Die Erfindung betrifft ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme. Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil.

Stand der Technik

Bei Magnetventilen mit großen Hüben, wie dies beispielsweise bei Absperrventilen für Wasserstofftanksysteme der Fall ist, kommen üblicherweise Magnetaktoren mit Tauchanker zum Einsatz. Denn bei diesen geht die Magnetkraft mit zunehmendem Abstand zwischen Anker und dessen feststehendem Anschlag weniger stark zurück als bei Flachankerkonstruktionen.

Aus der DE 10 2018 221 602 A1 geht beispielhaft eine Tankvorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff mit einer elektromagnetisch betätigbaren Ventileinrichtung hervor, die ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes bewegliches Ventilelement zum Öffnen und Schließen einer Auslassöffnung aufweist. Das Ventilelement ist in Richtung des Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt, so dass bei unbestromter Magnetspule die Ventileinrichtung geschlossen ist. In Offenstellung gibt das Ventilelement eine Auslassöffnung mit einem Durchmesser sowie einen hieran anschließenden Durchlasskanal frei. Das Ventilelement bildet zugleich einen Magnetanker aus, der nach dem Tauchankerprinzip arbeitet. Wird die Magnetspule bestromt, bildet sich ein die Spule umschließendes Magnetfeld aus, dessen Feldlinien sich über einen Außenpolkörper, einen Innenpolkörper und den Magnetanker erstrecken. Die Feldlinien verlaufen dabei über einen radialen und einen axialen Luftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Außenpolkörper. Mit Hilfe der im axialen Luftspalt entstehenden Magnetkraft kann der Magnetanker bzw. das Ventilelement entgegen der Federkraft der Feder aus dem Dichtsitz gehoben werden, so dass das Magnetventil öffnet. Bei einem Magnetventil mit Tauchanker, wie es beispielhaft in der DE 10 2018 221 602 A1 beschrieben wird, führt die Feldeinkopplung über den radialen Luftspalt zu einer Schwächung des Magnetfelds im axialen Luftspalt Die Folge ist eine Verringerung der auf den Magnetanker in Öffnungsrichtung wirkenden Magnetkraft Das heißt, dass eine größere Magnetspule erforderlich ist, wodurch der Energie- und der Bauraumbedarf steigen.

Die vorliegende Erfindung versucht hier Abhilfe zu schaffen, insbesondere den Einsatz einer kleineren Magnetspule zu ermöglichen.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Absperrventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Das vorgeschlagene Absperrventil für Wasserstofftanksysteme umfasst ein Hauptventil mit einem hubbeweglichen Hauptventilkolben, der einenends einen Steuerraum begrenzt, andernends mit einem Hauptventilsitz zusammenwirkt und in Richtung des Hauptventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, ein Steuerventil zur Steuerung der Hubbewegungen des Hauptventilkolbens, wobei das Steuerventil einen Steuerventilanker aufweist, der in einem axialen Abstand koaxial zum Hauptventilkolben angeordnet ist und von der Federkraft der Feder oder einer weiteren Feder in Richtung eines Steuerventilsitzes beaufschlagt ist, sowie eine ringförmige Magnetspule zur Betätigung des Steuerventils und zur Einwirkung auf einen als Tauchanker ausgeführten Endabschnitt des Hauptventilkolbens.

Die indirekte Steuerung des Hauptventils mit Hilfe des Steuerventils ermöglichen den Einsatz einer kleineren Magnetspule, da diese nur die zum Öffnen des Steuerventils benötigte Kraft zur Verfügung stellen muss. Das Öffnen des Steuerventils führt zu einem Druckabfall im Steuerraum, so dass die auf den Hauptventilkolben in Schließrichtung wirkenden pneumatischen Kräfte sinken. Dadurch, dass der steuerraumseitige Endabschnitt des Hauptventilkolbens zugleich als Tauchanker ausgeführt ist, wirkt auf den Hauptventilkolben zusätzlich eine Magnetkraft. Die Kombination aus pneumatischer Kraft und Magnetkraft führt dann zum Öffnen des Hauptventils.

