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 ein indirekt über ein Steuerventil gesteuertes Hauptventil aufweisen. Das Steuerventil weist üblicherweise einen Steuerventilsitz auf, der sich in einer schließend wirkenden Druckfläche des Hauptventils befindet, sowie einen Steuerventilkolben, der mittels Magnetkraft vom Steuerventilsitz abgehoben werden kann. Die den Steuerventilsitz ausbildende schließende Druckfläche am Hauptventil begrenzt hierbei einen sogenannten Steuerraum. Am gegenüberliegenden Ende ragt das Hauptventil mit seinen öffnend wirkenden Druckflächen in den sogenannten Ventilraum, der fluidisch leitend mit einem Druckspeicher in Verbindung steht. Der Steuerraum und der Ventilraum sind durch eine Drosselstelle pneumatisch voneinander getrennt. Durch Öffnen des Steuerventils wird der Steuerraum entlastet. Damit wird auch das Ventilglied des Hauptventils entlastet. Mittels der Federkraft einer Feder oder der Magnetkraft eines Magnetaktors kann dann das Hauptventil geöffnet werden. Das Schließen des Hauptventils wird übli- cherweise durch eine schließend wirkende Federkraft bewirkt. Nachteil dieser Absperrventile ist jedoch ein in der Regel 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 jedoch begrenzt. Dies gilt insbesondere für Wasserstofftanksysteme mit Druckgasbehältern, die einen Flaschenhals aufweisen, in denen das Absperrventil integriert werden soll. Der Flaschenhals stellt den stabilsten und damit den sichersten Einbauort dar, erfordert jedoch ein Absperrventil, das einen geringen Bauraumbedarf hat.

Aus dem Stand der Technik sind zudem indirekt mittels eines Steuerventils gesteuerte Einspritzventile für Verbrennungsmotoren bekannt, die vergleichsweise wenig Bauraum erfordern, da Steuer- und Hauptventil unterschiedlich große Hübe aufweisen können und demzufolge der Magnetaktor für das Steuerventil kleiner dimensioniert werden kann. Durch Öffnen des Steuerventils wird ein Druckabfall in einem Steuerraum bewirkt, der schließlich zum Öffnen des Hauptventils führt. Im voll geöffneten Zustand sind das Ventilglied des Hauptventils und der Steuerventilkolben von Hochdruck umgeben, so dass zum selbsttätigen Schließen nur die Federkraft einer in Schließrichtung wirkenden Feder benötigt wird. Danach kann allerdings das Hauptventil erst dann wieder geöffnet werden, wenn durch Lastabnahme der Druck im Leitungssystem gefallen ist, weil nur dann wieder für den Steuerraum ein niedrigeres Druckniveau zur Verfügung steht. Dieses permanente Öffnen und Schließen führt bei den im Wasserstoffbereich üblichen Kunststoff- oder Elastomersitzen zu einem erhöhten Verschleiß.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Absperrventil für ein Wasserstofftanksystem anzugeben, das so weit miniaturisiert ist, dass es in den Flaschenhals eines Druckgasbehälters eines Wasserstofftanksystems integrierbar und zugleich möglichst verschleißarm ist.

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

Das vorgeschlagene Absperrventil für Wasserstofftanksysteme umfasst: ein Hauptventil mit einem ein- oder mehrteilig ausgeführten hubbeweglichen Ventilglied, das einenends mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, andernends einen Steuerraum begrenzt, ein Steuerventil mit einem hubbeweglichen Steuerventilkolben zum Freigeben und Verschließen eines gehäuseseitigen Steuerventilsitzes, über den der Steuerraum mit mindestens einem Absteuerbereich verbindbar ist, sowie eine Magnetspule zur Einwirkung auf einen ersten Magnetanker, der mit dem Steuerventilkolben verbunden ist oder den Steuerventilkolben ausbildet, sowie einen zweiten Magnetanker, der mit dem Ventilglied des Hauptventils verbunden ist.

