DE102015005977A1

DE102015005977A1 - Entnahmeventil

Info

Publication number: DE102015005977A1
Application number: DE102015005977.7A
Authority: DE
Inventors: Philipp Hausmann
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2016-11-10
Also published as: CN107660261A; CN107660261B; JP6629348B2; WO2016180519A1; EP3295063A1; EP3295063B1; US10302216B2; JP2018514720A; CA2985394A1; US20180149285A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Entnahmeventil (4) für ein unter Überdruck stehendes Gas aus einem Druckgasspeicher (2), mit einem Ventilsitzträger (30), welcher einen kegligen, zentral in einen Abströmraum (20) mündenden Ventilsitz (31) aufweist, mit einem Entnahmekolben (17), welcher zumindest mittelbar über eine elektromagnetische Spule (12) in seiner axialen Richtung (4) bewegbar ist, und welcher einen mit dem Ventilsitz (31) zusammenwirkenden Ventilkörper (32) umfasst, und mit einem Einströmraum (10) für das unter Druck stehende Gas. Das erfindungsgemäße Entnahmeventil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmraum (10) ganz oder teilweise umlaufend um eine zentrale Achse (A) des Entnahmekolbens (17) ausgebildet und in axialer Richtung des Entnahmekolbens (17) entgegen einer Strömungsrichtung (E) des Gases in einer Offen-Stellung des Entnahmekolbens (17) zwischen dem Ventilsitz (31) und dem Ventilkörper (32) über eine Zwischenverbindung (Bohrungen 34) mit einem Zwischenvolumen (35) verbunden ist, welches seinerseits eine Verbindung (Öffnung 38) mit dem Bereich aufweist, in dem der Ventilsitz (31) und der Ventilkörper (32) zusammenwirken.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entnahmeventil für ein unter Überdruck stehendes Gas aus einem Druckgasspeicher nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Entnahmeventile für unter Überdruck stehende Gase aus einem Druckgasspeicher, insbesondere für komprimiertes Erdgas oder komprimierten Wasserstoff, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise liegen die Nenndrücke dabei bei Erdgas in der Größenordnung von ca. 26 MPa, bei Wasserstoff in der Größenordnung von 70 MPa. Typischerweise erfolgt der Aufbau derartiger Entnahmeventile in Form von sogenannten Pilotventilen, bei welchen über eine Pilotbohrung bzw. Steuerbohrung der Druck des Gases in einer Druckhülse, welche weitere Betätigungselemente des Entnahmeventils aufweist, unterstützend zum Öffnen bzw. Schließen eines den Entnahmequerschnitt steuernden Entnahmekolbens eingesetzt wird. Der Entnahmekolben ist dabei typischerweise direkt oder mittelbar über eine elektromagnetische Spule zu aktivieren und wird dann durch den sich über die Pilotbohrung in der Druckhülse ausbildenden Druck betätigt. Ein beispielhaftes Entnahmeventil in Form eines Pilotventils wird insbesondere in der EP 1 682 801 B1 beschrieben.
Der Kern bei der Entwicklung derartiger Pilotventile liegt typischerweise in der Betätigung des Entnahmekolbens über die bereits angesprochene, zumeist elektromagnetische Ansteuerung und die Ausgestaltung des Entnahmekolbens und der Pilotbohrung. Hinsichtlich der eigentlichen Entnahmeöffnung, welche auch als Ventilhauptsitz bezeichnet wird, schweigt sich die genannte EP-Schrift weitgehend aus. In diesem Bereich sind jedoch unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen. So muss einerseits eine gute Abdichtung, insbesondere beim Einsatz von derartigen Entnahmeventilen in Druckgasspeichern für Wasserstoff, realisiert werden und andererseits muss eine hohe Haltbarkeit erreicht werden, sodass der Aufbau eine Vielzahl von Betätigungszyklen problemlos übersteht.
Aus der US 2014/0166915 A1 ist ein elektromagnetisches Entnahmeventil bekannt. Um eine sichere Abdichtung zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz zu gewährleisten, ist in den keglig ausgeführten Ventilkörper eine Nut eingebracht, in welcher eine elastische Dichtung angeordnet ist. Insbesondere für eine Abdichtung gegenüber Wasserstoff ist dieser Aufbau kritisch, da eine hohe Zyklenfestigkeit einerseits und eine gute Dichteigenschaft gegenüber Wasserstoff andererseits durch die genannten Materialien schwer zu erreichen ist. Ein weiterer ähnlicher Aufbau ist auch aus der US 2003/0151018 A1 bekannt. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass in dem dort beschriebenen Aufbau das Dichtmaterial nicht im Bereich des Ventilkörpers sondern des Ventilsitzes angeordnet ist. Der Ventilkörper selbst ist als halbkugelförmiges Element ausgeführt, um so eine möglichst gute Anlage, idealerweise eine linienförmige umlaufende Anlage zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper, zu gewährleisten. Auch hier ist, wie bei Wasserstoff im Allgemeinen, eine sichere Abdichtung nur schwer zu realisieren. Insbesondere bei starken auftretenden Temperaturschwankungen, wie sie insbesondere beim Einsatz beispielsweise in Fahrzeugen auftreten können, sind an die Materialien höchste Anforderungen hinsichtlich ihrer Elastizität einerseits und hinsichtlich dieser Elastizität über einen sehr großen Einsatzbereich der Temperaturen hinweg andererseits zu stellen.
Aus diesem Grund ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik auch bekannt, bei einem Aufbau, welcher beispielsweise vergleichbar zu dem in der letztgenannten US-Schrift gezeigten Aufbau aussieht, auf Dichtelemente innerhalb des Ventilsitzes oder Ventilkörpers gänzlich zu verzichten. Bei diesen Aufbauten ist es so, dass der gesamte Ventilkörper und/oder Ventilsitz aus einem einzigen Material ausgeführt wird, insbesondere einem metallischen Material. Durch derartige Aufbauten lassen sich dann, insbesondere beim Einsatz in Druckgasspeichern für Wasserstoff, vergleichsweise gute Dichtheiten erzielen. Dem Erfinder hat sich nun gezeigt, dass der Aufbau jedoch hinsichtlich eines Verschleißes bzw. einer Beschädigung, insbesondere im Bereich des Ventilsitzes, hochkritisch ist. Dadurch, dass auf der einen Seite einer zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper ausgebildeten Dichtkante das Gas, beispielsweise Wasserstoff mit einem Nenndruck von 70 MPa ansteht, und sich nach dem Öffnen des Entnahmeventils durch eine Bewegung des Entnahmekolbens schlagartig auf einen sehr viel niedrigeren Druck von beispielsweise 20–40 MPa entspannt, kommt es im Bereich des Ventilsitzes zu einer sehr starken Materialbeanspruchung. Die Erfahrung des Erfinders hat gezeigt, dass sich typischerweise bereits nach wenigen tausend Schaltspielen des Entnahmekolbens eine erhebliche Beschädigung im Bereich des Ventilsitzes einstellt. Vermutlich ist hieran der häufige schlagartige Wechsel der Druckverhältnisse einerseits und das Überströmen dieses Bereiches mit einer sehr hohen Strömungsgeschwindigkeit unmittelbar nach dem Öffnen des Entnahmekolbens verantwortlich.