Das Öffnen des Absperrventils erfordert somit eine geringere Magnetkraft, so dass eine kleinere Magnetspule eingesetzt werden kann. In der Folge können Energie und Bauraum eingespart werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steuerraum über eine Zulaufdrossel, kurz Z-Drossel, mit einem Gas aus einem Speichervolumen beaufschlagbar und bei geöffnetem Steuerventil über den Steuerventilsitz entlastbar. Der Steuerventilsitz oder eine dem Steuerventilsitz nachgeschaltete Bohrung wirkt dabei als Ablaufdrossel, kurz A-Drossel. Bei geöffnetem Steuerventil strömt das Gas aus dem Speichervolumen über die Z-Drossel in den Steuerraum und von dort über die A- Drossel in einen Abströmbereich. Pneumatisch befindet sich Steuerraum also zwischen dem Speichervolumen und dem Abströmbereich. Im Steuerraum stellt sich daher ein Druckniveau zwischen Speicherdruck und Abströmdruck ein. Nach dem Schließen des Steuerventils und dem damit einhergehenden Verschließen der A- Drossel kann über die Zulaufdrossel erneut Druck im Steuerraum aufgebaut werden. Sofern das Absperrventil in einem Wasserstofftanksystem zum Einsatz gelangt, handelt es sich bei dem Gas bevorzugt um Wasserstoff. Das heißt, dass der Steuerraum über die Zulaufdrossel mit Wasserstoff beaufschlagt wird, vorzugsweise aus einem Speichervolumen eines Druckgasbehälters des Wasserstofftanksystems, so dass der Steuerraum mit Speicherdruck beaufschlagt wird. Im Steuerraum herrscht dann Hochdruck, während absteuerseitig betriebspunktabhängig, beispielsweise im Fall einer Mengenentnahme aufgrund der Sitzdrosselung am Hauptventil, ein niedrigerer Druck herrscht. Die Druckdifferenz bewirkt eine pneumatische Kraft, die zusammen mit der Federkraft der mindestens einen Feder sicherstellt, dass das Absperrventil bei un- bestromter Magnetspule geschlossen wird und geschlossen bleibt. Selbst bei Betriebspunkten ohne Mengenentnahme und dadurch fehlendem Druckabfall am Hauptventilsitz wird das Hauptventil durch die Federkraft sicher geschlossen bzw. geschlossen gehalten. Als Zulaufdrossel kann ein Führungsspalt genutzt werden, der zwischen dem als Tauchanker ausgeführten Endabschnitt des Hauptventilkolbens und einem den Endabschnitt aufnehmenden gehäuseseitigen Führungsabschnitt verbleibt. Weitere Maßnahmen zur Ausbildung der Zulaufdrossel sind in diesem Fall nicht erforderlich. Alternativ oder ergänzend kann der als Tauchanker ausgeführte Endabschnitt des Hauptventilkolbens mindestens eine Längsnut und/oder Abflachung zur Ausbildung der Zulaufdrossel aufweisen. Auf diese Weise kann ein größerer und/oder definierter Drosselquerschnitt zur Verfügung gestellt werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Führungsbereich ein Dichtelement vorgesehen, das den Steuerraum pneumatisch vom Speicherdruck trennt. In diesem Fall ist die Zulaufdrossel über eine zusätzliche drosselnde Verbindung zwischen dem Speichervolumen und dem Steuerraum realisiert, beispielweise über eine gehäuse-, ventil- oder dichtungsseitige Drosselbohrung.

Der Steuerventilanker ist vorzugsweise als Flachanker ausgeführt. Zur Optimierung der Feldlinienführung wird ferner vorgeschlagen, dass der Flachanker in radialer Richtung umlaufend einen Abstand zu einem Gehäuse des Absperrventils einhält. Der Abstand bewirkt, dass bei Bestromung der Magnetspule sich ein Magnetfeld aufbaut, dessen Feldlinien überwiegend durch den axialen Arbeitsluftspalt geleitet werden, was eine hohe Krafteinwirkung auf den Steuerventilanker zur Folge hat.