Bei dem vorgeschlagenen Absperrventil wird das Öffnen des Hauptventils durch Öffnen des Steuerventils bewirkt. Mit Öffnen des Steuerventils wird eine Verbindung des Steuerraums mit einem Absteuerbereich hergestellt, der zu einem Druckabfall im Steuerraum führt. Der Druckabfall im Steuerraum führt zum Öffnen des Hauptventils, so dass über den Ventilsitz des Hauptventils unter hohem Druck stehender Wasserstoff aus einem Speichervolumen des Wasserstofftanksystems abströmt. Die Magnetkraft der Magnetspule unterstützt dabei das Öffnen des Hauptventils. Bei vollständig geöffnetem Hauptventil bewirkt die Magnetkraft eine Haltekraft, die im Fall eines vollständigen Druckausgleichs am Ventilglied des Hauptventils dieses entgegen einer auf das Ventilglied schließend wirkenden Federkraft sicher offenhält. Auf diese Weise kann ein ständiges Öffnen und Schließen des Hauptventils - wie eingangs in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben - wirksam vermieden werden.

Das Öffnen des Hauptventils erfolgt demnach im Wesentlichen druckgesteuert. Die Magnetkraft der Magnetspule wirkt dabei lediglich unterstützend. Für den Fall eines vollständigen Druckausgleichs kann jedoch das Hauptventil auch allein über die Magnetkraft der Magnetspule geöffnet werden. Vorrangig wird die Magnetkraft der Magnetspule jedoch zum Öffnen des Steuerventils eingesetzt und lediglich anteilig zur Unterstützung der Öffnungsbewegung des Hauptventils. Die Magnetspule kann bei entsprechend kleinem Sitzdurchmesser des Steuerventilsitzes und aufgrund der auf das Ventilglied des Hauptventils wirkenden pneumatischen Öffnungskraft vergleichsweise klein ausgelegt sein. Dies wiederum ermöglicht eine Miniaturisierung des vorgeschlagenen Absperrventils.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steuerraum mit einem Ventilraum des Hauptventils fluidisch drosselnd verbunden. Wird zum Schließen des Absperrventils die Bestromung der Magnetspule abgeschaltet, schließt zunächst das Steuerventil. Dadurch wird die Verbindung des Steuerraums zum Absteuerbereich getrennt und der Steuerraum füllt sich über die fluidisch drosselnde Verbindung mit Gas aus dem Ventilraum. Dies führt zu einem Druckanstieg im Steuerraum, der ein sicheres Schließen des Hauptventils gewährleistet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Absperrventils ist in einem Führungsbereich des Ventilglieds des Hauptventils ein Dichtungselement zwischen dem Steuerraum und dem Ventilraum vorgesehen. Eine fluidisch drosselnde Verbindung ist dann bevorzugt über eine definierte Drosselstelle hergestellt, beispielsweise über eine den Steuerraum mit dem Ventilraum verbindende Drosselbohrung. Der Zulauf von Gas in den Steuerraum kann über eine definierte Drosselstelle optimal kontrolliert werden. In einer Ausführung ohne Dichtungselement kann auch der Führungsbereich selbst als Drosselspalt ausgeführt sein.

Bevorzugt ist der Absteuerbereich des Steuerventils mit einem Absteuerbereich des Hauptventils verbunden, so dass in beiden Absteuerbereichen zumindest annähernd der gleiche Druck herrscht. Bei geöffnetem Steuerventil, das heißt bei abfallendem Druck im Steuerraum und ansteigendem Druck in den Absteuerbereichen wird ein Druckausgleich am Ventilglied des Hauptventils erzielt, so dass mit der Unterstützung der Magnetkraft der Magnetspule das Hauptventil geöffnet werden kann.

