Absperrventil für einen Druckgasbehälter, Druckgasbehälter

Die Erfindung betrifft ein Absperrventil für einen Druckgasbehälter mit dem Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Druck gasbehälter mit einem derartigen Absperrventil. Der Druckgasbehälter soll insbesonde re zur Bevorratung von Wasserstoff eingesetzt werden können, vorzugsweise in mobi len Anwendungen, beispielsweise in Brennstoffzellen- Fahrzeugen.

Stand der Technik

Brennstoffzellen- Fahrzeuge benötigen zum Betrieb der Brennstoffzellen Wasserstoff und Sauerstoff. Während der Sauerstoff der Umgebungsluft entnommen werden kann, wird der Wasserstoff in der Regel in Druckgasbehältern an Bord des Fahrzeugs mitge führt. Der Druck in diesen Behältern liegt üblicherweise über 500 bar und wird nachfol gend als Hochdruck bezeichnet.

Die Entnahme von Wasserstoff aus einem Druckgasbehälter erfolgt in der Regel über ein elektrisch ansteuerbares Absperrventil des Druckgasbehälters. Dieses öffnet gegen den Hochdruck im Druckgasbehälter. Da für den notwendigen Durchfluss ein ver gleichsweise großer Querschnitt geöffnet werden muss, wird eine hohe initiale Öff nungskraft benötigt. Im Fall eines elektromagnetisch betätigten Absperrventils, das di rekt geschaltet wird, bedeutet dies, dass große Magnetkräfte aufgebracht werden müs sen. Alternativ kann ein indirekt geschaltetes Absperrventil verwendet werden, das bei spielsweise über ein Pilotventil geschaltet wird. Durch Öffnen eines zunächst kleinen Querschnitts kann ein Druckausgleich bewirkt werden, so dass für das anschließende vollständige Öffnen des Absperrventils weniger Kraft benötigt wird. Indirekt geschaltete Ventile weisen jedoch im Vergleich zu direkt geschalteten Ventilen einen deutlich kom plexeren Aufbau auf, der sich in einer hohen Teilezahl niederschlägt.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Absperrventil für einen Druckgasbehälter anzu geben, das zum initialen Öffnen hohe Stellkräfte ermöglicht und zugleich einfach auf gebaut ist.

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 Druckgasbehälter mit einem derartigen Ab sperrventil angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Das für einen Druckgasbehälter vorgeschlagene Absperrventil umfasst einen hubbe weglichen Ventilschließkörper, der durch die Federkraft einer Schließfeder gegen einen Ventilsitz vorgespannt ist, so dass in Schließstellung des Ventilschließkörpers eine Verbindung eines Ventileinlasses mit einem Ventilauslass unterbrochen ist. Das Ab sperrventil umfasst ferner eine Aktorik zum Öffnen des Ventilschließkörpers. Erfin dungsgemäß wirkt die Aktorik mit einem Betätigungsglied zusammen, das in einem Abstand koaxial zum Ventilschließkörper angeordnet und mit Hilfe der Aktorik in Rich tung des Ventilschließkörpers bewegbar ist, so dass mit Anschlägen des Betätigungs glieds am Ventilschließkörper ein öffnender Impuls erzeugbar ist.

Das vorgeschlagene Absperrventil wird demnach mit Hilfe der Aktorik und des Betäti gungselements direkt geschaltet. Die bei einem direkt geschalteten Ventil initial hohe Öffnungskraft wird bei dem vorgeschlagenen Absperrventil durch einen Impuls bewirkt, der aus der Bewegung des Betätigungsglieds resultiert. Denn die Bewegungsenergie des Betätigungsglieds wird beim Aufprall auf den Ventilschließkörper in eine Kraft ge wandelt, die den Ventilschließkörper gegen Hochdruck aus dem Ventilsitz hebt. Da sich nach dem initialen Öffnen ein Druckausgleich einstellt, kann anschließend das voll ständige Öffnen mit deutlich verringerter Kraft bewirkt werden. Die zur Erzeugung des öffnenden Impulses notwendige Bewegung des Betätigungs glieds kann mit vergleichsweise geringen Stellkräften bewirkt werden, so dass die Akto- rik entsprechend klein ausfallen kann. Zugleich verringert sich die Teilezahl, da das vorgeschlagene Absperrventil direkt geschaltet wird.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Aktorik und/oder das Be tätigungsglied durch die Federkraft einer Rückstellfeder vorgespannt ist bzw. sind. Die Federkraft der Rückstellfeder wirkt der Kraftrichtung der Aktorik entgegen. Mit Hilfe der Rückstellfeder kann somit die erforderliche Rückstellung bewirkt werden. Denn damit das Betätigungsglied mittels der Aktorik in Bewegung versetzt werden kann und das Betätigungsglied ausreichend Bewegungsenergie aufnehmen kann, muss in Schließ stellung des Absperrventils ein vorgegebener Abstand zwischen dem Ventilschließkör per und dem Betätigungsglied eingehalten werden.

