck of a bottle-shaped compressed gas container.
  • This arrangement is advantageous because the neck of the bottle has a particularly high level of stability, so that the shut-off valve is optimally protected against external influences, for example as a result of an accident.
  • the magnet armature which is designed as a flat armature, has a circumferential radial distance from the housing.
  • the field lines of the magnetic circuit are mainly routed through the axial working air gap, which results in a high level of force acting on the control valve.
  • the magnet armature designed as a flat armature forms or has a control valve piston that interacts with a control valve seat. This means that the control valve piston and the magnet armature are designed in one piece or are firmly connected, so that they move together.
  • the magnet armature of the main valve designed as a plunger is preferably guided within the magnet coil via a guide and the control chamber is connected to the main valve chamber in a pneumatically throttling manner via the guide and/or a flow channel formed in the area of the guide.
  • the guidance can be brought about, for example, via a pole body or a sleeve which is inserted into the magnetic coil.
  • the pneumatic connection of the control chamber to the main valve chamber via the guide is particularly simple and therefore inexpensive to produce.
  • a throttle point can be formed in a simple manner via the guide.
  • the pneumatically throttling connection ensures that when the control valve is open, less gas flows into the control chamber than through the open control valve flows out in order to cause the pressure drop in the control chamber required to actuate the main valve. If—alternatively or additionally—a pneumatically throttling connection is to be established via a flow channel formed in the area of the guide, a longitudinal groove can be provided in the magnet armature or in the area of the guide, or the magnet armature can have at least one flattening.
  • a sealing element is arranged in the guide area.
  • a throttle bore in the magnet armature.
  • at least one groove or polished section can also be provided in the magnet armature.
  • the at least one groove can also be formed in a coil former or housing forming the guide.
  • the magnet armature designed as a plunger is preferably in the form of a cylinder which additionally has a geometry and/or an element for forming a stroke stop.
  • the stroke stop limits the maximum stroke of the magnet armature so that it can be moved back and forth between two defined end positions.
  • the geometry provided for this purpose can be designed, for example, as a local thickening in an outer peripheral area of the magnet armature.
  • the magnet armature can be connected to an additional element, which has the shape of a ring or a sleeve, for example.
  • the element can then be made from a different material than the magnet armature, in particular from a non-magnetic material, in order to counteract magnetic sticking of the magnet armature.
  • the element can simply be placed on the magnet armature, in particular pressed or screwed on.
  • the stroke stop be designed in a non-sealing manner.
  • the geometry and/or the element for forming the stroke stop preferably has at least one flow channel in a stop surface facing the magnetic coil for the pneumatic connection of the control chamber to the main valve chamber.
  • the surface at least one radially extending flow channel may be formed.
  • a plurality of radially running flow channels are preferably provided at the same angular distance from one another in order to avoid transverse forces acting on the magnet armature.
  • the magnet armature of the main valve is also preferably coupled or can be coupled to a main valve piston for releasing and closing a main valve seat.
  • the armature can disengage from the main valve spool, allowing the armature and main valve spool to move independently.
  • a flow limitation function can be implemented with the help of the main valve piston, since it only opens when the pressure on the discharge side has risen to such an extent that the main valve piston is essentially pressure-balanced.
  • the main valve piston be prestressed in the direction of the magnet armature by the spring force of a spring.
  • At least two coaxially arranged springs are advantageously accommodated in the control chamber, comprising a first spring supported on the magnet armature of the control valve and a second spring supported on the magnet armature of the main valve.
  • the provision of the two magnet armatures can thus be effected via separate springs. This allows the armature of the control valve to be reset using a significantly smaller spring, so that a significantly lower spring force has to be overcome to open the control valve. This means that less magnetic force is required, which has a favorable effect on the space required for the magnetic coil.
  • control valve preferably has a spillover area which is connected to a spillover area of the main valve. With the opening of the control valve, the pressure can then be increased in both shut-off areas to such an extent that the pressure and thus force ratios at the main valve lead to the same opening.