Bevorzugt ist der Steuerventilkolben des Steuerventils in Richtung des Steuerventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Mit Hilfe der Federkraft der Feder kann die Rückstellung des Steuerventilkolbens bzw. das Schließen des Steuerventils bewirkt werden. Die Feder kann andernends an dem ein- oder mehrteilig ausgeführten Ventilglied des Hauptventils abgestützt sein, so dass dieses in Richtung des Ventilsitzes des Hauptventils vorgespannt ist. Mit Hilfe der einen Feder kann somit das selbsttätige Schließen des Absperrventils bei einem Defekt und/oder Unfall sichergestellt werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das ein- oder mehrteilig ausgeführte Ventilglied des Hauptventils in Öffnungsrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Dies ist insbesondere bei einer mehrteiligen Ausführung des Ventilglieds von Vorteil, da mit Hilfe der Federkraft der weiteren Feder sichergestellt werden kann, dass sich die mehreren Ventilgliedteile wie ein Ventilglied verhalten. Zudem kann über die öffnende Federkraft und den Sitzdurchmesser des Hauptventils die Öffnungsdruck- differenz am Hauptventil eingestellt werden. Ist die tatsächliche Druckdifferenz größer als die Öffnungsdruckdifferenz, bleibt das Hauptventil geschlossen. Das heißt, dass im Fall eines mehrteilig, insbesondere zweiteilig, ausgeführten Ventilglieds des Hauptventils die öffnende Federkraft am Hauptventil einen in das System abgegebenen Druckstoß begrenzt, so dass die Bauteilbelastung im System sinkt, was zu einer Kostenersparnis im Gesamtsystem führt.

Bevorzugt weist das Ventilglied des Hauptventils ein mit dem Ventilsitz zusammenwirkendes erstes Ventilgliedteil sowie ein den Steuerraum begrenzendes weiteres Ventilgliedteil auf. Das heißt, dass das Ventilglied mehrteilig ausgeführt ist. Gegenüber der einteiligen Ausführung besitzt die mehrteilige Ausführung den Vorteil, dass durch Ferti- gungs- und/oder Montagetoleranzen hervorgerufene Desachsierungsprobleme in einfacher Weise ausgeglichen werden können. Beispielsweise kann das Ventilglied axial geführt sein, die Führung aber an einem anderen Bauteil als der Ventilsitz ausgebildet sein. Sind die Führung und der Ventilsitz nicht exakt koaxial angeordnet, kann es bei einem einteilig ausgeführten Ventilglied zu einer Schrägstellung kommen, so dass das Absperrventil nicht mehr dicht schließt. Die mehrteilige Ausführung erlaubt dagegen einen Ausgleich der fehlenden Koaxialität durch eine radiale Verschiebung der beiden Ventilgliedteile zueinander.

Das den Steuerraum begrenzende Ventilgliedteil ist vorzugsweise über den bereits erwähnten Führungsbereich hubbeweglich geführt. Die Führung des Ventilglieds wird demnach über das sitzferne Ventilgliedteil realisiert, so dass die Vorteile der mehrteiligen Ausführung besonders deutlich zum Tragen kommen.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das den Steuerraum begrenzende Ventilgliedteil einen mit einem Anschlag zusammenwirkenden Ringbund aufweist. Durch diese Maßnahme kann der Hub des Hauptventils begrenzt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bildet der zweite Magnetanker, das heißt der Magnetanker des Hauptventils, das den Steuerraum begrenzende Ventilgliedteil und/oder den Hubanschlag aus.

Ferner wird vorgeschlagen, dass der Steuerventilkolben und/oder der erste Magnetanker, das heißt der Magnetanker des Steuerventils, den Steuerraum begrenzt bzw. begrenzen und über mindestens eine im Steuerventilkolben und/oder im Magnetanker ausgeführte Durchströmöffnung eine Verbindung des Steuerraums mit einem Steuerventilraum hergestellt ist. Über die mindestens eine Durchströmöffnung kann eine dauerhafte Verbindung des Steuerraums mit dem Steuerventilraum sichergestellt werden, und zwar unabhängig von der aktuellen Position des Steuerventilkolbens bzw. des Magnetankers.