Bevorzugt sind die Aktorik und das Betätigungsglied gekoppelt oder zumindest koppel bar, so dass mit Vorspannung der einen Komponente die jeweils andere Komponente ebenfalls vorgespannt bzw. über die Rückstellfeder rückstellbar ist.

Die Aktorik umfasst vorzugsweise einen linear wirkenden Aktor, beispielsweise einen Magnet, Piezo- oder Wirbelstromaktor. Die Kraftrichtung des Aktors kann somit optimal auf die Bewegungsrichtung des Betätigungsglieds ausgerichtet werden. Unabhängig von der Art des Aktors kann dieser eine „abstoßende“ oder „anziehende“ Wirkung auf das Betätigungsglied haben. Von der Wirkungsart wiederum hängt ab, ob der Aktor vor oder hinter dem Betätigungsglied angeordnet ist. Beispielsweise kann der Aktor eine abstoßende Wirkung haben. In diesem Fall ist der Aktor hinter dem Betätigungsglied, das heißt auf der dem Ventilschließkörper abgewandten Seite des Betätigungsglieds angeordnet.

Das Betätigungsglied kann insbesondere eine Art Stößel mit einem zumindest ab schnittsweise länglichen Körper sein. Für den Fall, dass der Aktor eine abstoßende Wirkung besitzt, wird vorgeschlagen, dass das Betätigungsglied eine Schubstange ist. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Betätigungsglied zumindest bereichs- oder teilweise aus einem magnetischen Material gefertigt ist. Dies ermöglicht den Einsatz eines Magnetaktors. Mittels eines Magnetaktors kann wahlweise eine ab stoßende oder anziehende Wirkung auf das Betätigungsglied ausgeübt werden. Das Betätigungsglied kann beispielsweise ein Dauermagnet sein oder einen solchen um fassen.

Bevorzugt umfasst die Aktorik einen Aktorraum zur Aufnahme des Aktors. Im Aktor raum kann zudem die Rückstellfeder angeordnet sein. Um einen Kontakt des Aktors mit dem Druckgas zu vermeiden, kann der Aktorraum gegenüber einem druckgasfüh renden Bereich des Absperrventils abgedichtet und über einen Entlüftungskanal ent lüftbar sein. Die Abdichtung kann insbesondere im Bereich einer Führung des Betäti gungsglieds realisiert werden. Über den Entlüftungskanal kann der für die Bewegung des Betätigungsglieds erforderliche Volumen- bzw. Druckausgleich bewirkt werden. Ferner kann über den Entlüftungskanal Druckgas abgeführt werden, das im Wege der Leckage in den Aktorraum gelangt. Alternativ kann der Aktorraum aber auch an einen druckgasführenden Bereich des Absperrventils angeschlossen sein. Abdichtungsmaß nahmen sind in diesem Fall entbehrlich.

Der Öffnungshub des Ventilschließkörpers ist vorzugsweise durch einen Anschlag be grenzt. Der Anschlag definiert eine Endlage des Ventilschließkörpers. In dieser Endla ge ist vorzugsweise der Öffnungsquerschnitt des Absperrventils maximal. Im Bereich des Anschlags ist weiterhin vorzugsweise ein Elektromagnet angeordnet, mittels des sen der Ventilschließkörper in der Offenstellung gehalten werden kann. Mit Hilfe der Magnetkraft des Elektromagneten kann somit die Federkraft der Schließfeder über wunden werden, die den Ventilschließkörper in Richtung des Ventilsitzes vorspannt. Da die benötigten Haltekräfte vergleichsweise gering sind, kann ein entsprechend kleiner Elektromagnet verwendet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist bzw. sind der Ven tilschließkörper und/oder der Ventilsitz zumindest abschnittsweise konisch ausgeführt. Auf diese Weise wird eine Selbstzentrierung des Ventilschließkörpers in Bezug auf den Ventilsitz beim Schließen bewirkt, so dass das Absperrventil dicht schließt. Alternativ oder ergänzend kann der Ventilschließkörper über die Schließfeder und/oder einen Führungskäfig geführt sein. Die Führung des Ventilschließkörpers stellt eine op timale Ausrichtung des Ventilschließkörpers in Bezug auf den Ventilsitz und damit ein dichtes Schließen des Absperrventils sicher.