Ein weiterer Aspekt liegt daran, dass die Gase in dem Druckgasspeicher häufig minimalste Mengen von kleinsten abrassiven Partikeln beinhalten können, welche in Zusammenwirkung mit den hohen Volumenströmen und Geschwindigkeiten im Bereich des Ventilsitzes zu einer Art Abnutzung des Ventilsitzes führen. Alles in allem besteht bei den bisher bekannten Aufbauten damit die Gefahr einer nicht ausreichenden Dichtheit einerseits und einer vorzeitigen Beschädigung des Ventilsitzes aufgrund der hohen auftretenden Zyklenzahl von Entnahmehüben, wie sie insbesondere bei einem Pilotventil auftreten, andererseits.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Entnahmeventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches so ausgestaltet ist, dass es eine sichere und zuverlässige Entnahme des unter Überdruck gespeicherten Gases über einen langen Nutzungszeitraum des Entnahmeventils hinweg robust gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Entnahmeventil mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem Entnahmeventil gemäß der Erfindung ist es so, dass der Einströmraum, über welchen das unter Überdruck stehende Gas aus dem Druckgasspeicher in das Entnahmeventil einströmt, ganz oder teilweise umlaufend um eine zentrale Achse des Entnahmekolbens ausgebildet ist. Eine direkte Verbindung zum Bereich des Ventilsitzes, so wie bei den Aufbauten gemäß dem Stand der Technik, besteht bei dem erfindungsgemäßen Entnahmeventil jedoch nicht. Vielmehr ist es in axialer Richtung des Entnahmekolbens entgegen der Strömungsrichtung des Gases in der Offen-Stellung des Entnahmekolbens zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper über eine Zwischenverbindung mit einem Zwischenvolumen verbunden. Das Zwischenvolumen selbst weist dann eine Verbindung mit dem Bereich auf, in dem der Ventilsitz und der Ventilkörper zusammenwirken. Das in das Entnahmeventil einströmende unter Überdruck stehende Gas wird also von dem Einströmraum zuerst in die Gegenrichtung der späteren Entnahmeströmung umgeleitet und gelangt in ein dort befindliches Zwischenvolumen. Dieses Zwischenvolumen ist dann mit dem Bereich des Ventilsitzes und des Ventilkörpers verbunden, sodass das Gas bei geöffnetem Ventil vom Zwischenvolumen aus durch die Entnahmeöffnung zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper abströmt. Der Aufbau ermöglicht so eine Anströmung des Ventilsitzes im Wesentlichen in axialer Richtung des Entnahmeventils bzw. in axialer Richtung parallel zur Achse des Entnahmekolbens. Hierdurch wird die mechanische Belastung des Ventilsitzes deutlich reduziert, sodass hierdurch die Lebensdauer des Ventilsitzes, auch bei einer Vielzahl von Hüben des Entnahmekolbens, gesteigert werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Verbindung als zentrale Öffnung um den Entnahmekolben ausgebildet ist. Das Zwischenvolumen weist also gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils eine zentrale Öffnung auf, in welche das Gas entsprechend einströmt, um dann entlang des Entnahmekolbens in axialer Richtung zwischen dem Ventilkörper des Entnahmekolbens und dem Ventilsitz hindurchströmen.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es dabei ferner vor, dass die Zwischenverbindung über mehrere Bohrungen in einem ringförmigen Zwischenelement ausgebildet ist. Ein solches ringförmiges Zwischenelement kann zwischen den Einströmraum einerseits und das Zwischenvolumen andererseits eingebracht werden. Das Zwischenelement ist dabei ringförmig ausgebildet, da der Entnahmekolben zentral durch das Zwischenelement läuft. In dem Material des ringförmigen Zwischenelements sind dann mehrere, über den Umfang verteilte, in Axialrichtung verlaufende Bohrungen angeordnet. Durch diese Bohrungen strömt das Gas vom Einströmraum in das Zwischenvolumen. Es kann sich dann in dem Zwischenvolumen gleichmäßig verteilen und strömt von dort idealerweise durch die zentrale Öffnung des ringförmigen Zwischenelements, durch welche auch der Entnahmekolben verläuft, an diesem entlang in Richtung des Ventilsitzes.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils sieht es dabei vor, dass der Ventilsitzträgers über das Zwischenelement in axialer Richtung gehalten ist. Der Ventilsitzträger kann also durch des Zwischenelement in axialer Richtung gehalten werden, sodass ein sehr kompakter Aufbau realisierbar ist, in welchem das ringförmige Zwischenelement einerseits die Funktionalität der Zwischenverbindung durch die Bohrungen in axialer Richtung entgegen der Strömungsrichtung bei der Entnahme einerseits und die mechanische Fixierung des Ventilsitzträgeres andererseits übernimmt.
Das Zwischenelement steht gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee dabei in dichtendem Eingriff mit dem den Ventilsitz umgebenden Bereich des Ventilsitzträgers, wozu das Zwischenelement insbesondere eine in Richtung des Ventilsitzträgers vorstehende Dichtkante aufweist. Durch diesen dichtenden Eingriff zwischen dem Zwischenelement und dem Ventilsitzträger wird verhindert, dass unter Druck stehendes Gas durch eventuelle Spalte direkt von dem Einströmraum in den Bereich des Ventilsitzes strömt. Der dichtende Eingriff kann insbesondere so realisiert sein, dass an dem Zwischenelement eine vorstehende Dichtkante, eine sogenannten Beißkante, angeordnet ist, welche sich beim Aufdrücken des Zwischenelements auf den Ventilsitzträger verformt und/oder in das Material des Ventilsitzträgers eindringt, um so eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten.
Der Ventilkörper und/oder der Ventilsitz können dabei als kugeliges Bauteil einerseits und als Kugelkalotte andererseits ausgebildet sein. Auch die Kombination zwischen einem kugligen Bauteil und einem kegligen Ventilsitz ist denkbar. Eine besonders gute Abdichtung lässt sich jedoch insbesondere dann erzielen, wenn, gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der Idee der als Ventilkörper genutzte Teil des Entnahmekolbens keglig ausgebildet ist und der keglige Ventilkörper mit einem kegligen Ventilsitz zusammenwirkt, wobei die Öffnungswinkel der Kegel des Ventilkörpers und des Ventilsitzes voneinander abweichen. Ein solcher kegliger Ventilkörper kann dann ideal mit dem kegligen Ventilsitz zusammenwirken. Unter kegelig im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist dabei eine Form zu verstehen, welche auch als Mantelfläche eines Kegelstumpfs bezeichnet wird. Dabei umfasst kegelig im Sinne der Erfindung nicht nur die Mantelfläche eines einzelnen Kegelstumpfs, sondern kann auch mehrere sich aneinander anschließende Mantelflächen unterschiedlicher Kegelstümpfe mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln umfassen. Der Kegelstumpf, welcher die Form vorgibt, kann also mehrere axiale Abschnitte unterschiedlichen Öffnungswinkels aufweisen. Ein solcher Kegelstumpf ermöglicht eine sehr gute Abdichtung, vor allem dann, wenn gemäß dieser Idee der keglige Ventilkörper im Bereich seiner Berührung mit dem kegligen Ventilsitz einen kleineren oder größeren Öffnungswinkel des Kegelstumpfs aufweist, als der Ventilsitz. Dieser Unterschied in den voneinander abweichenden Öffnungswinkeln der Kegelstümpfe der beiden kegligen zusammenwirkenden Elemente Ventilkörper und Ventilsitz, ermöglicht eine weitgehend linienförmige umlaufende Anlage des Ventilkörpers am Ventilsitz. Hierdurch wird eine entsprechend hohe Flächenpressung erreicht, welche eine sehr gute Abdichtung ermöglicht, was insbesondere bei Wasserstoff einen entscheidenden Vorteil bei der Dichtheit des Entnahmeventils ermöglicht.
Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils kann es nun vorsehen, dass der mit dem Ventilkörper zusammenwirkende Teil des Ventilsitzes eine in axialer Richtung in Richtung des Zwischenvolumens überstehende Dichtlippe aufweist. Eine solche in axialer Richtung über das Material des Ventilsitzträges überstehende Dichtlippe ermöglicht eine hohe Elastizität des Ventilsitzes im Bereich dieser Dichtlippe. Hierdurch wird eine gute Anlage des Ventilsitzes an den Ventilkörper und damit eine sehr gute Abdichtung erzielt.
Eine solche Dichtlippe hat nun, wie sich in der Praxis herausgestellt hat, jedoch den Nachteil, dass diese vergleichsweise empfindlich ist. Insbesondere eine Anströmung einer großen unter hohem Druck stehenden Gasmenge und insbesondere eine hohe Druckdifferenz entlang der Dichtlippe beim Öffnen des Entnahmeventils können leicht zu einer Beschädigung der Dichtlippe führen. Deshalb kann es gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee nun vorgesehen sein, dass die Dichtlippe in Richtung des bei der Entnahme anströmenden Gases gesehen ganz oder zumindest teilweise hinter einem Vorsprung liegt. Ein solcher Vorsprung kann die Dichtlippe während des eigentlichen Entnahmevorgangs des unter Überdruck stehenden Gases vor einer direkten Anströmung des Gases weitgehend schützen, sodass der Vorsprung die Dichtlippe von dem Volumenstrom des Gases abschirmt und diese damit mechanisch schützt. Dabei kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee vorgesehen sein, dass der Vorsprung in dem Zwischenelement ausgebildet ist. Ist das Zwischenelement entsprechend der oben beschriebenen Ausführungsvariante der Erfindung vorhanden, kann der Vorsprung idealerweise in diesem Zwischenelement ausgebildet werden. Vor allem wenn zwischen dem Zwischenelement und dem Ventilsitz, welcher ja nun die Dichtlippe umfasst, ohnehin ein mechanisches Zusammenwirken realisiert ist, beispielsweise weil, wie es oben als besonders vorteilhafte Weiterbildung beschrieben ist, das Zwischenelement den Ventilsitz in axialer Richtung halt, dann kann dieser Aufbau außerordentlich einfach und effizient zu einem Schutz der Dichtlippe führen, was die Robustheit und die Lebensdauer des Entnahmeventils erhöht.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es beim Einsatz einer Dichtlippe dabei vorgesehen sein, dass um die Dichtlippe ein Aktivierungsvolumen angeordnet ist, welches mit dem unter Druck am Ventilkörper und Ventilsitz in der Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens stehenden Gas, insbesondere über einen Spalt zwischen dem Vorsprung und der Dichtlippe, verbunden ist. Ein solches Aktivierungsvolumen auf der in der Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens dem Ventilkörper abgewandten Seite der Dichtlippe des Ventilsitzes führt dazu, dass durch den im Bereich dieses Aktivierungsvolumens anstehenden Druck des unter Überdruck stehenden Gases die vergleichsweise elastische Dichtlippe in Richtung des Ventilkörpers gedrückt wird. Der Druck des unter Überdruck stehenden Gases hilft also, die Dichtlippe möglichst fest und abdichtend an den Ventilkörper zu pressen. Das Gas selbst hilft also, die Abdichtung zu verbessern, weshalb man hier auch von einer Druckaktivierung spricht.