Die mindestens eine Feder des Absperrventils ist vorzugsweise im Steuerraum aufgenommen, der somit zugleich als Federraum dient. Im Fall von nur einer Feder kann diese einerseits am Hauptventilkolben, andererseits am Steuerventilanker abgestützt sein. Das Vorsehen von nur einer Feder reduziert die Anzahl der Bauteile. Allerdings muss die Federkraft der Feder auf die benötigte Kraft zum Schließen des Hauptventils abgestimmt werden, so dass sie zum Schließen des Steuerventils ggf. überdimensioniert ist. Diese Kraft muss dann zum Öffnen des Steuerventils durch die Magnetspule bereitgestellt werden. Um die Magnetspule noch kleiner auslegen zu können, ist daher das Vorsehen einer zweiten Feder, die auf das Steuerventil abgestimmt und daher kleiner ist, von Vorteil. Zur Aufnahme der beiden Federn ist dann der Steuerraum bevorzugt durch eine Zwischenwand mit Durchströmöffnung unterteilt, so dass zwei über die Durchströmöffnung verbundene Federräume ausgebildet werden. Die Zwischenwand dient zudem der gehäuseseitigen Abstützung der beiden Federn. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Hauptventilkolben einen Ringbund mit einer Anschlagfläche aufweist oder ausbildet, in der vorzugsweise mindestens ein radial verlaufender Strömungskanal ausgebildet ist. Der Ringbund bildet zusammen mit einer gehäuseseitigen Anschlagfläche einen Hubanschlag aus. In Anlage am Hubanschlag stellt der mindestens eine radial verlaufende Strömungskanal sicher, dass die Zulaufdrossel pneumatisch an das Speichervolumen angebunden bleibt. Der Ringbund kann beispielsweise durch eine lokale Aufdickung des Hauptventilkolbens ausgebildet werden. Alternativ kann der Hauptventilkolben ein separates ring- oder hülsenförmiges Teil aufweisen, das außenumfangseitig auf dem Hauptventilkolben angeordnet und mit diesem kraft-, form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Hauptventilkolben einen als Flachanker ausgeführten Abschnitt aufweist, in dem mindestens eine Durchströmöffnung und/oder ein radial verlaufender Strömungskanal ausgebildet ist bzw. sind. Der als Flachanker ausgeführte Abschnitt des Hauptventilkolbens weist aufgrund seines größeren Durchmessers eine größere magnetische Grenzfläche als der als Tauchanker ausgeführte Abschnitt auf, was eine höhere Krafteinwirkung auf den Hauptventilkolben zur Folge hat. Die Ausgestaltung des Hauptventilkolbens als Tauch- und Flachanker ermöglicht somit eine weitere Optimierung der Feldlinienführung, bei der die Feldlinien des Magnetkreises überwiegend durch axiale Arbeitsluftspalte geführt werden. Das Öffnen des Hauptventilkolbens wird dann durch die anliegenden pneumatischen Druckverhältnisse sowie durch die auf die beiden Ankerabschnitte wirkenden Magnetkräfte realisiert.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Magnetspule in einem Bereich, der mit dem als Flachanker ausgebildeten Abschnitt des Hauptventilkolbens zusammenwirkt, einen erhöhten magnetischen Widerstand aufweist. Durch den erhöhten magnetischen Widerstand werden die Feldlinien nochmals verstärkt durch den als Flachanker ausgeführten Abschnitt des Hauptventilkolbens geführt, was zu einer erhöhten Kraft am Flachanker führt. Im Extremfall kann dieser Bereich sogar in Sättigung gehen.