  • a shut-off valve according to the invention is preferably used in a hydrogen tank system
  • a hydrogen tank system which comprises at least one compressed gas tank and a shut-off valve according to the invention for shutting off the compressed gas tank.
  • the hydrogen tank system can which are used in a fuel cell vehicle or in a hydrogen combustion vehicle.
  • the shut-off valve 1 shown in FIGS. 1 a) -f) has a housing 2 into which an annular magnetic coil 3 is inserted for acting on a first magnetic armature 4 and a second magnetic armature 6 .
  • the two magnet armatures 4, 6 are arranged coaxially at an axial distance from one another and move in opposite directions.
  • the first magnet armature 4, which is assigned to a control valve 5, is designed as a flat armature.
  • the magnet armature 4 forms a control valve piston 14 that interacts with a control valve seat 13 .
  • Flow-through openings 24 are formed in the magnet armature 4 and ensure a pneumatic connection between a control valve chamber 9 and a rear control chamber 8 when the magnet armature 4 is at full stroke.
  • the magnet armature 4 is biased in the direction of the control valve seat 13 by a spring 11 .
  • the second magnet armature 6, which is assigned to a main valve 7, is designed as a plunger and is guided in a lifting manner via a guide 15 designed within the magnet coil 3.
  • a geometry provided on the outer circumference of the magnet armature 6 in the form of a local thickening forms a stroke stop 16 with a stop surface 17 in which a plurality of flow channels 18 are formed.
  • the stroke stop is thus designed non-sealing, so that at full stroke of the armature 6 over the guide 15 and the flow channels 18 a pneumatic connection of the rear control chamber 8 with a main valve chamber 10 remains.
  • the second magnet armature 6 can be coupled to a main valve piston 19 which interacts with a main valve seat 20 .
  • the magnet armature 6 and the main valve piston 19 can thus move independently of one another. In this way a flow limitation function is integrated into the main valve 7 .
  • the main valve piston 19 is prestressed in the direction of the magnet armature 6 by a spring 21 .
  • the return of the magnet armature 6 and the main valve piston 19 is brought about by the spring 11 accommodated in the control chamber 8 .
  • the control valve 5 and the main valve 7 are connected on the spill side via spill regions 22 , 23 .
  • shut-off valve 1 is shown with the magnet coil 3 de-energized and consequently in the closed state.
  • Gas flows into the main valve chamber 10 via a high-pressure line 25 so that high pressure pHD prevails there as well as in the control chamber 8 and in the control valve chamber 9 .
  • high pressure pHD prevails there as well as in the control chamber 8 and in the control valve chamber 9 .
  • control areas 22, 23 there is low pressure pND.
  • the main valve piston 19 initially still closes the main valve seat 20 , since high pressure pHD continues to prevail in the main valve chamber 10 and low pressure pND prevails in the shut-off region 23 .
  • the spring 21 is only able to open the main valve 7 (see FIG. 1d)) when the pressure in the control area 23 has risen to such an extent that the main valve piston 19 is largely pressure-balanced. In the open position of the main valve 7, the pressure between the main valve chamber 10 and the spill area 23 equalizes.
  • FIGS. 2a)-f A further development of the shut-off valve 1 of FIGS. 1a)-f) can be seen in FIGS. 2a)-f), which are described below.
  • the shut-off valve 1 of FIGS. 2 a) -f) has an additional spring 12 . Like the spring 11, this is accommodated in the control chamber 8 and is used to return the magnet armature 4 of the control valve 5. The return of the magnet armature 6 of the main valve 7 is also effected with the aid of the spring 11.
  • a comparatively small spring 12 can be chosen, so that the opening of the control valve 5 requires less force. Accordingly, the opening be effected with the help of a smaller magnet coil 3, so that more space is saved.