Entsprechend einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Ausführung kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass das Aktivierungsvolumen durch wenigstens eine Verbindungsöffnung im Bereich der Dichtlippe eine gezielte Verbindung zu dem Bereich des anstehenden Gases aufweist. Eine solche gezielte Verbindung, welche beispielsweise als Bohrung durch die Dichtlippe, als spiralförmiger Kanal oder auch als radiale Nut durch die Dichtlippe ausgebildet sein kann, ermöglicht ein sehr gutes Einströmen des Gases in das Aktivierungsvolumen unabhängig von der Größe des Spalts zwischen dem Vorsprung und der Dichtlippe. Dies stellt einerseits eine zuverlässige Befüllung des Aktivierungsvolumens und dabei eine zuverlässige Unterstützung der Abdichtung durch die Druckaktivierung sicher. Außerdem erlaubt es im Falle des Wechsels des Entnahmekolbens in die Geöffnet-Stellung ein gezieltes Abströmen des Gases durch diese Verbindungsöffnungen aus dem Bereich des Aktivierungsvolumens in den Abströmraum. Dadurch, dass diese vergleichsweise schlagartig auftretende Abströmung durch die gezielte Verbindungen sicher und zuverlässig in einem vorgegebenen und konstruktiv dafür ausgestalteten Bereich erfolgt, lassen sich eventuelle Beeinträchtingungen der Dichtlippe durch diese Abströmung sehr viel leichter beherschen, als wenn diese unkontrolliert entlang des Spalts über die gesamte oder einen sich zufällig ergebenden Bereich der Dichtlippe hinweg erfolgen würde.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee kann es nun ferner vorgesehen sein, dass in dem Aktivierungsvolumen ein Dichtmaterial angeordnet ist. Das Einlegen eines Dichtmaterials, beispielsweise eines Dichtrings, in das Aktivierungsvolumen lässt sich außerordentlich einfach und effizient realisieren, da das Aktivierungsvolumen typischerweise einen aus Sicht der zentralen Achse des Entnahmeventils außerhalb der Dichtlippe befindlichen Ringraum darstellt. Das Dichtmaterial hat hier keinerlei Einfluss auf die Abdichtung selbst. Es dient in diesem Fall nur dazu, das Volumen des Aktivierungsvolumens entsprechend zu verringern. Das verbleibende Volumen zwischen dem Dichtmaterial und der Dichtlippe reicht nämlich bereits aus, um die oben beschriebene Druckaktivierung zu gewährleisten. Der Erfinder hat nun erkannt, dass unmittelbar nach dem ersten Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz das Gas aus dem Bereich des Aktivierungsvolumens schlagartig entlang der Dichtlippe in Richtung des Ventilsitzes strömt. Er hat beobachtet, dass durch diese Strömung eine zusätzliche mechanische Belastung der Dichtlippe auftritt, welche sogar so weit führen kann, dass die Dichtlippe deformiert wird. Schlimmstenfalls wird die Dichtlippe dann vom Entnahmekolben bzw. Ventilkörper beim nächsten Öffnungshub mechanisch beeinträchtigt und/oder zerstört. Durch die verbesserte Anströmung gemäß der grundlegenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils, und insbesondere auch dadurch, dass das Aktivierungsvolumen durch das Dichtmaterial, beispielsweise einen sehr weichen, mit geringer Nutfüllung ausgelegten Dichtring aus NBR oder FKM, gefüllt wird, ergibt sich eine sehr hohe Lebensdauer, da einerseits eine sehr gleichmäßige Anströmung erzielt wird, und andererseits über die vergleichsweise empfindliche Dichtlippe auftretende schlagartige Druckänderungen durch die Verringerung des Aktivierungsvolumens deutlich abgemildert werden. Dennoch bleibt ein gewisses Aktivierungsvolumen übrig, was hinsichtlich der Abdichtung des Entnahmeventils in der Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens ein entscheidender Vorteil ist. Das Dichtmaterial muss dabei selbstverständlich für den gewünschten Einsatz, insbesondere den vorgegebenen Druck und Temperaturbereich geeignet sein. Insbesondere sollte seine Glasübergangstemperatur sehr viel kleiner als 40°C sein. Das Dichtungsmaterial sollte seine Elastizität über den gesamten Temperaturbereich hinweg halten. Außerdem sollte das Dichtmaterial elastisch und beständig gegen Dekompressionsexplosion sein.
Der Einströmraum des erfindungsgemäßen Einströmventils ist, wie erläutert, ganz oder teilweise umlaufend um eine zentrale Achse des Entnahmekolbens angeordnet und steht, außer über das Zwischenvolumen, nicht mit dem Bereich des Ventilsitzes in fluidischer Verbindung. Der Einströmraum kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet sein. Er kann also ganz oder teilweise umlaufend um die zentrale Achse des Entnahmeventils ausgebildet sein. Gemäß eine weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee kann es auch vorgesehen sein, dass der Einströmraum spiralförmig ausgebildet ist. Ein solcher spiralförmiger Einströmraum, in einer Ausgestaltung wie sie beispielsweise vom Einströmraum bei Turbinen bekannt ist, sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des beispielsweise durch die Bohrungen in dem Zwischenelement in Richtung des Zwischenvolumens abströmenden Gases. Hierdurch wird letztlich die gleichmäßige Strömungslinien-Verteilung des Gases im Zwischenvolumen und damit die gleichmäßige Anströmung des Ventilsitzes verbessert, sodass dessen mechanische Belastung sich sehr gleichmäßig über die gesamte Fläche des Ventilsitzes verteilt.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es dabei insbesondere vorgesehen sein, dass der Einströmraum über eine tangential in den Einströmraum mündende Zuleitung mit dem Volumen in dem Druckgasspeicher verbunden ist. Insbesondere eine solche tangentiale Einströmung des Gases in den Einströmraum ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Gases im gesamten Einströmraum. Die Gefahr, dass das Gas sich auf einem bevorzugten auf der Seite der Einströmöffnung befindlichen Weg in das Zwischenvolumen und von dort in die zentral im Bereich des Ventilsitzes liegende Abströmöffnung ausbreitet, wird hierdurch vermieden. Je gleichmäßiger verteilt das Gas strömt, desto geringer werden die örtlichen Belastungen des Materials des Ventilsitzes und des Ventilkörpers, bzw. insbesondere einer Dichtlippe des Ventilsitzes, falls eine solche vorhanden ist. Ferner führt dies auch zu einem geringeren Druckabfall über die gesamte Entnahmestrecke.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils sieht es dabei ferner vor, dass der engste durchströmbare Querschnitt für das in der Offen-Stellung des Entnahmekolbens abströmende Gas zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper in Strömungsrichtung des Gases nach dem Bereich des Ventilsitzes, in welchem dieser in der Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens mit dem Ventilkörper zusammenwirkt, angeordnet ist. Dieser engste durchströmbare Querschnitt innerhalb des Entnahmeventils liegt also bewusst in dem Ringspalt, welcher sich in der Offen-Stellung des Entnahmekolbens zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz ausbildet. Der Bereich des engsten durchströmbaren Querschnitts kontrolliert einerseits den Volumenstrom durch das Entnahmeventil. Andererseits baut sich in seinem Bereich ein Großteil des Druckabfalls und der turbulenten kinetischen Energie zwischen dem Einströmraum einerseits und dem Abströmraum andererseits auf. Die im Bereich des engsten durchströmbaren Querschnitts liegenden Materialien erfahren somit eine besonders hohe mechanische Belastung. Dadurch, dass diese nun in Strömungsrichtung nach dem Bereich des Ventilsitzes angeordnet sind, welcher in der Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens in abdichtendem Eingriff mit dem Ventilkörper steht, wird verhindert, dass dieser für die Dichtheit besonders sensible Bereich beschädigt wird. Der Bereich kann dabei insbesondere im Bereich einer Spitze des Entnahmekolbens, welche durch den Ventilsitz ragt, ausgebildet sein, um so die mechanische Belastung von dem kritischen Bereich des Ventilkörpers und Ventilsitzes fernzuhalten.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils in der Variante mit den Bohrungen in dem Zwischenelement kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass ein mit dem Entnahmekolben verbundener Führungsstift in eine der Bohrungen eingreift. Vor allem bei einer tangentialen Einströmung des Gases in den Einströmraum kann dies die zuletzt von dem umströmenden Gas erreichte Bohrung sein. Der Führungsstift, welcher zwischen dem Zwischenelement und dem Entnahmekolben wirkt, sorgt dafür, dass die Winkelposition des Entnahmekolbens und damit die Winkelposition des mit ihm verbundenen Ventilkörpers in Umfangsrichtung unverändert bleibt. Durch den Führungsstift wird also die Winkellage zwischen dem mit Ausnahme des Führungsstifts typischerweise rotationssymmetrisch ausgebildeten Entnahmekolben und dem Ventilsitz entsprechend fixiert. Durch diese Fixierung der Winkellage wird erreicht, dass immer dieselben Bereiche von Ventilkörper und Ventilsitz zusammenwirken. Da sich eventuelle Unebenheiten und Herstellungstoleranzen im Bereich des Ventilkörpers und des Ventilsitzes durch den zunehmenden Betrieb und das Zusammenwirken der Flächen aneinander anpassen, wird so, zumindest nach einer gewissen Nutzungsdauer des Entnahmeventils, eine verbesserte Abdichtung erreicht, da diese minimalen in der Fertigung nicht vermeidbaren Unebenheiten sich aneinander anpassen und so für eine verbesserte Abdichtung sorgen. Würde der Entnahmekolben frei rotieren können, dann würden immer unterschiedliche Stellen zusammenwirken, was die Dichtwirkung des Aufbaus verschlechtern würde.