Vorteilhafterweise ist der erste Magnetanker, das heißt der Magnetanker des Steuerventils, als Flachanker ausgeführt oder weist einen als Flachanker ausgeführten Abschnitt auf. In der Ausführung als Flachanker können das Steuerventil und folglich auch das Absperrventil besonders platz- bzw. bauraumsparend ausgeführt werden.

Des Weiteren bevorzugt ist der zweite Magnetanker, das heißt der Magnetanker des Hauptventils, als Tauchanker ausgeführt oder weist einen als Tauchanker ausgeführten Abschnitt auf. In dieser Ausgestaltung ist der Magnetanker zugleich geführt.

Zur weiteren Reduzierung des Bauraumbedarfs wird vorgeschlagen, dass das Hauptventil und das Steuerventil koaxial angeordnet sind. Das heißt, dass die Längsachsen des Steuerventilkolbens und des Ventilglieds aufeinander fallen. Die Öffnungsbewe- gungen von Steuerventilkolben und Ventilglied sind dabei gegenläufig. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Hauptventil und das Steuerventil in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sind. Auch durch diese Maßnahme kann der Bauraumbedarf des Absperrventils weiter gesenkt werden. Zudem wird die Montage des Absperrventils erleichtert, da das Absperrventil als vormontierte Einheit in einen Druckgasbehälter, vorzugsweise in einen Flaschenhals eines Druckgasbehälters des Wasserstofftanksystems integriert werden kann.

Des Weiteren bevorzugt mündet in den Ventilraum des Hauptventils eine Gasleitung, über die der Ventilraum mit einem Speichervolumen eines Druckgasbehälters des Wasserstofftanksystems verbindbar ist. Bei geöffnetem Hauptventil kann somit eine Verbindung der Absteuerbereiche mit dem Speichervolumen des Druckgasbehälters hergestellt werden.

Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Wasserstofftanksystem umfasst mindestens einen Druckgasbehälter sowie ein erfindungsgemäßes Absperrventil. Der geringe Bauraumbedarf des erfindungsgemäßen Absperrventils ermöglicht die Integration des Absperrventils in den Druckgasbehälter, so dass dieser einzeln absperrbar ist.

Vorzugsweise ist daher das Absperrventil in den Druckgasbehälter, weiterhin vorzugsweise in einen Flaschenhals des Druckgasbehälters integriert. Im Flaschenhals ist das Absperrventil besonders sicher aufgehoben, da der Flaschenhals die stabilste Stelle des Druckgasbehälters darstellt. Ebenso ist möglich, dass das Absperrventil lediglich teilweise in den Flaschenhals integriert ist.

Das vorgeschlagene Wasserstofftanksystem kann insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug oder in einem Fahrzeug mit Wasserstoffverbrennung zum Einsatz gelangen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung Das in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Absperrventil 1 umfasst ein Hauptventil 2 und ein Steuerventil 6, die koaxial in einem gemeinsamen Gehäuse 19 angeordnet sind.

Das Hauptventil 2 weist ein mehrteiliges Ventilglied 3 auf, das ein mit einem Ventilsitz 4 zusammenwirkendes erstes Ventilgliedteil 3.1 sowie ein einen Steuerraum 5 begrenzendes zweites Ventilgliedteil 3.2 umfasst. Das zweite Ventilgliedteil 3.2 ist über einen Führungsbereich 23 hubbeweglich geführt und weist außerhalb des Führungsbereichs 23 einen mit einem Anschlag 15 zusammenwirkenden Ringbund 16 zur Hubbegrenzung auf. Der Ringbund 16 ist so ausgeführt, dass er als Magnetanker 22 dient, der das Öffnen des Hauptventils 2 magnetisch unterstützt und das vollständig geöffnete Hauptventil 2 sicher geöffnet hält. Das dem ersten Ventilgliedteil 3.1 zugewandte Ende des zweiten Ventilgliedteils 3.2 ist sphärisch geformt, so dass hierüber eine gelenkige Verbindung mit dem ersten Ventilgliedteil 3.1 zum Ausgleich etwaiger Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen herstellbar ist. Das erste Ventilgliedteil 3.1 ist in Richtung des zweiten Ventilgliedteils 3.2 mittels der Federkraft einer Feder 14 vorgespannt.