  • the mode of operation of the shut-off valve 1 in FIGS. 2 a)-f) otherwise corresponds to that of the shut-off valve 1 in FIGS. 1 a)-f), so that reference is made to the corresponding description.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Absperrventil (1) für Wasserstofftanksysteme, umfassend ein Gehäuse (2), in dem eine ringförmige Magnetspule (3) zur Einwirkung auf einen als Flachanker ausgeführten Magnetanker (4) eines Steuerventils (5) sowie einen als Tauchanker ausgeführten Magentanker (6) eines Hauptventils (7) aufgenommen ist, wobei die beiden Magnetanker (4, 6) koaxial angeordnet sind und gemeinsam einen innerhalb der Magnetspule (3) ausgebildeten Steuerraum (8) begrenzen, der einerseits mit einem Steuerventilraum (9), andererseits mit einem Hauptventilraum (10) pneumatisch verbunden ist, und wobei im Steuerraum (8) mindestens eine Feder (11, 12) zur Rückstellung der beiden Magnetanker (4, 6) aufgenommen ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil (1).

Description

Beschreibung
Absperrventil sowie Wasserstofftanksystem mit Absperrventil
Die Erfindung betrifft ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme. Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil.
Stand der Technik
Bekannt sind Wasserstofftanksysteme für Kraftfahrzeuge bzw. mobile Wasserstofftanksysteme, die der Versorgung von Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff dienen. Für den Fall eines Defekts, beispielsweise eines Leitungsbruchs, oder eines Unfalls müssen die einzelnen Behälter eines Wasserstofftanksystems jeweils mittels eines Absperrventils verschließbar sein, um einen unkontrollierten Austritt von Wasserstoff zu verhindern. Die zum Einsatz gelangenden Absperrventile sind daher als stromlos selbsttätig schließende Ventile auszuführen.
Aus dem Stand der Technik sind stromlos selbsttätige Absperrventile bekannt, die ser- vogesteuert sind, das heißt ein indirekt über ein Steuerventil gesteuertes Hauptventil aufweisen. Durch Öffnen des Steuerventils wird ein Steuerraum entlastet, der durch ein Ventilglied des Hauptventils begrenzt wird. Damit wird auch das Ventilglied entlastet, so dass ein Druckausgleich erzielt wird, der zu einem pneumatischen Kräftegleichgewicht führt. Mittels der Federkraft einer Feder oder der Magnetkraft eines Magnetaktors kann dann das Hauptventil geöffnet werden. Das Schließen des Hauptventils kann ebenfalls mittels Federkraft oder Magnetkraft bewirkt werden. Als nachteilig erweist sich in der Regel jedoch ein erhöhter Bauraumbedarf, da große Hübe zu realisieren sind, die wiederum große und/oder mehrere Magnetaktoren erfordern, so dass der Bauraumbedarf und die Kosten steigen. In mobilen Wasserstofftanksystemen ist der zur Verfügung stehende Platz begrenzt. Dies gilt insbesondere für Wasserstofftanksysteme mit Druckgasbehältern, die einen Flaschenhals aufweisen, in denen das Absperrventil integriert werden soll, da der Flaschenhals den stabilsten und damit den sichersten Einbauort darstellt. Dies erfordert ein Absperrventil, das einen geringen Bauraumbedarf hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein miniaturisiertes Absperrventil für ein Wasserstofftanksystem anzugeben, das durch eine optimierte Feldlinienführung große Hübe mit nur einem und zudem kleinem Magnetaktor ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Absperrventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Wasserstofftanksystem mit mindestens einem erfindungsgemäßen Absperrventil angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme, umfassend ein Gehäuse, in dem eine ringförmige Magnetspule zur Einwirkung auf einen als Flachanker ausgeführten Magnetanker eines Steuerventils sowie einen als Tauchanker ausgeführten Magentanker eines Hauptventils aufgenommen ist. Die beiden Magnetanker sind dabei koaxial angeordnet und begrenzen gemeinsam einen innerhalb der Magnetspule ausgebildeten Steuerraum, der einerseits mit einem Steuerventilraum, andererseits mit einem Hauptventilraum pneumatisch verbunden ist. Im Steuerraum ist mindestens eine Feder zur Rückstellung der beiden Magnetanker aufgenommen.
