Ventilvorrichtung für ein gasförmiges Medium und Tankvorrichtung zur Speiche rung eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für ein gasförmiges Medium und eine Tankvorrichtung für einen Brennstoffzellentank, insbesondere zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoff zellenantrieb.

Stand der Technik

Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2018 209 057 Al beschreibt eine Tankvorrich tung zur Temperaturdruckentlastung eines Brennstoffzellentanks, wobei die Tankvorrichtung Tankbehälter mit verschiedenen Ventilen, wie beispielsweise ein Absperrventil umfasst, welche eine ordentliche Funktionsweise beispielsweise eines Brennstoffzellensystems gewährleisten.

Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Absperrventil aufweisen. So kann das Ab sperrventil bei einer Beschädigung der Tankvorrichtung hervorgerufen durch ei nen Unfall des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb oder bei einem Bruch einer Leitung der Tankvorrichtung die Tankbehälter verschließen, so dass kein Gas aus der Speichereinheit austreten kann.

Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen an die Absperrventile und auf grund hoher Systemdrücke von beispielsweise 800 bar oder mehr sind solche Absperrventile konstruktiv sehr herausfordernd und weisen einen großen Bau raum auf. Dies erhöht wiederum das Gesamtgewicht der gesamten Tankvorrich tung, was im Falle eines Unfalls des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb zu hohen auftretenden Beschleunigungskräften und möglichen Verformungen der Ventilvorrichtung oder der Tankvorrichtung führen kann. Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfa cher Funktionsweise der Bauraum der Ventilvorrichtung durch Verwendung eines doppelhubigen Schaltventils reduziert wird.

Dazu weist die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung für ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in dem ein entlang einer Längsachse bewegbarer erster Magnetanker angeordnet ist. Der erste Magnet anker wirkt mit einem ersten Dichtsitz zum Öffnen und Schließen einer Auslass öffnung zusammen. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse ein entlang einer Längs achse bewegbarer zweiter Magnetanker angeordnet, welcher zweiter Magnetan ker in einer Ausnehmung des ersten Magnetankers zumindest teilweise aufge nommen ist und welcher zweiter Magnetanker mit einem zweiten Dichtsitz zum Öffnen und Schließen einer in dem ersten Magnetanker ausgebildeten Durch lassöffnung zusammenwirkt. Darüber hinaus sind der erste Magnetanker und der zweite Magnetanker von einer Magneteinrichtung umfasst, durch welche Mag neteinrichtung der erste Magnetanker und der zweite Magnetanker mittels genau einer Magnetspule entlang der Längsachse bewegbar sind.

Durch die Verwendung von nur einer Magnetspule wird eine Reduzierung des Bauraums und des Gesamtgewichts der Ventilvorrichtung erzielt. Weiterhin sind aufgrund des Einsatzes von zwei miteinander wechselwirkenden Magnetankern keine Steuerräume notwendig, wodurch ebenfalls Bauraum minimiert wird. Zu sätzlich ist aufgrund des doppelhubigen Schaltventils mit zwei Magnetankern für die Öffnung der Ventilvorrichtung eine kleine magnetische Kraft ausreichend.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Magnetspule ein Spulengehäuse aufweist und den ersten Magnetanker und den zweiten Magnet anker in dem Ventilgehäuse zumindest teilweise umgibt. So kann in einfacher Weise bei aktiver Magnetspule eine magnetische Kraft auf den ersten Magnetan ker und den zweiten Magnetanker erzeugt werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Ventilgehäuse eine Feder angeordnet ist, welche Feder den zweiten Mag netanker mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes beaufschlagt, wodurch der erste Magnetanker mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes beaufschlagt ist.