Das Steuerventil 6 umfasst einen hubbeweglichen Steuerventilkolben 7, der einenends mit einem Steuerventilsitz 8 zusammenwirkt und andernends mit einem als Flachanker ausgeführten Magnetanker 12 verbunden ist. Zur Einwirkung auf den Magnetanker 12 ist eine Magnetspule 11 vorgesehen. Wird die Magnetspule 11 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Magnetanker 12 einschließlich des Steuerventilkolbens 7 in Richtung der Magnetspule 11 zieht. Dabei öffnet sich der Steuerventilsitz 8, so dass über einen Steuerventilraum 18 eine Verbindung des Steuerraums 5 mit einem Absteuerbereich 9 hergestellt ist. Der Steuerraum 18 ist über mindestens eine im Magnetanker 12 ausgebildete Durchströmöffnung 17 dauerhaft mit dem Steuerventilraum 18 verbunden. Das Öffnen des Steuerventils 6 bewirkt einen Druckabfall im Steuerraum 5, so dass das Ventilglied 3 des Hauptventils 2 entlastet wird und das Hauptventil 2 öffnet. Der Magnetkreis ist dabei so ausgeführt, dass insbesondere bei geöffnetem Steuerventil 6 am Magnetanker 22 des Hauptventils 2 eine öffnende Krafteinwirkung entsteht, die das Öffnen des Hauptventils 2 unterstützt. Bei geöffnetem Hauptventil 2 ist eine Verbindung eines Ventilraums 20, in den eine Gasleitung 21 mündet, mit einem Absteuerbereich 10 des Hauptventils 2 hergestellt. Die Gasleitung 21 verbindet den Ventilraum 20 mit einem Speichervolumen eines Druckgasbehälters (nicht dargestellt), so dass unter hohem Druck stehender Wasserstoff aus dem Druckgasbehälter in den Absteuerbereich 10 gelangt. Hierdurch wird das System befüllt und es kommt zu einem Druckausgleich zwischen den Absteuerbereichen 9, 10, dem Ventilraum 20 und dem Steuerraum 5. Der Druckausgleich erfolgt zum Einen über eine fluidisch drosselnde Verbindung des Steuerraums 5 mit dem Ventilraum 20, die vorliegend über den Führungsbereich 23 hergestellt ist. Zum Anderen erfolgt der Druckausgleich über den Steuerventilsitz 8 des Steuerventils 6. Die magnetische Haltekraft des Magnetankers 22 des Hauptventils 2 bewirkt in diesem Fall, dass das Hauptventil 2 entgegen der schließend wirkenden Federkraft einer Feder 13 sicher offengehalten wird.

Zum Schließen des Absperrventils 1 wird die Bestromung der Magnetspule 11 beendet, so dass die Federkraft der am Steuerventilkolben 7 abgestützten Feder 13 den Steuerventilkolben 7 zurück in den Steuerventilsitz 8 drückt. Zugleich wirkt auf den Steuerventilkolben 7 in Schließrichtung eine pneumatische Druckkraft, die durch einen Druckanstieg im Steuerraum 5 bewirkt wird. Der Druckanstieg wird dadurch bewirkt, dass sich der Steuerraum 5 über die fluidisch drosselnde Verbindung zum Ventilraum 20 mit Gas befüllt. Der Druckanstieg im Steuerraum 5 führt dazu, dass das Hauptventil 2 mit Hilfe der Federkraft der Feder 13 sicher geschlossen werden kann.