Neben diesem Vorteil bei der Erzielung einer sehr guten Abdichtung durch eine Verhinderung der Rotation des Entnahmekolbens durch den Führungsstift wird durch das Eindringen des Führungsstifts in eine der Bohrungen erreicht, dass diese Bohrung unabhängig von der Position des Entnahmekolbens nicht oder nur entlang eines kleinen Spalts zwischen der Wandung der Bohrung und dem Führungsstift von dem Gas durchströmt werden kann. Eine der Bohrungen kann also an ihrer Funktion zur Leitung des Gases vom Einströmraum in das Zwischenvolumen weitgehend gehindert werden. Insbesondere bei einer tangentialen Einströmung des Gases in den Einströmraum wird das Gas sich um den gesamten Umfang des beispielsweise ringförmigen oder spiralförmigen Einströmraums verteilen. Insbesondere bei einem ringförmigen Einströmraum könnte es nun in der Praxis jedoch auch dazu kommen, dass ein Teil des Gases nicht dem tangentialen Impuls folgt, sondern in die unmittelbar neben der Mündung der Zuleitung befindliche Bohrung einströmt. In der Praxis wurde hierdurch die gewünschte Strömungsverteilung auf die einzelnen Bohrungen beeinträchtigt. Ein Teil des Gases würde entgegen der gewünschten Strömungsrichtung „abzweigen” und so den Aufbau eines gleichmäßigen gegebenenfalls mit leichtem Drall in das Zwischenvolumen einströmenden Gases stören. Dadurch, dass nun der Führungsstift diese eine besonders kritische Bohrung nutzen kann, wird einerseits die konstante Winkellage des Entnahmekolbens gegenüber dem Ventilsitz bei allen Hüben des Entnahmekolbens sichergestellt und andererseits wird durch den Führungsstift, welcher in allen Positionen des Entnahmekolbens zumindest teilweise in die Bohrung eindringt, diese besonders kritische Bohrung weitgehend blockiert, sodass von ihr keine negativen Einflüsse auf die Gleichverteilung der Strömung ausgehen können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Entnahmeventils kann der Ventilsitzträger und/oder der Ventilkörper aus einem Hochleistungskunststoff, insbesondere einem Hochleistungsthermoplast, ausgebildet sein. Dieser Einsatz eines Hochleistungskunststoffes, wie beispielsweise PEEK (Polyetheretherketon), PI (Polyimid), PAI (Polyamidimide) oder eines anderen Hochleistungskunststoffes ist von besonderem Vorteil. Diese Hochleistungskunststoffe haben eine Glasübergangs- und Schmelztemperatur, welche oberhalb der üblicherweise im Betrieb auftretenden Temperaturen liegt. Damit liegt in dem ganzen Temperaturbereich, in dem das Entnahmeventil betrieben wird, eine gleichmäßige und homogene Materialeigenschaft vor. Außerdem weisen die Hochleistungskunststoffe bei mechanischer Formbeständigkeit eine gewisse Restelastizität, insbesondere von ca. 3%, auf. Dies reicht aus, um eine sehr gute dichtende Anlage zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper zu gewährleisten. Dabei lassen die Kunststoffe sich sehr gut in der gewünschten Art und Weise bearbeiten. Die Bearbeitung kann beispielsweise durch Spritzprägen oder Sintern, insbesondere mit einer mechanischen Nachbearbeitung im Bereich des das Aktivierungsvolumen ausbildenden Hinterschnitts der Dichtlippe erfolgen. Außerdem weisen sie sehr gute Gleiteigenschaften, eine hohe Abriebfestigkeit und sehr gute mechanische Eigenschaften auf. Sie eignen sich deshalb ideal zur Ausgestaltung des Ventilsitzes und/oder Ventilkörpers gemäß der Erfindung. Insbesondere der Ventilsitz, welcher sofern vorhanden einstückig mit der Dichtlippe ausgebildet ist, ermöglicht durch den Einsatz derartiger Hochleistungskunststoffe einen sehr einfachen und effizienten Aufbau. Beispielsweise kann der Ventilsitz mit seiner Dichtlippe aus PEEK oder PI hergestellt sein. Er würde in diesem Fall idealerweise mit einem einstückig am Entnahmekolben angebrachten Ventilsitz zusammenwirken, welcher seinerseits aus dem Material des Entnahmekolbens, beispielsweise einem Stahlwerkstoff, wie insbesondere 1.4016IM, 1.4435 oder SUSF316L oder ebenfalls aus einem der genannten Hochleistungskunststoff hergestellt ist.
Wie bereits erwähnt, kann das Entnahmeventil dabei gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung als Pilotventil realisiert sein, wobei der Aufbau des erfindungsgemäßen Entnahmeventils prinzipiell ein derartiges Pilotventil nicht zwingend voraussetzt. Insbesondere kann der beschriebene Aufbau des Entnahmeventils auch als interne Hauptdichtung eines im Betankungspfad befindlichen Rückschlagventils integriert werden, wie es zum Beispiel im Befüllungspfad eines sogenannten On-Tank-Valves (OTV) oder in einem vorgeschalteten Tankeinfüllstutzen angewandt wird. Auch bei einem typischerweise vorhandenen zweiten Rückschlagventil, welches als Sicherheitsrückschlagventil ausgebildet ist, kann dieser Aufbau eingesetzt werden.
Die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Entnahmeventils treten bei einem Pilotventil jedoch verstärkt in den Vordergrund, insbesondere wenn das Pilotventil für einen Wasserstofftank, beispielsweise als OTV an einem Wasserstofftank in Form eines Druckgasspeichers ausgebildet ist. Die besonders guten Eigenschaften hinsichtlich der Abdichtung einerseits und hinsichtlich einer sehr hohen Zyklenfestigkeit bei hohen Durchgradienten bzw. Differenzdrücken andererseits stellen entscheidende Vorteile des erfindungsgemäßen Entnahmeventils dar, welche insbesondere bei seiner Ausgestaltung als Pilotventil für Wasserstofftanks zum Tragen kommen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Entnahmeventils ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezug auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug;
2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung durch eines möglichen Aufbaus eines Entnahmeventils in Form eines Pilotventils;
3 ein Ausschnitt um den Hauptventilsitz eines Entnahmeventils in einer möglichen Ausgestaltung gemäß der Erfindung;
4 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie IV-IV in 3;
5 eine Ausführung des Ventilsitzes gemäß 3 in einer Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens;
6 die Ausführung gemäß 5 in einer Offen-Stellung des Entnahmekolbens;
7 eine dreidimensionale Schnittdarstellung des Hauptdichtsitzes und des Zwischenelements in einer Explosionsdarstellung einer zweiten möglichen Ausführungsform des Entnahmeventils gemäß der Erfindung;
8 eine Ausführung des Ventilsitzes gemäß 7 in einer Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens;
9 die Ausführung gemäß 8 in einer Offen-Stellung des Entnahmekolbens;
10 eine vergrößerte Darstellung des Aktivierungsvolumens und des Dichtrings analog zur Darstellung in 8; und
11 eine dreidimensionale Ansicht des Ventilsitzträgers in einer alternativen Ausführungsform.
In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. In dem Fahrzeug 1 ist ein Druckgasspeicher 2 dargestellt, welcher Teil eines Speichersystems beispielsweise für komprimiertes Erdgas oder Wasserstoff sein kann. Der Druckgasspeicher bzw., wenn mehrere vorhanden sind, jeder der Druckgasspeicher, weist ein angedeutetes Ventil 3, typischerweise ein sogenanntes On-Tank-Valve (OTV) auf. Teil dieses Ventils 3 ist dabei ein Entnahmeventil 4 für das unter dem Überdruck in dem Druckgasspeicher 2 gespeicherte Gas. Dieses ist in der Darstellung der 1 nicht explizit zu erkennen, hierauf wird später jedoch noch näher eingegangen. Das entnommene Gas gelangt zu einem Energiewandler 5, welcher beispielsweise als Verbrennungsmotor oder als Brennstoffzelle ausgebildet sein kann. Er nutzt die in dem Gas gespeicherte Energie, um beispielsweise über eine Verbrennung in einem Hubkolbenmotor mechanische Energie bereitzustellen, oder um beispielsweise in einer Brennstoffzelle aus dem Gas und Sauerstoff aus der Umgebungsluft elektrische Energie zu erzeugen. Rein beispielhaft ist über einen mit 6 bezeichneten gestrichelten Pfeil dieser Energiefluss hin zu einem der Räder 7 dargestellt. Letztlich dient das in dem Druckgasspeicher 2 gespeicherte Gas also um Antriebsenergie für das Fahrzeug 1 bereitzustellen.