In vorteilhafter Weiterbildung ist in dem Ventilgehäuse ein Anschlagselement an geordnet, an welchem Anschlagselement der erste Dichtsitz ausgebildet ist. Vor teilhafterweise ist ein Strömungsquerschnitt an dem ersten Dichtsitz größer als ein Strömungsquerschnitt an dem zweiten Dichtsitz. So ist in einfacher Weise und mit kleiner magnetischer Kraft der zweite Magnetanker längsbewegbar und öffnet beim Abheben von dem zweiten Dichtsitz einen Strömungsquerschnitt über den zweiten Dichtsitz. Durch die sich dadurch verändernden Druckverhält nisse in der Ventilvorrichtung wird die Öffnung des ersten Dichtsitzes und damit die Längsbewegung des ersten Magnetankers beschleunigt und die notwendige Höhe der magnetischen Kraft kann so reduziert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der erste Magnetanker einen Absatz aufweist, welcher Absatz mit einem Absatz des zweiten Magnetankers zusammenwirkt und bei einer Längsbewegung des zwei ten Magnetankers dieser als Mitnehmer für den ersten Magnetanker dient.

Dadurch kann die Öffnung des ersten Dichtsitzes und damit die Längsbewegung des ersten Magnetankers beschleunigt werden.

In vorteilhaften Verwendungen kann die Ventilvorrichtung in einer Tankvorrich tung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Tank eingesetzt werden. Vorteilhafterweise umfasst der Tank ein Tankgehäuse mit einem Halsbereich, in welchem Halsbereich die Ventilvorrich tung angeordnet ist, wobei das Ventilgehäuse in das Tankgehäuse zumindest teilweise integriert ist und das Ventilgehäuse mittels eines Dichtelements einen Tankinnenraum des Tanks abdichtet. So ist in vorteilhafter Weise durch die Ventilvorrichtung ein Durchflussquerschnitt an gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, aus dem Tank steuerbar.

Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoff zellenanordnung zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brenn stoffzelle.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ventilvor richtung für ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, und eine erfin dungsgemäße Tankvorrichtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums dargestellt. Es zeigt in

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrich tung in einer Tankvorrichtung im Längsschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvor richtung in einer Tankvorrichtung im Längsschnitt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvor richtung 100 für ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, in einer er findungsgemäßen Tankvorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Medi ums, insbesondere Wasserstoff, im Längsschnitt.

Die Ventilvorrichtung 100 weist ein Ventilgehäuse 6 mit einer Längsachse 18 auf. In dem Ventilgehäuse 6 sind eine Einlassöffnung 22 und eine Auslassöffnung 40 ausgebildet, welche in einen Innenraum 42 münden. Weiterhin ist in dem Ventil gehäuse 6 eine Magnetspule 10 mit einem Spulengehäuse 8 angeordnet. Das Ventilgehäuse 6 umfasst weiterhin ein Anschlagselement 12, welches von dem Spulengehäuse 8 umgeben ist und welches mittels Dichtelementen 24 die Mag netspule 10 gegen den Innenraum 42 abdichtet. In dem Innenraum 42 ist ein entlang der Längsachse 18 bewegbarer erster Mag netanker 14 angeordnet, welcher mit einer Anformung 44 mit einem ersten Dicht sitz 32 zum Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 40 zusammenwirkt. Der erste Dichtsitz 32 ist hier an einem Absatz 48 des Anschlagselements 12 ausge bildet. In dem ersten Magnetanker 14 ist eine Durchlassöffnung 20 ausgebildet, welche an dem dem ersten Dichtsitz 32 abgewandten Ende des ersten Magne tankers 14 in eine Ausnehmung 38 mündet.

In der Ausnehmung 38 ist ein entlang der Längsachse 18 bewegbarer zweiter Magnetanker 16 aufgenommen, welcher mit einer Anformung 46 mit einem zwei ten Dichtsitz 34 zum Öffnen und Schließen der Durchlassöffnung 20 in dem ers ten Magnetanker 14 zusammenwirkt. Der zweite Dichtsitz 34 ist an dem ersten Magnetanker 14 ausgebildet.