Bei dem vorgeschlagenen Absperrventil handelt es sich demnach um ein servogesteu- ertes Magnetventil. Das Öffnen des Hauptventils wird mittels Magnetkraft sowie einer pneumatischen Kraft bewirkt, die - mit Öffnen des Steuerventils - aus sich ändernden Druck- und damit Kraftverhältnissen am Magnetanker des Hauptventils resultieren. Das Öffnen erfordert somit eine geringere Magnetkraft. Zudem wird nur eine Magnetspule zur Betätigung von Steuerventil und Hauptventil benötigt. Im Ergebnis kann somit Bauraum eingespart werden. Von Vorteil ist dabei die Ausgestaltung des Magnetankers des Hauptventils als Tauchanker, da bei einem Tauchanker die Magnetkraft mit zunehmendem Abstand zwischen Magnetanker und einem feststehenden Hubanschlag weniger stark zurückgeht als bei Flachankerkonstruktionen. Somit trägt diese Maßnahme dazu bei, dass der Magnetkreis kompakter ausgeführt werden kann.
Die besonders kompakte Bauweise des vorgeschlagenen Absperrventils erlaubt neben dem klassischen Einbau als Einschraubventil mit außenliegender Magnetspule auch einen Einbau, bei dem die Magnetspule des Absperrventils innerhalb des Flaschenhalses eines flaschenförmigen Druckgasbehälters zu liegen kommt. Diese Anordnung ist von Vorteil, da der Flaschenhals eine besonders hohe Stabilität aufweist, so dass das Absperrventil gegen Fremdeinwirkung, beispielsweise durch einen Unfall, optimal geschützt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der als Flachanker ausgeführte Magnetanker umlaufend einen radialen Abstand zum Gehäuse auf. Die Feldlinien des Magnetkreises werden dadurch überwiegend durch den axialen Arbeitsluftspalt geleitet, was eine hohe Krafteinwirkung am Steuerventil zur Folge hat.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der als Flachanker ausgeführte Magnetanker einen mit einem Steuerventilsitz zusammenwirkenden Steuerventilkolben ausbildet oder aufweist. Das heißt, dass der Steuerventilkolben und der Magnetanker einstückig ausgebildet oder fest verbunden sind, so dass diese sich gemeinsam bewegen.
Bevorzugt ist der als Tauchanker ausgeführte Magnetanker des Hauptventils innerhalb der Magnetspule über eine Führung geführt und der Steuerraum ist über die Führung und/oder einen im Bereich der Führung ausgebildeten Strömungskanal mit dem Hauptventilraum pneumatisch drosselnd verbunden. Die Führung kann beispielsweise über einen Polkörper oder eine Hülse bewirkt werden, der bzw. die in die Magnetspule eingesetzt ist. Die pneumatische Verbindung des Steuerraums mit dem Hauptventilraum über die Führung ist besonders einfach und damit kostengünstig herzustellen.
Zugleich kann in einfacher Weise über die Führung eine Drosselstelle ausgebildet werden. Die pneumatisch drosselnde Verbindung stellt sicher, dass bei geöffnetem Steuerventil weniger Gas in den Steuerraum nachströmt als über das geöffnete Steuerventil abströmt, um den zur Betätigung des Hauptventils erforderlichen Druckabfall im Steuerraum zu bewirken. Sofern - alternativ oder ergänzend - eine pneumatisch drosselnde Verbindung über einen im Bereich der Führung ausgebildeten Strömungskanal hergestellt werden soll, kann im Magnetanker oder im Bereich der Führung eine Längsnut vorgesehen sein oder der Magnetanker kann mindestens eine Abflachung aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist im Führungsbereich ein Dichtelement angeordnet. Die für ein sicheres Schließen des Hauptventils notwendige pneumatische Verbindung zwischen dem Steuerraum und dem Hauptventilraum erfolgt dann vorzugsweise über eine Drosselbohrung im Magnetanker. Anstelle der Drosselbohrung kann auch mindestens eine Nut oder ein Anschliff im Magnetanker vorgesehen sein. Wahlweise kann die mindestens eine Nut auch in einem die Führung ausbildenden Spulenkörper oder Gehäuse ausgebildet sein.