Der als Flachanker ausgeführte Abschnitt des Hauptventilkolbens kann zugleich eine Anschlagfläche ausbilden, die mit einer gehäuseseitigen Anschlagfläche einen Huban- schlag ausbildend zusammenwirkt Der Flachanker ersetzt in diesem Fall einen Ringbund. Die mindestens eine im Flachanker ausgebildete Durchströmöffnung und/oder der mindestens eine im Flachanker ausgebildete radial verlaufende Strömungskanal stellt dann die pneumatische Anbindung der Zulaufdrossel an das Speichervolumen sicher.

Bevorzugt weist der Steuerventilanker mindestens eine Durchströmöffnung zur Entlastung des Steuerraums auf. Durch die mindestens eine Durchströmöffnung ist bei vollem Hub des Steuerventilankers sichergestellt, dass der Steuerraum über das geöffnete Steuerventil entlastbar ist. Die mindestens eine Durchströmöffnung kann beispielsweise als Schrägbohrung ausgeführt sein, über die der Steuerraum an den Steuerventilsitz angebunden bleibt.

Bevorzugter Anwendungsbereich eines erfindungsgemäßen Absperrventils sind Wasserstofftanksysteme, so dass ferner ein Wasserstofftanksystem vorgeschlagen wird, das mindestens einen Druckgasbehälter sowie ein erfindungsgemäßes Absperrventil zum Absperren des Druckgasbehälters umfasst. Das Wasserstofftanksystem kann insbesondere 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)-e) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Absperrventil in unterschiedlichen Schaltstellungen,

Figur 2 a)-e) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Absperrventil in unterschiedlichen Schaltstellungen,

Figur 3 a)-e) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Absperrventil in unterschiedlichen Schaltstellungen und

Figur 4 a)-e) jeweils einen schematischen Längsschnitt durch ein viertes erfindungsgemäßes Absperrventil in unterschiedlichen Schaltstellungen. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in den Figuren 1 a)-e) dargestellte Absperrventil 1 weist ein Hauptventil 2 mit einem hubbeweglichen Hauptventilkolben 3 auf, der mit einem Hauptventilsitz 4 zusammenwirkt und in Richtung des Hauptventilsitzes 4 von der Federkraft einer Feder 5 beaufschlagt ist Der Hauptventilkolben 3 begrenzt an seinem dem Hauptventilsitz 4 abgewandten Ende einen Steuerraum 6, der über eine Zulaufdrossel 13 mit Gas aus einem Speichervolumen eines Druckgasbehälters (nicht dargestellt) verbunden ist. Das Gas gelangt aus dem Speichervolumen des Druckgasbehälters über eine Gasleitung 26 in einen Ventilraum 27 und aus diesem über die Zulaufdrossel 13 in den Steuerraum 6. Die Zulaufdrossel 13 wird vorliegend über das Führungsspiel eines gehäuseseitigen Führungsabschnitts zur Führung des Hauptventilkolbens 3 ausgebildet. Im Steuerraum 6 sowie im Ventilraum 27 herrscht somit Speicherdruck bzw. Hochdruck. Absteuerseitig, das heißt in einer Gasleitung 25 herrscht dagegen üblicherweise ein gegenüber dem Speicherdruck abgesenktes Druckniveau. Die anliegenden pneumatischen Druckverhältnisse sowie die Federkraft der Feder 5 drücken demnach den Hauptventilkolben 3 in den Hauptventilsitz 4, so dass das Hauptventil 2 geschlossen ist.

Zum Öffnen des Hauptventils 2 wird mit Hilfe einer ringförmigen Magnetspule 11 auf einen als Flachanker ausgeführten Steuerventilanker 8 eines Steuerventils 7 eingewirkt. Die Bestromung der Magnetspule 11 führt zur Ausbildung eines Magnetfelds, dessen Magnetkraft den Steuerventilanker 8 aus dem Steuerventilsitz 10 hebt, so dass das Steuerventil 7 öffnet (siehe Fig. 1 b)). Dadurch, dass der Steuerventilanker 8 als Flachanker ausgeführt ist, wirkt auf diesen eine hohe Magnetkraft. Die Feldlinienführung des Magnetkreises ist ferner dadurch optimiert, dass der Flachanker einen radialen Abstand a zu einem Gehäuse 14 einhält, so dass die Feldlinien überwiegend durch den axialen Arbeitsluftspalt geführt werden.