Mittels einer Feder 30, welche in einer Ausnehmung 50 des Ventilgehäuses 6 an geordnet ist und sich zwischen dem zweiten Magnetanker 16 und dem Ventilge häuse 6 abstützt, wird der zweite Magnetanker 16 mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes 34 beaufschlagt, so dass der zweite Magnetanker 16 an dem zweiten Dichtsitz 34 aufliegt. Die Durchlassöffnung 20 ist somit geschlossen.

Durch die Wirkverbundenheit des ersten Magnetankers 14 mit dem zweiten Mag netanker 16 wird der erste Magnetanker 14 mittels der Feder 30 gegen den ers ten Dichtsitz 32 gedrückt, so dass die Auslassöffnung 40 geschlossen ist.

Der Innenraum 42 ist durch den ersten Magnetanker 14 und den zweiten Mag netanker 16 in einen äußeren Ringraum 422, einen inneren Ringraum 420 und einen Federraum 421 aufgeteilt. Der äußere Ringraum 422 ist dabei durch das Anschlagselement 12 und den ersten Magnetanker 14 begrenzt, wohingegen der innere Ringraum 420 durch den ersten Magnetanker 14 und den zweiten Mag netanker 16 begrenzt ist.

Sowohl der innere Ringraum 420 als auch der äußere Ringraum 422 münden in den Federraum 421, wobei der Federraum 421 die Ausnehmung 50 des Ventil gehäuses 6 umfasst und in die Einlassöffnung 22 übergeht. Die Ventilvorrichtung 100 ist Teil einer Tankvorrichtung 1 mit einem Tank 2. Der Tank 2 weist ein Tankgehäuse 3 auf, in dem ein Tankinnenraum 4 ausgebildet ist. Das Tankgehäuse 3 weist einen Halsbereich 28 auf, in dem die Ventilvorrich tung 100 angeordnet ist. Dabei ist diese in das Tankgehäuse 3 integriert und ver schließt dabei den Tankinnenraum 4 nach außen. Mittels Dichtelemente 26 zwi schen des Ventilgehäuses 6 der Ventilvorrichtung 100 und dem Tankgehäuse 3 des Tanks 2 ist der Tankinnenraum 4 abgedichtet, so dass gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, lediglich über die Ventilvorrichtung 100 aus dem Tank 2 ein- bzw. ausströmen kann.

Der erste Magnetanker 14 und der zweite Magnetanker 16 bilden zusammen mit der Magnetspule 10 und dem Spulengehäuse 8 eine Magneteinrichtung 11 aus.

Ein Strömungsquerschnitt des gasförmigen Mediums an dem ersten Ventilsitz 32 ist dabei größer als ein Strömungsquerschnitt des gasförmigen Mediums an dem zweiten Ventilsitz 34, da der Durchmesser der zylinderförmig ausgebildeten Aus lassöffnung 40 größer ist als der Durchmesser der zylinderförmigen Durchlassöff nung 20.

Funktionsweise der Ventilvorrichtung

Bei nicht bestromter Magnetspule 10 sind der erste Ventilsitz 32 und der zweite Ventilsitz 34 durch die Kraft der Feder 30 geschlossen, so dass die Verbindun gen zwischen dem äußeren Ringraum 422 und der Auslassöffnung 40 und zwi schen dem inneren Ringraum 420 und der Durchlassöffnung 20 geschlossen sind. Somit kann auch kein gasförmiges Medium aus dem Tankinnenraum 4 über die Einlassöffnung 22 und die Auslassöffnung 40 in Richtung eines Systems, bei spielsweise einer Brennstoffzellenanordnung, strömen. In dem Tankinnenraum 4 herrscht Hochdruck von beispielsweise 700 bar. In der Brennstoffzellenanord nung hingegen herrscht Niederdruck.