Das Entnahmeventil 4 selbst, welches beispielsweise analog zu dem eingangs genannten Stand der Technik in dem Ventil 3 angeordnet sein kann, ist in der Darstellung der 2 in einer möglichen Ausführungsform gemäß der älteren DE 10 2013 019 879 der Anmelderin in einer schematischen Schnittdarstellung dargestellt. Das Entnahmeventil 4 umfasst dabei eine Druckhülse 9, welche aus einem nicht magnetisierbaren Werkstoff, beispielsweise 1.4435 oder SUSF316L, hergestellt sein kann. Diese sogenannte Druckhülse ist an ihrem einen Ende verschlossen und steht an ihrem anderen Ende, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Dichtung abgedichtet, mit einem kreisringförmigen Einströmraum 10 in Verbindung, welcher über eine gestrichelt angedeutete Leitung 11 mit dem Inneren des Druckgasspeichers 2 verbunden ist. Über Spalte zwischen der Innenwandung der Druckhülse 9 und den darin eingebauten Bauteilen wird sich der Druck in der gesamten Druckhülse 9, zumindest nach einiger Zeit, ausgebreitet haben. Die Druckhülse 9 wird nun von einer auf einer Seite der Druckhülse 9 angedeuteten elektromagnetischen Spule 12 umgeben. Die Spule 12 weist außerdem einen magnetisierbaren Spulenjoch 13 auf, welcher in einem mittigen Bereich hinsichtlich der axialen Länge der Druckhülse 9 eine Unterbrechung 14 aufweist. Die Spule 12 und der Spulenjoch 13 mit der Unterbrechung 14 sind dabei bevorzugt rotations- oder spiegelsymmetrisch ausgebildet und um die rotationssymmetrisch ausgebildete Druckhülse 9 angeordnet.
In der Druckhülse 9 sind in der Darstellung der 2 von oben nach unten, also von der verschlossenen Seite der Druckhülse 9 zur offenen Seite der Druckhülse 9 hin, zuerst ein Kern 15 angeordnet, welcher aus magnetisierbarem Material besteht, beispielsweise 1.4016IM. An diesen Kern 15, welcher in die Druckhülse 9 eingepresst ist, schließt sich ein Anker 16 an, welcher beispielsweise aus dem gleichen Material gefertigt sein kann. Im Anschluss an den Anker 16 folgt ein Entnahmekolben 17, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus mehreren Teilen hergestellt ist. Er umfasst in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Hauptdichtung 18, welche mit einem Gegenelement 19, in diesem Fall einer ebenen Fläche, den ringförmigen mit dem Inneren des Druckgasspeichers 2 in Verbindung stehenden Einströmraum 10 gegenüber einem zentralen Abströmraum 20 in einem Ventilkörper 21 abdichtet, welche mit der Energiewandlereinheit mittelbar in Verbindung steht. Der Entnahmekolben 17 umfasst außerdem ein eingeschraubtes Zentralelement 21 sowie auf seiner dem Anker 16 zugewandten Seite ein Ring 22, welcher beispielsweise als Permanentmagnet, insbesondere jedoch aus magnetisierbarem Material, beispielsweise demselben Material wie der Anker 16 und der Kern 15, ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Rest des Entnahmekolbens 17 mit Ausnahme der Dichtungen 18 dann beispielsweise aus einem nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise dem Material der Druckhülse 9, ausgebildet werden. In dem dem verschlossenen Ende der Druckhülse 9 zugewandten Bereich des Entnahmekolbens 17 ist außerdem eine Pilotbohrung 23 zu erkennen, welche typischerweise als Bohrung mit sehr kleinem Durchmesser, beispielsweise einem Durchmesser von einigen 10 bis einigen 100 μm, ausgebildet ist. Sie ist mit einer Strömungsöffnung 8 in dem Entnahmekoben 17 verbunden. Diese Pilotbohrung 23 wird in dem in 2 dargestellten verschlossenen Zustand des Entnahmeventils 4 über ein Dichtelement 24 verschlossen, welches sich über eine Stange 25, welcher den Anker 16 und den Kern 15 durchragt, und ein Federelement 26 an dem verschlossenen Ende der Druckhülse 9 abstützt.
In der Darstellung der 2 ist der verschlossene Zustand des Entnahmeventils 4 dargestellt, bei welchem der Entnahmekolben 17 so positioniert ist, dass er den Einströmraum 10 gegenüber dem Abströmraum 20 abdichtet. Wird nun die Spule 11 mit einem Strom beaufschlagt, so kommt es zu einem magnetischen Fluss insbesondere in dem Spulenjoch 13. Die magnetischen Feldlinien können aufgrund der Lücke 14 in dem Spulenjoch 13 jedoch keinen geschlossenen Magnetkreis ausbilden. Sie werden daher durch das nicht magnetisierbare Material der Druckhülse 9 hindurch in das Material des Kerns 15 wandern. Dies ist durch einige punktierte Linien beispielhaft dargestellt. Sie versuchen dann einen Luftspalt 27 zwischen dem Kern 15 und dem Anker 16 zu überwinden, um über den Anker 16 hinweg wieder in den Spulenjoch zu gelangen. Da der Luftspalt 27 kleiner als die Lücke 14 ist, ist der eingezeichnete Weg der Magnetfeldlinien der bevorzugte. Um einen maximalen magnetischen Fluss sicherzustellen ist es dabei von Vorteil, wenn der Luftspalt 27 geschlossen wird. Durch die magnetische Kräfte wird der Anker 16 daher über das Dichtelement 24 und die Stange 25 abgestützt und gegen die Kraft des Federelements 26 in Richtung des Kerns 15 bewegt, wodurch der Luftspalt 27 geschlossen wird. Der Luftspalt 27, welcher im geöffneten Zustand typischerweise weniger als 0,7 mm an Spaltbreite aufweist, wird zu Null geschlossen, sodass der Anker 16 unmittelbar an dem Kern 15 anliegt. Dies begünstigt den bevorzugten maximal möglichen magnetischen Fluss.
Der Aufbau über das mit dem Anker 16 zusammenwirkende Dichtelement 24 sorgt dafür, dass einerseits die Kraft des Federelements 26 bei der Bewegung des Ankers überwunden werden muss. Andererseits kommt es durch die Bewegung des Ankers 16 zu einem Öffnen der Pilotbohrung 23, da das Dichtelement 24 von dieser abhebt. Wie bereits erwähnt herrscht im Inneren der Druckhülse 9 typischerweise derselbe Druck wie in dem Druckgasspeicher, also beispielsweise bei der Speicherung von Wasserstoff ca. 70 MPa Nenndruck. Da in dem Abströmraum 20, welcher zu dem Energiewandler 5 führt, kein Druck oder ein sehr viel niedrigerer Druck vorliegt, kommt es nach dem Öffnen der Pilotbohrung 23 zu einem Abströmen des in der Druckhülse 9 befindlichen Gases über eine zentrale Abströmöffnung 25 in dem Anker 16 und den mit dieser Abströmöffnung 25 über die Strömungsöffnung 8 korrespondierenden Abströmraum 20. Der Druck im Bereich Einströmraumes 10 kann gleich sein oder auch sehr viel höher als im Bereich der Druckhülse 9 oberhalb des Entnahmekolbens 17. Falls eine Druckdifferenz vorliegt, kann diese zusätzlich zur Magnetkraft ein Verschieben des Entnahmekolbens 17 aus der in 2 dargestellten Position nach oben begünstigen. Bei gleichen Drücken, also einem Differenzdruck von Null, wird der Entnahmekolben alleine durch die magnetische Kraft geöffnet bzw. offen gehalten. Schaltungen bei maximalem Differenzdruck werden insbesondere dadurch verhindert, dass der Druckausgleich einzig durch die aktiv geschaltete Pilotbohrung 23 erfolgt.
Das Verschieben des Entnahmekolbens 17 erfolgt dabei so lange, bis eine Schulter 28 des Entnahmekolbens 17 an einem entsprechenden Gegenanschlag 29 der Druckhülse 9 anschlägt und so die Hubbewegung des Entnahmekolbens 17 begrenzt. Die Hauptdichtung 18 ist dann von ihrem Gegenelement 19 abgehoben und gibt den gewünschten Querschnitt zur Entnahme von Gas aus dem Einströmraum 10 und über die Leitung 11 aus dem hier nicht dargestellten Druckgasspeicher 2 frei. Gleichzeitig kommt es entlang des Umfangs des Entnahmekolbens 17 zu einem Eindringen des Gases in den Bereich der Druckhülse 9, ebenso durch die Pilotöffnung 23. Es wird also nach kurzer Zeit ein wiederum ausgeglichenes Druckverhältnis herrschen.
Zum Betätigen des Ventils, also zum Öffnen, wird die Spule 12 entsprechend bestromt. Typischerweise ist dabei ein etwas größerer Strom notwendig, bis der Anker 16 losbricht. Um diesen zu halten, kann der Strom anschließend reduziert werden. Es stellt sich dann der soeben beschriebene Zustand ein. Soll das Entnahmeventil 4 wieder geschlossen werden, dann wird die Spule 12 stromlos geschaltet. Der Anker 16 und der Entnahmekolben 17 über seinen Ring 22 aus magnetischem Material fallen dann voneinander ab, wobei durch die Kraft des Federelements 26 die Pilotbohrung 23 durch das Dichtelement 24 entsprechend verschlossen wird. Damit stellt sich im Bereich der Druckhülse 9 wiederum der gleiche Druck wie im Bereich dem Abströmraum 20 ein, sodass sich aufgrund der Kraft des Federelements 26 wiederum der geschlossene in 2 dargestellte Zustand einstellt.