Bei geöffnetem Steuerventil 7 strömt Gas aus dem Steuerraum 6 in die Gasleitung 25 ab, so dass der Druck im Steuerraum 6 abfällt. Im Steuerventilanker 8 ausgebildete Durchströmöffnungen 24 stellen dabei sicher, dass auch bei vollem Hub des Steuerventilankers 8 Gas aus dem Steuerraum 6 abströmen kann. Der Druckabfall im Steuerraum 6 führt zu einer Entlastung des Hauptventilkolbens 3, während absteuerseitig bzw. in der Gasleitung 25 der Druck steigt. Da ein steuerraumseitiger Endabschnitt 12 des Hauptventilkolbens 3 als Tauchanker ausgeführt ist, wirkt auf diesen zugleich die Magnetkraft der Magnetspule 11 , so dass schließlich eine Kombination aus pneumatischer und magnetischer Kraft zum Öffnen des Hauptventils 2 führt (siehe Fig. 1 c)). Ein am Hauptventilkolben 3 ausgebildeter Ringbund 17 mit einer Anschlagfläche 18 begrenzt dabei den Öffnungshub des Hauptventilkolbens 3. Bei vollem Öffnungshub des Hauptventilkolbens 3 stellen im Ringbund 17 ausgebildete radial verlaufende Strömungskanäle 19 sicher, dass die Zulaufdrossel 13 an den Ventilraum 27 und damit an das Speichervolumen des Druckgasbehälters angebunden bleibt.

Zum Schließen des Hauptventils 2 wird die Bestromung der Magnetspule 11 beendet, so dass die Feder 5 den Steuerventilanker 8 in den Steuerventilsitz 10 zurückstellt und das Steuerventil 7 schließt (siehe Fig. 1d)). Da kein Gas mehr aus dem Steuerraum 6 abströmt, füllt sich dieser über die Zulaufdrossel 13 mit Gas, so dass der Druck im Steuerraum 6 wieder ansteigt. Die pneumatischen Druckverhältnisse führen zu einer pneumatischen Kraft, die zusammen mit der Federkraft der Feder 5 den Hauptventilkolben 3 in den Hauptventilsitz 4 zurückstellen, so dass das Hauptventil 2 schließt (siehe Fig. 1 e)).

Den Figuren 2a)-e) ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Absperrventils 1 zu entnehmen. Dieses unterscheidet sich von dem der Figuren 1 a)-e) insbesondere dadurch, dass der Hauptventilkolben 3 nicht nur einen als Tauchanker ausgeführten Endabschnitt 12, sondern ferner einen als Flachanker ausgeführten Abschnitt 20 aufweist. In einem mit dem Flachanker zusammenwirkenden Bereich 23 weist die Magnetspule 11 zudem einen erhöhten magnetischen Widerstand auf, so dass durch diese Maßnahmen die Feldlinien verstärkt durch den als Flachanker ausgeführten Abschnitt geführt werden. Dies hat zur Folge, dass auf den Hauptventilkolben 3 eine erhöhte Magnetkraft wirkt. Der als Flachanker ausgeführte Abschnitt 20 ersetzt zudem den Ringbund 17, so dass der Hubanschlag durch den Abschnitt 20 ausgebildet wird. Bei vollem Öffnungshub des Hauptventilkolbens 3 ist durch mindestens eine im Flachankerabschnitt ausgebildete Durchströmöffnung 21 und einen Strömungskanal 22 die pneumatische Anbindung der Zulaufdrossel 13 an den Ventilraum 27 sichergestellt.