Ferner bevorzugt besitzt der als Tauchanker ausgeführte Magnetanker die Form eines Zylinders, der zusätzlich eine Geometrie und/oder ein Element zur Ausbildung eines Hubanschlags aufweist. Der Hubanschlag begrenzt den maximalen Hub des Magnetankers, so dass dieser zwischen zwei definierten Endlagen hin und her bewegbar ist. Die hierzu vorgesehene Geometrie kann beispielsweise als lokale Aufdickung in einem Außenumfangsbereich des Magnetankers ausgeführt sein. Alternativ oder ergänzend kann der Magnetanker mit einem zusätzlichen Element verbunden sein, das beispielsweise die Form eines Rings oder einer Hülse besitzt. Das Element kann dann aus einem anderen Material als der Magnetanker, insbesondere aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt sein, um einem magnetischen Kleben des Magnetankers entgegenzuwirken. In der Form eines Rings oder einer Hülse kann das Element einfach auf den Magnetanker aufgesetzt, insbesondere aufgepresst oder aufgeschraubt, werden.
Um die pneumatische Verbindung des Steuerraums mit dem Hauptventilraum auch bei vollem Hub des Magnetankers zu gewährleisten, wird vorgeschlagen, dass der Hubanschlag nichtdichtend ausgebildet ist. Die Geometrie und/oder das Element zur Ausbildung des Hubanschlags weist hierzu bevorzugt mindestens einen Strömungskanal in einer der Magnetspule zugewandten Anschlagfläche zur pneumatischen Verbindung des Steuerraums mit dem Hauptventilraum auf. Beispielsweise kann in der Anschlag- fläche mindestens ein radial verlaufender Strömungskanal ausgebildet sein. Vorzugsweise sind mehrere radial verlaufende Strömungskanäle in gleichem Winkelabstand zueinander vorgesehen, um auf den Magnetanker wirkende Querkräfte zu vermeiden.
Der als Tauchanker ausgeführte Magnetanker des Hauptventils ist ferner bevorzugt mit einem Hauptventilkolben zum Freigeben und Verschließen eines Hauptventilsitzes gekoppelt oder koppelbar. Idealerweise kann sich der Magnetanker vom Hauptventilkolben lösen, so dass sich der Magnetanker und der Hauptventilkolben unabhängig voneinander bewegen können. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Hauptventilkolbens eine Durchflussbegrenzungsfunktion realisiert werden, da dieser erst öffnet, wenn absteuerseitig der Druck soweit angestiegen ist, dass der Hauptventilkolben im Wesentlichen druckausgeglichen ist. Um ein sicheres Öffnen zu gewährleisten wird als weiterbildende Maßnahme vorgeschlagen, dass der Hauptventilkolben in Richtung des Magnetankers durch die Federkraft einer Feder vorgespannt ist.
Vorteilhafterweise sind im Steuerraum mindestens zwei koaxial angeordnete Federn aufgenommen, die eine am Magnetanker des Steuerventils abgestützte erste Feder und eine am Magnetanker des Hauptventils abgestützte zweite Feder umfassen. Die Rückstellung der beiden Magnetanker kann somit über getrennte Federn bewirkt werden. Dies ermöglicht die Rückstellung des Magnetankers des Steuerventils mit Hilfe einer deutlich kleineren Feder, so dass eine deutlich geringere Federkraft zum Öffnen des Steuerventils überwunden werden muss. Das heißt, dass weniger Magnetkraft benötigt wird, was sich günstig auf den Bauraumbedarf der Magnetspule auswirkt.
Des Weiteren bevorzugt weist das Steuerventil einen Absteuerbereich auf, der mit einem Absteuerbereich des Hauptventils verbunden ist. Mit Öffnen des Steuerventils kann dann in beiden Absteuerbereichen der Druck soweit angehoben werden, dass die Druck- und damit Kraftverhältnisse am Hauptventil zum Öffnen desselben führen.