Der Hauptventilsitz mit der Hauptdichtung 18 und ihrem Gegenelement 19 ist dabei im Rahmen der genannten älteren deutschen Anmeldung nicht weiter relevant gewesen, sodass die Darstellung einen Hauptdichtsitz zeigt, welcher sowohl hinsichtlich der Lebensdauer als auch hinsichtlich der Dichtheit, insbesondere bei der Anwendung mit Wasserstoff, gegebenenfalls nicht optimal ist. Der weiterentwickelte Hauptsitz, welcher Gegenstand dieser Anmeldung ist, lässt sich nun in einem ersten Ausführungsbeispiel aus der Darstellung der 3 erkennen. In dem Ventilgehäuse 21 befindet sich wiederum der Abströmraum 20 sowie der Zuströmraum 10. Um eine zentrale Achse A weitgehend symmetrisch ist der Entnahmekolben 17 zu erkennen. In dem Ventilgehäuse 11 ist ein Ventilsitzträger 30 eingesetzt, welcher einen kegeligen Ventilsitz 31 aufweist, welcher eine mit dem Abströmraum 20 verbundene Öffnung zentral umgibt. Unter kegelig im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist, wie eingangs bereits erläutert, eine Kegelstumpfmantelfläche zu verstehen, oder auch zwei oder mehrere sich einander anschließende – gegebenenfalls im Übergang verrundete – Kegelstumpfmantelflächen, welche unterschiedliche Öffnungswinkel aufweisen. In dem Entnahmekolben 17 ist ein korrespondierender Ventilkörper 32 ausgebildet, welcher ebenfalls kegelig im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist. Als Alternative wäre auch ein leicht verrundeter Kegel oder ein kugeliges Element mit entsprechend großem Radius denkbar. Die Winkel der Kegel oder im Falle eines zu kugeligen Elements der Tangente im Bereich des Berührens zwischen dem Ventilsitz 31 und dem Ventilkörper 32 sind dabei nicht gleich sondern weichen voneinander ab. Der Ventilkörper 32 weist dabei vorzugsweise einen kleineren Öffnungswinkel (z. B. 90°) auf, als der den Ventilsitz 31 ausbildende Kegel (z. B. 100°). Hierdurch ist eine Linienanlage des Ventilkörpers 32 am Ventilsitz 31 gewährleistet, welche eine sehr hohe Flächenpressung und damit eine sehr gute Abdichtung ermöglicht. Der Ventilsitzträger 30 ist dabei vorzugsweise aus einem Hochleistungsthermoplast hergestellt, beispielsweise PEEK, PI oder PAI. Der gesamte Entnahmekolben 17 oder zumindest der Bereich, welcher den Ventilkörper 32 ausbildet, kann beispielsweise aus einem Stahlwerkstoff oder vorzugsweise ebenfalls aus einem vergleichbaren Hochleistungskunststoff ausgebildet sein. Diese Hochleistungskunststoffe haben dabei den Vorteil, dass sie eine Glasübergangstemperatur haben, welche oberhalb der üblicherweise im Betrieb auftretenden Temperaturen liegt. Damit liegt in dem ganzen Temperaturbereich, in dem das Entnahmeventil 4 betrieben wird, eine gleichmäßige und homogene Materialeigenschaft vor. Außerdem weisen die Hochleistungskunststoffe bei mechanischer Formbeständigkeit eine gewisse Restelastizität, insbesondere von ca. 3%, auf. Dies reicht aus, um eine sehr gute dichtende Anlage zwischen dem Ventilsitz 31 und dem Ventilkörper 32 zu gewährleisten. Hierdurch ist eine gute Abdichtung des Hauptventilsitzes des Entnahmeventils 4 möglich, insbesondere auch bei sehr hohen Nenndrücken und leicht flüchtigen Gasen, wie beispielsweise Wasserstoff bei einem Nenndruck von 70 MPa, was in der Praxis zu Drücken zwischen typischerweise 10 MPa und 105 MPa führen kann.
Der Einströmraum 10 ist bei dem in 3 dargestellten Aufbau nicht direkt mit dem Bereich des Ventilsitzes 31 verbunden. Vielmehr ist zwischen dem Einströmraum 10 und dem Ventilsitzträger 30 ein Zwischenelement 33 angeordnet. Dieses Zwischenelement 33 sitzt in seinem unteren Bereich auf dem Ventilsitzträger 30 auf und fixiert diesen in Richtung der Achse A, also in axialer Richtung des Entnahmeventils 4. Der in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kreisringförmig ausgebildete Einströmraum 10 ist über mehrere um den Umfang verteilte Bohrungen 34 in dem Zwischenelement 33, entgegen einer späteren mit E bezeichneten Strömungsrichtung des Wasserstoffs bei der Entnahme durch den Abströmraum 20, mit einem Zwischenvolumen 35 verbunden.
Dieses Zwischenvolumen 35 liegt oberhalb des Zwischenelements 33 zwischen diesem und einer entsprechenden Schulter 36 des Entnahmekolbens 17. In der Darstellung der 3 ist dabei zu erkennen, dass in die in der Darstellung der 3 linke Bohrung 34 ein Führungsstift 37 ragt. Dieser Führungsstift sorgt dafür, dass der Entnahmekolben 17, mit welchem der Führungsstift 37 fest verbunden ist, sich in seiner Winkelstellung nicht gegenüber dem Zwischenelement 33 und damit gegenüber dem durch das Zwischenelement 33 gehaltenen Ventilsitzträger 30 verdreht. Hierdurch wird eine besonders gute Abdichtung nach einer gewissen Betriebszeit des Entnahmeventils 4 möglich, da die Oberflächen des Ventilsitzes 31 und des Ventilkörpers 32 sich aneinander anpassen. Dadurch, dass die Winkelposition konstant gehalten wird, treffen immer dieselben Bereiche aufeinander, wodurch eine besonders gute und zuverlässige Abdichtung erzielt wird.
Über die Bohrung 34 wird das Gas, in diesem Fall der Wasserstoff, aus dem Einströmraum 10 also über diese Bohrungen 34 als Zwischenverbindung in das Zwischenvolumen 30 geleitet. Von dort gelangt der Wasserstoff über eine zentrale Öffnung 38 in dem Zwischenelement 33 als Verbindung des Zwischenvolumens 35 entlang des unteren Teils des Entnahmekolbens 17 in den Bereich des Ventilsitzes 31 und des Ventilkörpers 32. In der in 3 dargestellten Position kann das Gas dann zwischen dem Ventilsitz 31 und dem Ventilkörper 32 hindurchströmen und gelangt so in den Abströmraum 20 und kann dementsprechend gemäß dem mit E bezeichneten Pfeil nach unten abströmen.
Um eine möglichst gute Verteilung des Gases insbesondere in der als Verbindung dienenden Öffnung 38 in dem Zwischenelement 33 zu erreichen, strömt das Gas über eine in 4 erkennbare Zuleitung 39 gemäß dem mit Z bezeichneten Pfeil tangential in den Einströmraum 10 ein. Das Gas verteilt sich dann gleichmäßig auf die Bohrungen 34. In der Bohrung 34', welche entgegen der tangentialen Anströmung am nächsten an der Zuleitung 39 liegt, also an der Bohrung 34', zu welcher das Gas, wenn es tangential und umlaufend durch den Einströmraum 10 strömt, als letztes anlangt, ist idealerweise der Führungsstift 37 positioniert. Er blockiert diese Bohrung 34' damit zumindest weitgehend. Somit kann verhindert werden, dass Gas direkt von der Zuleitung 39 über eben diese Bohrung 34 in das Zwischenvolumen 35 strömt. Hierdurch wird eine sehr gute und gleichmäßige Verteilung des Gases auf die einzelnen Bohrungen 34 erzielt. Dies kann prinzipiell durch eine spiralförmige Ausgestaltung, also eine in Strömungsrichtung sich im Querschnitt verringernde Größe des Einströmraums 10 nochmals verbessert werden. Über die Bohrungen 34 gelangt das Gas dann idealerweise mit einem leichten Drall im Bereich des Zwischenvolumens 35 an. Es strömt dort gleichmäßig über die Kante durch die als Verbindung dienende Öffnung 38 nach unten und strömt entlang des Entnahmekolbens 17 durch den Spalt zwischen dem Ventilsitz 31 und dem Ventilkörper 32, wenn dieser geöffnet ist, aus dem Entnahmeventil 4 ab.
