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.