Da ein erfindungsgemäßes Absperrventil bevorzugt in einem Wasserstofftanksystem zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Wasserstofftanksystem vorgeschlagen, das mindestens einen Druckgasbehälter und ein erfindungsgemäßes Absperrventil zum Absperren des Druckgasbehälters umfasst. Das Wasserstofftanksystem kann insbeson- dere in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder in einem Fahrzeug mit Wasserstoffverbrennung zum Einsatz gelangen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Figur 1 a) -f) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Absperrventil in unterschiedlichen Schaltstellungen und
Figur 2 a) -f) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Absperrventil in unterschiedlichen Schaltstellungen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in den Figuren 1 a) -f) dargestellte Absperrventil 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in das eine ringförmige Magnetspule 3 zur Einwirkung auf einen ersten Magnetanker 4 und einen zweiten Magnetanker 6 eingesetzt ist. Die beiden Magnetanker 4, 6 sind koaxial in einem axialen Abstand zueinander angeordnet und bewegen sich gegenläufig.
Der erste Magnetanker 4, der einem Steuerventil 5 zugeordnet ist, ist als Flachanker ausgeführt. Der Magnetanker 4 bildet zugleich einen mit einem Steuerventilsitz 13 zusammenwirkenden Steuerventilkolben 14 aus. Im Magnetanker 4 sind Durchströmöffnungen 24 ausgebildet, die eine pneumatische Verbindung zwischen einem Steuerventilraum 9 und einem rückseitigen Steuerraum 8 bei vollem Hub des Magnetankers 4 sicherstellen. Der Magnetanker 4 ist in Richtung des Steuerventilsitzes 13 durch eine Feder 11 vorgespannt.
Der zweite Magnetanker 6, der einem Hauptventil 7 zugeordnet ist, ist als Tauchanker ausgebildet und über eine innerhalb der Magnetspule 3 ausgebildete Führung 15 hubbeweglich geführt. Eine außenumfangseitig am Magnetanker 6 vorgesehene Geometrie in Form einer lokalen Aufdickung bildet einen Hubanschlag 16 mit einer Anschlagfläche 17 aus, in der mehrere Strömungskanäle 18 ausgebildet sind. Der Hubanschlag ist somit nichtdichtend ausgeführt, so dass bei vollem Hub des Magnetankers 6 über die Führung 15 und die Strömungskanäle 18 eine pneumatische Verbindung des rückwärtigen Steuerraums 8 mit einem Hauptventilraum 10 bestehen bleibt.
Der zweite Magnetanker 6 ist mit einem Hauptventilkolben 19 koppelbar, der mit einem Hauptventilsitz 20 zusammenwirkt. Der Magnetanker 6 und der Hauptventilkolben 19 können sich somit unabhängig voneinander bewegen. Auf diese Weise wird eine Durchflussbegrenzungsfunktion in das Hauptventil 7 integriert. Um das Hauptventil 7 sicher zu öffnen, ist der Hauptventilkolben 19 ist in Richtung des Magnetankers 6 durch eine Feder 21 vorgespannt. Die Rückstellung des Magnetankers 6 und des Hauptventilkolbens 19 wird durch die im Steuerraum 8 aufgenommene Feder 11 bewirkt.
Das Steuerventil 5 und das Hauptventil 7 sind absteuerseitig über Absteuerbereiche 22, 23 verbunden.
In der Figur 1 a) ist das Absperrventil 1 bei unbestromter Magnetspule 3 und demzufolge in geschlossenem Zustand dargestellt. Über eine Hochdruckleitung 25 strömt Gas in den Hauptventilraum 10 ein, so dass dort sowie im Steuerraum 8 und im Steuerventilraum 9 jeweils Hochdruck pHD herrscht. In den Absteuerbereichen 22, 23 herrscht Niederdruck pND.