In den Darstellungen der 5 und 6 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus dem Bereich des Ventilsitzes 31 und des Ventilkörpers 32 in der Ausgestaltung gemäß 3, einmal in einer Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens 17 in 5 und analog hierzu in einer Offen-Stellung des Entnahmekolbens 17 in 6 zu erkennen. Deutlich ist hier die besonders bevorzugte kegelige Ausgestaltung des Ventilkörpers 32 des Entnahmekolbens 17 mit zwei in einem Winkel zueinander angeordneten Kegelstumpfmantelflächen zu erkennen. Der Ventilsitzträger 30 mit dem Ventilsitz 31 ist mit dem umgebenden Material des Ventilkörpers 21 verpresst und wird durch das Zwischenelement 33 gehalten. Das Zwischenelement 33 weist außerdem eine sogenannte Beißkante auf, welche als vorstehende Dichtkante 40 realisiert ist. Da das Zwischenelement 33 typischerweise aus einem Stahlmaterial besteht, wird sich diese in den Hochleistungskunststoff des Ventilsitzträgers 30 eindrücken und sorgt so für eine Abdichtung, sodass Gas aus dem Einströmraum 10 nicht entlang eines eventuellen Spalts zwischen dem Ventilgehäuse 21 und dem Zwischenelement 33 auf diesem Weg in den Bereich des Ventilsitzes 31 gelangen kann.
Der Ventilsitz 31 in der hier dargestellten Ausgestaltung weist nun außerdem eine Dichtlippe 41 auf. Diese Dichtlippe 41 ist über das Material des Ventilsitzträgers 30 in Richtung des Entnahmekolbens 17 überstehend ausgebildet. Zwischen der Dichtlippe 41 und dem Zwischenelement 33 verbleibt ein in 5 und 6 mit 42 bezeichneter Spalt. Durch diesen Spalt 42 kann in dem in 5 dargestellten geschlossen Zustand des Entnahmeventils 4 unter Druck stehender Wasserstoff in den Bereich eines Aktivierungsvolumens 43 um die Dichtlippe 41 eindringen. Er hilft damit die Dichtlippe 41 in Richtung des Ventilkörpers 32 zu drücken und verbessert somit die Abdichtung. Man spricht hierbei auch von einer Druckaktivierung. Um einer Schädigung der Dichtlippe 41 durch den gegebenenfalls mit hoher Druckdifferenz anstehenden und mit hoher Strömungsgeschwindigkeit anströmenden Wasserstoff zu schützen, weist das Zwischenelement 33 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel außerdem einen mit 44 bezeichneten Vorsprung auf, welcher die Dichtlippe und zumindest die Öffnung des Spalts 42 aus Richtung des ausströmenden Gases gesehen verdeckt, um so ein Eindringen von strömendem Gas in diesen Bereich weitgehend zu verhindern. Hierdurch wird die Belastung der Dichtlippe 41 entsprechend reduziert, sodass die Dichtlippe 41 eine hohe Lebensdauer erreicht.
In der Darstellung der 6 ist analog zur Darstellung der 5 die Offen-Stellung des Entnahmekolbens 17 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich zwischen dem Ventilsitz 31 und dem den Ventilkörper 32 bildenden Teil des Entnahmekolbens 17 ein Ringspalt ausbildet, durch welchen das Gas in der hier wiederum gezeigten Entnahmerichtung E in den mit 20 bezeichneten Abströmraum abströmen kann. Ansonsten ist der Aufbau vergleichbar zu der in 5 bereits erläuterten Art und Weise aufgebaut, sodass hier auch nicht nochmals alle Bauteile mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen und im Detail erläutert sind.
Der geringste durchströmbare Querschnitt in der Offen-Stellung des Entnahmeventils 4 ergibt sich bei dem gezeigten Aufbau in dem in 6 mit x bezeichneten Bereich, neben der unteren Spitze des Entnahmekolbens 17 in der Darstellung der Figuren. Dieser Bereich liegt in Strömungsrichtung E des abströmenden Wasserstoffs nach dem eigentlichen Ventilsitz 31 und dem den Ventilkörper 32 ausbildenden Teil des Entnahmekolbens 17. Da sich in diesem Bereich des engsten Querschnitts der größte Druckabbau einstellt, ist dieser Bereich mechanisch sehr belastet. Es ist daher von entscheidendem Vorteil, diesen in Strömungsrichtung nach dem Ventilsitz 31 und Ventilkörper 32 anzuordnen, sodass die mechanische Belastung des Materials aufgrund des großen Druckabfalls in diesem Bereich x nicht für eine Beeinträchtigung der Dichtheit des Entnahmeventils 4 sorgt.
In der Darstellung der 7 ist eine Explosionsdarstellung eines dreidimensionalen Schnitts durch die Bauteile des Hauptventilsitzes des Entnahmeventils 4 in einer alternativen Ausführung dargestellt. Oben ist ein Teil des Entnahmekolbens 17 zu erkennen, welcher wiederum den Führungsstift 37 aufweist, welcher mit diesem fest verbunden, beispielsweise verpresst, ist. Im unteren Bereich des Entnahmekolbens 17 ist wiederum mit 32 bezeichnet der Teil erkennbar, welcher den Ventilkörper 32 ausbildet. In der Darstellung der 7 ganz unten ist der Ventilsitzträger 30 zu erkennen. Der eigentliche Ventilsitz 32 wird auch hier wiederum von einem Bereich gebildet, welcher kegelig innerhalb einer Dichtlippe 41 ausgebildet ist, wobei die Dichtlippe, und hier liegt der Unterschied gegenüber der Darstellung der 3 bis 5, hier andersartig ausgebildet ist. Die Dichtlippe ist in dem der zentralen Achse A zugewandten Bereich kegelig ausgebildet, und auf der gegenüberliegenden Seite mit einer senkrechten Wandung versehen. Im unteren Bereich ist ein beispielsweise kreisringförmiger Einstich 45 angeordnet, um so das Aktivierungsvolumen 43 in diesem Bereich zu vergrößern und die Wandstärke der Dichtlippe 41 zu verringern. Damit lassen sich eine noch bessere Druckaktivierung und damit eine noch bessere Abdichtung erzielen.
Das Zwischenelement 33, welches in der Explosionsdarstellung in der Mitte des Aufbaus zu erkennen ist, ist im Wesentlichen analog zum zuvor beschriebenen Zwischenelement 33 mit den Bohrungen 34, welche das Gas von einem hier nicht erkennbaren aber vergleichbar aufgebauten Einströmraum 10 in Richtung des Zwischenvolumens 35 nach oben leiten. Durch die zentrale Öffnung 38 strömt das Gas dann wiederum entlang des Entnahmekolbens 17 in Richtung des Ventilsitzträgers 30 ab. Auch hier befindet sich ein Vorsprung 44 in dem Zwischenelement 33, welcher ebenfalls zur Abschirmung der Dichtlippe 41 ausgebildet ist. Da die Dichtlippe 41 in der Ausgestaltung gemäß den 7 bis 9 durch den Einstich 45 empfindlicher wird, ist über den Vorsprung 44 gemäß der Ausgestaltung gemäß den 7 bis 9 eine vollständige Abdeckung und damit eine vollständige Abschirmung der Dichtlippe 41 von den anströmenden Gasen erzielt. Der Vorsprung 44 ragt also bei dem Zwischenelement 33 in dem Aufbau der 7 bis 9 etwas weiter in Richtung des Entnahmekolbens 17 hervor, als bei den zuvor beschriebenen 3 bis 6. Ansonsten ist die Funktionalität weitgehend dieselbe.
In der vergrößerten Schnittdarstellung der 8 ist wiederum die Geschlossen-Stellung des Entnahmeventils in einem vergrößerten Ausschnitt analog zu dem in den 5 zu erkennen. Hierin ist deutlich zu erkennen, dass der Vorsprung 44 die Dichtlippe 41 vollständig abschirmt. Das Zwischenelement 33 kann auch hier wieder die Dichtkante 40, insbesondere als Beißkante, aufweisen. Das Aktivierungsvolumen 43, welches bei dem Aufbau gemäß der 7 bis 9 deutlich größer ausfällt als bei dem zuvor beschriebenen Aufbau, ist wiederum über einen schmalen Spalt 42 zwischen dem Vorsprung 44 und dem Material des Zwischenelements 33 sowie der Dichtlippe 41 mit dem den Wasserstoff unter Druck führenden Bereich entsprechend verbunden. Dem Erfinder hat sich nun gezeigt, dass dieser Aufbau in der Praxis nicht ganz unkritisch ist, da immer wieder Beschädigungen der Dichtlippe 41 aufgetreten sind. Die Druckaktivierung ist hier zwar besser, sodass eine verbesserte Abdichtung erzielt werden kann.
Schäden im Bereich der Dichtlippe 41 sind jedoch unvermeidbar gewesen.