Wird die Magnetspule 10 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den ers ten Magnetanker 14 und den zweiten Magnetanker 16 erzeugt, welche der Kraft der Feder 30 und den Druckkräften an dem ersten Dichtsitz 32 und an dem zwei ten Dichtsitz 34 entgegengerichtet ist. Der kleinere Sitzdurchmesser an dem zweiten Dichtsitz 34 im Vergleich zu dem Sitzdurchmesser an dem ersten Dicht sitz 32 hat zur Folge, dass für die Öffnung des zweiten Dichtsitzes 34 eine gerin gere magnetische Kraft notwendig ist als für die Öffnung des ersten Dichtsitzes 32. Bei genügend hoher Magnetkraft hebt der zweite Magnetanker 16 von dem zweiten Magnetanker 16 ab und gibt die Durchlassöffnung 20 frei.

Gasförmiges Medium strömt nun aus dem Tankinnenraum 4 über die Einlassöff nung 22, den zweiten Dichtsitz 34, die Durchlassöffnung 20 und die Auslassöff nung 40 aus dem Tank 2 in Richtung eines Systems, beispielsweise einer Brenn stoffzellenanordnung. Dadurch steigt der Druck in dem System an, was dazu führt, dass sich die Druckdifferenz an dem ersten Dichtsitz 32 verringert. Durch die Verringerung der Druckdifferenz an dem ersten Dichtsitz 32 reduziert sich auch die Kraft, die der magnetischen Öffnungskraft entgegensteht. Die zuneh mende Abnahme der Druckdifferenz führt zu einer Öffnung des ersten Dichtsit zes 32. Der erste Magnetanker 14 hebt somit von dem ersten Dichtsitz 32 ab und öffnet so eine Verbindung zwischen der Auslassöffnung 40 und dem äußeren Ringraum 422. Nun strömt gasförmiges Medium, hier Wasserstoff, aus dem Tankinnenraum 4 über die Einlassöffnung 22, den äußeren Ringraum 422, den ersten Dichtsitz 32 und die Auslassöffnung 40 aus dem Tank 2 in Richtung einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanordnung.

Soll die Wasserstoff-Zufuhr zu der Brennstoffzelle unterbrochen werden, wird die Magnetspule 10 nicht weiter bestromt, so dass die magnetische Kraft abgebaut wird und sich der zweite Magnetanker 16 durch die Kraft der Feder 30 wieder in Richtung des zweiten Dichtsitzes 34 bewegt und diesen schließt. Der zweite Magnetanker 16 wirkt hier als Mitnehmer für den ersten Magnetanker 14, so dass auch der erste Dichtsitz 32 wieder geschlossen ist.

Der Durchmesser an dem ersten Dichtsitz 32 und der Hub des ersten Magnetan kers 14 ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass die Brennstoffzelle in allen Be triebszuständen mit einem ausreichenden Massenstrom an Wasserstoff versorgt wird. Außerdem kann dadurch im Falle einer Befüllung des Tanks 2 mit gasförmi gem Medium, hier Wasserstoff, bei dem die Strömrichtung von der Auslassöff nung 40 in Richtung der Einlassöffnung 22 verläuft, der Tank 2 in kurzer Zeit, bei spielsweise in wenigen Minuten, befüllt werden.

Fig.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvor richtung 100 für ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, in der erfin dungsgemäßen Tankvorrichtung 1 zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, im Längsschnitt.

Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht in Funktion und Aufbau weitestge hend dem ersten Ausführungsbeispiel. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet. In dem zweiten Ausführungsbeispiel weist der erste Magnetanker 14 einen Ab satz 36 auf, welcher mit einem Absatz 52 des zweiten Magnetankers 16 zusam menwirkt. Somit wirkt der zweite Magnetanker 16 bei Öffnung des zweiten Dicht sitzes 34 bei dessen Längsbewegung als Mitnehmer für den ersten Magnetanker 14, wodurch die Öffnung des ersten Dichtsitzes 32 beschleunigt wird.