Wird die Magnetspule 3 bestromt, wird ein Magnetfeld erzeugt, dessen Magnetkraft den Magnetanker 4 des Steuerventils 5 in Richtung der Magnetspule 3 bewegt (siehe Figur 1 b)). Da der Magnetanker 4 des Steuerventils 5 einen radialen Abstand a zum Gehäuse 2 aufweist, verlaufen die Feldlinien des Magnetkreises überwiegend über den axialen Arbeitsluftspalt, so dass auf den Magnetanker 4 eine hohe Magnetkraft einwirkt und das Steuerventil 5 mit geringem Energiebedarf bzw. mit einer vergleichsweise kleinen Magnetspule 3 geöffnet werden kann.
Bei geöffnetem Steuerventil 5 strömt Gas aus dem Steuerventilraum 9 in den Absteuerbereich 22 ab. Über die im Magnetanker 4 vorgesehenen Durchströmöffnungen 24 strömt zugleich Gas aus dem Steuerraum 8 nach, so dass der Druck im Steuerraum 8 abfällt. Denn über die Durchströmöffnungen 24 und den Steuerventilsitz 13 strömt mehr Gas ab, als über die Führung 15 aus dem Hauptventilraum 10 nachströmt. Der Druckabfall im Steuerraum 8 bewirkt, dass die auf den Magnetanker 6 des Hauptventils 7 wirkenden Kräfte, bestehend aus der mittels der Magnetspule 3 erzeugten Magnetkraft und den öffnend wirkenden pneumatischen Kräften, ausreichen, die Federkraft der Feder 11 zu überwinden, so dass sich der Magnetanker 6 vom Hauptventilkolben 19 löst und in Richtung der Magnetspule 3 bewegt (siehe Figur 1c)). Der Hauptventilkolben 19 verschließt zunächst noch den Hauptventilsitz 20, da im Hauptventilraum 10 weiterhin Hochdruck pHD und im Absteuerbereich 23 Niederdruck pND herrschen. Erst wenn der Druck im Absteuerbereich 23 soweit angestiegen ist, dass der Hauptventilkolben 19 weitgehend druckausgeglichen ist, vermag die Feder 21 das Hauptventil 7 zu öffnen (siehe Figur 1d)). In Offenstellung des Hauptventils 7 kommt es zu einem Druckausgleich zwischen über dem Hauptventilraum 10 und dem Absteuerbereich 23. Bei völligem Druckausgleich werden das Hauptventil 7 und das Steuerventil 5 rein magnetisch gegen die Federkraft der Feder 11 offengehalten.
Zum Schließen des Absperrventils 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, so dass die Feder 11 den Magnetanker 4 bzw. den Steuerventilkolben 14 des Steuerventils 5 in den Steuerventilsitz 13 zurückstellt (siehe Figur 1e)). Bei geschlossenem Steuerventil 5 füllt sich der Steuerraum 8 über die Strömungskanäle 18 und die Führung 15 mit Gas aus dem Hauptventilraum 10, so dass der Druck im Steuerraum 8 wieder ansteigt. Gleiches gilt für den Druck im Hauptventilraum 10, da Gas aus der Hochdruckleitung 25 nachströmt. Dies hat zur Folge, dass die auf den Magnetanker 6 in Schließrichtung wirkenden pneumatischen Kräfte sowie die Federkraft der Feder 11 den Magnetanker 6 des Hauptventils 7 in seine Ausgangslage zurückstellen. Der Magnetanker 6 führt dabei den Hauptventilkolben 19 mit, so dass dieser in den Hauptventilsitz 20 zurückgestellt wird (siehe Figur 1f)).
Eine Weiterbildung des Absperrventils 1 der Figuren 1 a) -f) ist den Figuren 2 a) -f) zu entnehmen, die nachfolgend beschrieben werden.