Der Erfinder hat nun erkannt, dass hierfür offensichtlich die Größe des Aktivierungsvolumens 43 von entscheidender Bedeutung ist. Er hat deshalb in den Bereich des Aktivierungsvolumens 43 ein Dichtmaterial in Form eines Dichtrings 46 eingelegt. Dieser Dichtring 46 besteht einerseits aus einem nach Möglichkeit elastischen Material, um so besonders leicht montiert werden zu können, und andererseits aus einem dekompressionsexplosionsstabilen Material. Er kann beispielsweise aus NBR oder FKM ausgebildet sein. Der Dichtring 46 hat dabei nicht die Aufgabe irgendeine Abdichtung zu übernehmen. Die Abdichtung des Hauptventilsitzes erfolgt weiterhin zwischen dem Ventilkörper 32 und dem Ventilsitz 31. Die Abdichtung gegenüber einem unerwünschten Einströmen von Gas über die Spalte aus dem Einströmraum 10 direkt in den Bereich hinter der Dichtlippe bzw. in den Bereich des Aktivierungsvolumens wird durch die Dichtkante 40 erreicht. Der Dichtring 46 hat die primäre Aufgabe, das freie Volumen innerhalb des Aktivierungsvolumens 43 so weit zu verringern, dass aus dem Aktivierungsvolumen 43 abströmendes Gas für die Dichtlippe 41, auch unmittelbar nach der Öffnung des Entnahmekolbens 17, unkritisch bleibt, da die Gasmenge entsprechend verringert wird. Der Dichtring 46 sollte deshalb vorzugsweise sehr weich und mit einer geringen Nutfüllung, insbesondere mit einem Nutfüllgrad von weniger als 65%, ausgebildet sein. Das so neben dem Dichtring 46 im Bereich des Aktivierungsvolumens 43 verbleibende freie Volumen kann entsprechend schnell mit Gas gefüllt werden. Durch den Druck auf die Dichtlippe 41 direkt und insbesondere mittelbar über das Material des Dichtrings 46 wird so die Abdichtung nachhaltig verbessert. In der Darstellung der 10 ist dies in einem vergrößerten Beispiel mit entsprechend verformtem Dichtring 46 durch das in das Aktivierungsvolumen 43 einströmende Gas dargestellt. Der Dichtring 46 hilft dabei die Druckkraft großflächig auf die dem Ventilsitz 31 gegenüberliegende Seite der Dichtlippe 41 zu übertragen, um so durch eine ringförmige elastische Verformung der Dichtlippe 41 in Richtung des Entnahmekolbens 17 bzw. Ventilkörpers 32 die Abdichtung entsprechend zu verbessern.
Bei den statischen Bedingungen, wie sie in der Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens 17 herrschen, reicht das freie Restvolumen zur Druckaktivierung aus, insbesondere mit der durch den Einstich 45 vergrößerten Elastizität der Dichtlippe 41. Hierdurch lassen sich sehr gute Ergebnisse erzielen, und es kann auch mit der vergleichsweise empfindlichen Dichtlippe 41 in dem Aufbau gemäß der 7 bis 11 eine sehr hohe Lebensdauer bei einer außerordentlich guten Abdichtung des Entnahmeventils 4 erzielt werden.
In der Darstellung der 9 ist der in 8 gezeigte Aufbau erneut in der Offen-Stellung des Entnahmekolbens 17 dargestellt. Auch hier ist wieder zu erkennen, dass der geringste Querschnitt x, welchen das Gas beim Durchströmen des Aufbaus durchströmen muss, in Strömungsrichtung E des abströmenden Gases nach dem Bereich des Ventilsitzes 31 und des Ventilkörpers 32 angeordnet ist, um die oben bereits beschriebenen Vorteile zu erzielen.
Damit das Gas einerseits sehr schnell und gezielt in den Bereich des Aktivierungsvolumens 43 und des Dichtrings 46 gelangen kann und um beim Öffnungsvorgang das im Aktivierungsvolumen 43 befindliche Gas schnell und gezielt, ohne eine Belastung der Dichtlippe 41 zu entlasten, kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass in der Dichtlippe 41 Verbindungsöffnungen 47 vorgesehen sind, welche in der dreidimensionalen Darstellung der 11 zu erkennen sind. Diese auch als „Notches” bezeichneten Verbindungsöffnungen können dabei wie hier dargestellt nutartig ausgebildet sein. Es wäre auch denkbar, diese in Form von Bohrungen, einer Spiralnut oder ähnlichem auszubilden. Sie helfen dabei einerseits bei der Befüllung des Aktivierungsvolumens 43 und andererseits bei einem gezielten und für die Dichtlippe 41 unschädlichen Abströmen des Gases aus dem Aktivierungsvolumen 43 im Falle des Öffnens des Entnahmekolbens 17. Sie sind dabei strömungsgünstig so verlegt, dass sie den nominellen Weg des strömenden Gases nicht beeinflussen und hier keine Verwirbelungen verursachen. Bei dem beschriebenen Aufbau können sie insbesondere im Strömungsschatten des Vorsprungs 44 angeordnet sein. Sie ermöglichen dabei anders als bei dem bisher beschriebenen und auch denkbaren Übertritt des Gases durch den Spalt 42 einen schnelleren und gezielteren Austausch des Gases im dem Aktivierungsvolumen 43.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1682801 B1 [0002]
US 2014/0166915 A1 [0004]
US 2003/0151018 A1 [0004]
DE 102013019879 [0042]

Claims

Entnahmeventil (4) für ein unter Überdruck stehendes Gas aus einem Druckgasspeicher (2), mit einem Ventilsitzträger 30, welcher einen kegligen, zentral in einen Abströmraum (20) mündenden Ventilsitz (31) aufweist, mit einem Entnahmekolben (17), welcher zumindest mittelbar über eine elektromagnetische Spule (12) in seiner axialen Richtung bewegbar ist, und welcher einen mit dem Ventilsitz (31) zusammenwirkenden Ventilkörper (32) umfasst, und mit einem Einströmraum (10) für das unter Druck stehende Gas, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmraum (10) ganz oder teilweise umlaufend um eine zentrale Achse (A) des Entnahmekolbens (17) ausgebildet und in axialer Richtung des Entnahmekolbens (17) entgegen einer Strömungsrichtung (E) des Gases in einer Offen-Stellung des Entnahmekolbens (17) zwischen dem Ventilsitz (31) und dem Ventilkörper (32) über eine Zwischenverbindung (Bohrungen 34) mit einem Zwischenvolumen (35) verbunden ist, welches seinerseits eine Verbindung (Öffnung 38) mit dem Bereich aufweist, in dem der Ventilsitz (31) und der Ventilkörper (32) zusammenwirken.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als zentrale Öffnung (38) um den Entnahmekolben (17) ausgebildet ist.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenverbindung über mehrere Bohrungen (34) in einem ringförmigen Zwischenelement (33) ausgebildet sind.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzträger (30) über das Zwischenelement (33) in axialer Richtung gehalten ist.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (33) in dichtendem Eingriff mit einem den Ventilsitz (32) umgebenden Bereich des Ventilsitzträgers (30) steht, wozu das Zwischenelement (33) insbesondere eine in Richtung des Ventilsitzträgers (30) vorstehende Dichtkante (40) aufweist.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der als Ventilkörper (32) ausgebildete Teil des Entnahmekolbens (17) kegelig ausgebildet ist, und dass der Ventilsitz (31) kegelig ausgebildet ist, wobei die Öffnungswinkel der Kegel des Ventilkörpers (32) und des Ventilsitzes (31) voneinander abweichen.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Ventilkörper (32) zusammenwirkende Teil des Ventilsitzträgers (30) eine in axialer Richtung in Richtung des Zwischenvolumens (35) überstehende Dichtlippe (41) als Teil des Ventilsitzes (32) aufweist.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (41) in Richtung (E) des bei der Entnahme strömenden Gases gesehen teilweise oder vorzugsweise ganz hinter einem Vorsprung (44) liegt.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (44) in dem Zwischenelement (33) ausgebildet ist.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass um die Dichtlippe (41) ein Aktivierungsvolumen (43) angeordnet ist, welches mit dem unter Druck am Ventilkörper (32) und Ventilsitz (31) in der Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens (17) anstehenden Gas, insbesondere über einen Spalt (42) zwischen dem Vorsprung (44) und der Dichtlippe (41), verbunden ist.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsvolumen (43) durch wenigstens eine Verbindungsöffnung (47) im Bereich der Dichtlippe (41) eine gezielte Verbindung zu dem Bereich des anstehenden Gases aufweist.
Entnahmeventil (4) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Aktivierungsvolumen (43) ein Dichtmaterial (46), insbesondere in Form eines Dichtrings (46), angeordnet ist.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmraum (10) ringförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet ist.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmraum (10) spiralförmig ausgebildet ist.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmraum (10) über eine tangential in den Einströmraum (10) mündende Zuleitung (39) mit dem Volumen in dem Druckgasspeicher (2) verbunden ist.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der engste durchströmbare Querschnitt (x) für das in der Offen-Stellung des Entnahmekolbens (17) abströmende Gas zwischen dem Ventilsitz (31) und dem Ventilkörper (32) in Strömungsrichtung des Gases (E) nach dem Bereich des Ventilsitzes (31), in welchem dieser in der Geschlossen-Stellung des Entnahmekolbens (17) mit dem Ventilkörper (32) zusammenwirkt, angeordnet ist.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Entnahmekolben (17) verbundener Führungsstift (37) in eine der Bohrungen (34), insbesondere in die bei tangentialer Einströmung des Gases in den Einströmraum (10) zuletzt von dem Gas erreichte Bohrung (34), eingreift.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzträger (30) und/oder der Entnahmekolben (17), zumindest im Bereich des Ventilkörpers (32) aus einem Hochleistungskunststoff, insbesondere einem Hochleistungsthermoplast, ausgebildet sind.
Entnahmeventil (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Pilotventil, insbesondere für einen Wasserstofftank als Druckgasspeicher (2).