Die Funktionsweise des Absperrventils 1 der Figuren 2a)-e) entspricht der des Absperrventils 1 der Figuren 1a)-e). Die Figur 2a) zeigt das Absperrventil 1 bei un- bestromter Magnetspule 11 , das heißt im geschlossenen Zustand. Zum Öffnen wird die Magnetspule 11 bestromt, so dass sich ein Magnetfeld aufbaut, dessen Magnetkraft den Steuerventilanker 8 des Steuerventils 7 aus dem Steuerventilsitz 10 hebt (siehe Figur 2b)). Bei geöffnetem Steuerventil 7 strömt Gas aus dem Steuerraum 6 in die Gasleitung 25 ab, so dass der Druck im Steuerraum 6 abfällt. Der Druckabfall im Steuerraum 6 führt zu einer Entlastung des Hauptventilkolbens 3, so dass die in Öffnungsrichtung auf den Hauptventilkolben 3 wirkenden Kräfte überwiegen und das Hauptventil 2 öffnet (siehe Figur 2c)). Zum Schließen wird die Bestromung der Magnetspule 11 beendet, so dass Feder 5 den Steuerventilanker 8 in den Steuerventilsitz 10 zurückstellt (siehe Figur 2d)). Bei geschlossenem Steuerventil 7 steigt der Druck im Steuerraum 6 wieder an, da dieser über die Zulaufdrossel 13 mit dem Ventilraum 27 pneumatisch verbunden ist. In gleicher Weise steigt auch der Druck im Druckraum 6 an, so dass die in Schließrichtung auf den Hauptventilkolben 3 wirkenden Kräfte überwiegen und der Hauptventilkolben 3 in den Hauptventilsitz 4 zurückgestellt wird (siehe Figur 2e)).

Das in den Figuren 3a)-e) dargestellte erfindungsgemäße Absperrventil 1 stellt eine Weiterbildung des Absperrventils 1 der Figuren 1a)-e) dar. Anstelle einer gemeinsamen Feder 5 sind im Steuerraum 6 zwei Federn 5, 9 aufgenommen. Der Steuerraum 6 ist durch eine Zwischenwand 15 mit einer zentralen Durchströmöffnung 16 in zwei Federräume unterteilt, so dass sich beide Federn 5, 9 an der Zwischenwand 15 abstützen können. Die weitere Feder 9 kann kleiner als die Feder 5 ausgelegt werden, da sie lediglich das Steuerventil 7 schließen muss. Entsprechend verringert sich die zum Öffnen des Steuerventils 7 erforderliche Magnetkraft, so dass eine kleinere Magnetspule 11 zum Einsatz gelangen kann. Die Funktionsweise des Absperrventils 1 der Figuren 3a)-e) entspricht im Übrigen der des Absperrventils 1 der Figuren 1a)-e), so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechende Beschreibung verwiesen wird.

Das in den Figuren 4a)-e) dargestellte erfindungsgemäße Absperrventil 1 stellt eine Weiterbildung des Absperrventils 1 der Figuren 2a)-e) dar. Anstelle einer gemeinsa- men Feder 5 sind auch hier im Steuerraum 6 zwei Federn 5, 9 aufgenommen. Der Steuerraum 6 ist durch eine Zwischenwand 15 mit einer zentralen Durchströmöffnung 16 in zwei Federräume unterteilt, so dass sich beide Federn 5, 9 an der Zwischenwand 15 abstützen können. Die weitere Feder 9 kann kleiner als die Feder 5 ausgelegt wer- den, da sie lediglich das Steuerventil 7 schließen muss. Entsprechend verringert sich die zum Öffnen des Steuerventils 7 erforderliche Magnetkraft, so dass eine kleinere Magnetspule 11 zum Einsatz gelangen kann. Da die Funktionsweise des Absperrventils 1 der Figuren 4a)-e) im Übrigen der des Absperrventils 1 der Figuren 2a)-e) entspricht, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechende Beschrei- bung verwiesen.