In der bevorzugten Verwendung als Absperrventil eines Druckgasbehälter ist das vor geschlagene Absperrventil in der Weise angeordnet, dass der Ventileinlass mit dem Druckgasbehälter verbunden oder verbindbar ist. Im Ventileinlass des Absperrventils herrscht somit Hochdruck. Das heißt, dass das Absperrventil gegen Hochdruck öffnet. In dieser Ausgestaltung kommen die Vorteile der Erfindung optimal zum Tragen.

Darüber hinaus wird ein Druckgasbehälter mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil vorgeschlagen. Die Vorteile des Absperrventils erstecken sich auch auf den Druckgas behälter. Der Druckgasbehälter kann beispielsweise zur Bevorratung von Wasserstoff verwendet werden, so dass mit Hilfe des Druckgasbehälters bzw. mit Hilfe des Ab sperrventils des Druckgasbehälters die eingangs beschriebenen Probleme gelöst wer den.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrven til in Schließstellung,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch das Absperrventil der Fig. 1 bei Akti vierung des Aktors und

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch das Absperrventil der Fig. 1 in Of fenstellung. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Absperrventil 1 weist einen Ventilschließkör per 2 auf, der zwischen einem Ventilsitz 4 und einem Anschlag 13 hin und her beweg lich ist. Mittels der Federkraft einer Schließfeder 3 ist der Ventilschließkörper 2 gegen den Ventilsitz 4 vorgespannt. In Öffnungsstellung des Ventilschließkörpers 2 ist eine Verbindung eines Ventileinlasses 5 mit einem Ventilauslass 6 hergestellt. Der Ventilein lass 5 weist eine Verbindung zu einem Hochdruckanschluss 15 auf, über den das Ab sperrventil 1 mit einem Druckgasbehälter (nicht dargestellt) verbunden bzw. verbindbar ist.

Das dargestellte Absperrventil 1 weist darüber hinaus eine Aktorik 7 auf, die mit einem Betätigungsglied 8 zusammenwirkt. Dieses ist in Schließstellung des Absperrventils 1 und bei stromloser Aktorik 7 in einem Abstand koaxial zum Ventilschließkörper 2 ange ordnet (siehe Fig. 1). Die Aktorik 7 ist hinter dem Betätigungsglied 8 angeordnet. Wird ein Aktor der der Aktorik 7 bestromt, bewegen die Aktorkräfte das Betätigungsglied 8 in Richtung des Ventilschließkörpers 2 (siehe Fig. 2) Dabei nimmt das Betätigungsglied 8 Bewegungsenergie auf, die beim Aufprall auf den Ventilschließkörper 2 in einen öff nenden Impuls umgewandelt wird, der dazu führt, dass der Ventilschließkörper 2 ent gegen der Federkraft der Schließfeder 3 und gegen Hochdruck aus dem Ventilsitz 4 gehoben wird. Dabei wird ein erster Öffnungsquerschnitt freigegeben, der dazu führt, dass sich der Druck stromabwärts des Ventilsitzes 4 dem Druck stromaufwärts an gleicht. Durch die verbleibende über den Impuls in den Ventilschließkörper 2 einge- brachte Bewegungsenergie bewegt sich dieser weiter in Richtung Anschlag 13. Mit Er reichen des Anschlags 13 wird ein den Anschlag 13 ausbildender Elektromagnet 14 bestromt, dessen Magnetkraft den Ventilschließkörper 2 in dieser Endlage hält (siehe Fig. 3). Der Ventilschließkörper 2 gibt nunmehr den maximalen Öffnungsquerschnitt des Absperrventils 1 frei. Das Betätigungsglied 8 hat zu diesem Zeitpunkt bereits wie der seine Ausgangsstellung eingenommen, da die Bestromung des Aktors beendet wurde, so dass eine Rückstellfeder 9 das Betätigungsglied 8 zurückstellen konnte. Zum Schließen des Absperrventils 1 wird die Bestromung des Elektromagneten 14 be endet, so dass die Schließfeder 3 den Ventilschließkörper 2 zurück in den Ventilsitz 4 stellt. Das Absperrventil 1 befindet sich dann wieder in dem in der Fig. 1 dargestellten Zustand.

Bei dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Aktor der Aktorik 7 und die Rückstellfeder 9 in einem Aktorraum 10 angeordnet, der gegenüber einem druckgasführenden Bereich 11 abgedichtet ist. Das heißt, dass der Aktor nicht in Kontakt mit dem Druckgas gelangt. Die Abdichtung wird über eine Führung 16 des Be- tätigungsglieds 8 bewirkt. Zur Entlüftung des Aktorraums 10 ist ein Entlüftungskanal 12 vorgesehen.