Das Absperrventil 1 der Figuren 2 a) -f) weist eine zusätzliche Feder 12 auf. Diese ist wie die Feder 11 im Steuerraum 8 aufgenommen und dient der Rückstellung des Magnetankers 4 des Steuerventils 5. Die Rückstellung des Magnetankers 6 des Hauptventils 7 wird weiterhin mit Hilfe der Feder 11 bewirkt. Durch Vorsehen einer zusätzlichen Feder 12 kann eine vergleichsweise kleine Feder 12 gewählt werden, so dass das Öffnen des Steuerventils 5 eine geringere Kraft erfordert. Entsprechend kann das Öffnen mit Hilfe einer kleineren Magnetspule 3 bewirkt werden, so dass weiterer Bauraum eingespart wird.
Die Funktionsweise des Absperrventils 1 der Figuren 2 a) - f) entspricht im Übrigen der des Absperrventils 1 der Figuren 1 a) - f), so dass auf die entsprechende Beschreibung verwiesen wird.

Claims

Ansprüche
1 . Absperrventil (1) für Wasserstofftanksysteme, umfassend ein Gehäuse (2), in dem eine ringförmige Magnetspule (3) zur Einwirkung auf einen als Flachanker ausgeführten Magnetanker (4) eines Steuerventils (5) sowie einen als Tauchanker ausgeführten Magentanker (6) eines Hauptventils (7) aufgenommen ist, wobei die beiden Magnetanker (4, 6) koaxial angeordnet sind und gemeinsam einen innerhalb der Magnetspule (3) ausgebildeten Steuerraum (8) begrenzen, der einerseits mit einem Steuerventil raum (9), andererseits mit einem Hauptventilraum (10) pneumatisch verbunden ist, und wobei im Steuerraum (8) mindestens eine Feder (11 , 12) zur Rückstellung der beiden Magnetanker (4, 6) aufgenommen ist.
2. Absperrventil (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der als Flachanker ausgeführte Magnetanker (4) umlaufend einen radialen Abstand (a) zum Gehäuse (2) aufweist.
3. Absperrventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als Flachanker ausgeführte Magnetanker (4) einen mit einem Steuerventilsitz (13) zusammenwirkenden Steuerventilkolben (14) ausbildet oder aufweist.
4. Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Tauchanker ausgeführte Magnetanker (6) innerhalb der Magnetspule (3) über eine Führung (15) geführt ist und der Steuerraum (8) über die Führung (15) und/oder einen im Bereich der Führung (15) ausgebildeten Strömungskanal mit dem Hauptventilraum (10) pneumatisch drosselnd verbunden ist.
5. Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Tauchanker ausgeführte Magnetanker (6) die Form eines Zylinders besitzt, der zusätzlich eine Geometrie und/oder ein Element zur Ausbildung eines Hubanschlags (16) aufweist.
6. Absperrventil (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubanschlag (16) nichtdichtend ausgeführt ist, wobei vorzugsweise die Geometrie und/oder das Element zur Ausbildung des Hubanschlags (16) in einer der Magnetspule (3) zugewandten Anschlagfläche (17) mindestens einen Strömungskanal (18) zur pneumatischen Verbindung des Steuerraums (8) mit dem Hauptventilraum (10) aufweist.
7. Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Tauchanker ausgeführte Magnetanker (6) mit einem Hauptventilkolben (19) zum Freigeben und Verschließen eines Hauptventilsitzes (20) gekoppelt oder koppelbar ist, wobei vorzugsweise der Hauptventilkolben (19) in Richtung des Magnetankers (6) durch die Federkraft einer Feder (21) vorgespannt ist.
8. Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Steuerraum (8) mindestens zwei koaxial angeordnete Federn (11 , 12) aufgenommen sind, die eine am Magnetanker (6) des Hauptventils (7) abgestützte erste Feder (11) und eine am Magnetanker (4) des Steuerventils (5) abgestützte zweite Feder (12) umfassen.
9. Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (5) einen Absteuerbereich (22) aufweist, der mit einem Absteuerbereich (23) des Hauptventils (7) verbunden ist.
10. Wasserstofftanksystem, umfassend mindestens einen Druckgasbehälter und ein Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Absperren des Druckgasbehälters.
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