EP1063466A1 - Pressure limiting valve - Google Patents
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- EP1063466A1 EP1063466A1 EP00810445A EP00810445A EP1063466A1 EP 1063466 A1 EP1063466 A1 EP 1063466A1 EP 00810445 A EP00810445 A EP 00810445A EP 00810445 A EP00810445 A EP 00810445A EP 1063466 A1 EP1063466 A1 EP 1063466A1
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a pressure relief valve according to the preamble of the independent claim.
Druckbegrenzungsventile werden beispielsweise in Gasbetankungsanlagen benötigt, mit denen mobile Druckbehälter, wie z. B. der Vorratsbehälter eines gasbetriebenen Kraftfahrzeugs, mit Gas befüllt werden. Solche Gasbetankungsanlagen umfassen typischerweise einen stationären, mit komprimiertem Gas gefüllten Speicherbehälter sowie eine Abgabevorrichtung, um diesen Speicherbehälter mit dem mobilen Vorratsbehälter zu verbinden, sodass das Gas aus dem Speicherbehälter in den mobilen Vorratsbehälter strömen kann.Pressure relief valves are used, for example, in gas refueling systems needed with which mobile pressure vessels such. B. the reservoir one gas-powered motor vehicle to be filled with gas. Such Gas refueling systems typically include a stationary, with compressed gas-filled storage tank and a Dispensing device to this storage container with the mobile Connect the storage container so that the gas from the storage container in can flow the mobile storage container.
Vor allem komprimiertes Erdgas gewinnt als alternativer Brennstoff für Kraftfahrzeuge zunehmend an Bedeutung. Um mit Erdgas betriebenen Kraftfahrzeugen eine befriedigende Reichweite zu ermöglichen und gleichzeitig die Abmessungen des Vorratsbehälters im Kraftfahrzeug in vernünftigen Grenzen zu halten, werden diese Vorratsbehälter typischerweise bis auf Drücke von etwa 200 bar bezogen auf eine Referenztemperatur von 15°C befüllt. Hierzu sind Betankungsverfahren und -anlagen entwickelt worden, die ein sehr einfaches und rasches Betanken solcher Kraftfahrzeuge - vergleichbar mit dem Betanken von Benzin - ermöglichen. Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Gasbetankungsanlage ist beispielsweise in der EP-A-653 585 detailliert beschrieben. Compressed natural gas in particular wins as an alternative fuel for Motor vehicles are becoming increasingly important. To run on natural gas To allow motor vehicles a satisfactory range and at the same time the dimensions of the storage container in the motor vehicle in Keeping these limits reasonable will be these reservoirs typically down to pressures of about 200 bar Filled reference temperature of 15 ° C. Refueling procedures and systems have been developed which make refueling very simple and quick such motor vehicles - comparable to the refueling of gasoline - enable. Such a method or such Gas refueling system is detailed, for example, in EP-A-653 585 described.
Ein Problem bei Gasbetankungsanlagen besteht darin, dass für den Enddruck, bis auf welchen der mobile Vorratsbehälter befüllt wird, die Aussentemperatur, die bei der Betankung herrscht, berücksichtigt werden muss. Geht man nämlich davon aus, dass dieser Enddruck bei einer Referenztemperatur von 15°C ungefähr 200 bar betragen soll, so ist es klar, dass bei einer Aussentemperatur von weniger als 15°C der Enddruck, bei dem die Betankung beendet wird, weniger als 200 bar betragen muss, um zu gewährleisten, dass bei einem Ansteigen der Aussentemperatur in dem mobilen Vorratsbehälter kein unzulässig hoher Druck entsteht. Umgekehrt kann bei einer Aussentemperatur von mehr als 15°C bis zu einem Enddruck von mehr als 200 bar betankt werden, ohne das die Gefahr eines zu hohen Drucks im Vorratsbehälter entsteht.A problem with gas refueling systems is that for the Final pressure up to which the mobile storage container is filled, the Outside temperature that prevails during refueling must be taken into account got to. If you assume that this final pressure at a Reference temperature of 15 ° C should be approximately 200 bar, so it is clear that at an outside temperature of less than 15 ° C the final pressure at which the refueling is terminated must be less than 200 bar in order to ensure that when the outside temperature rises in the mobile storage container there is no impermissibly high pressure. Vice versa can with an outside temperature of more than 15 ° C up to a final pressure of more than 200 bar can be filled without the risk of being too high Pressure in the reservoir.
Zwar ist es möglich, die Schwankungen der Aussentemperatur über Temperatursensoren zu erfassen und dann mittels geeigneter Regelvorrichtungen den korrekten, temperaturkorrigierten Enddruck für die Betankung zu realisieren, jedoch sind solche Verfahren relativ aufwendig. Es ist deshalb wünschenswert, ein Druckbegrenzungsventil zur Verfügung zu haben, das selbständig solche Temperaturschwankungen berücksichtigt.While it is possible to over fluctuations in the outside temperature Detect temperature sensors and then use suitable Control devices the correct, temperature-corrected final pressure for the Realizing refueling, however, such procedures are relatively complex. It it is therefore desirable to have a pressure relief valve available have such temperature fluctuations independently.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein möglichst einfaches Druckbegrenzungsventil bereitzustellen, welches selbsttätig den Grenzdruck, bei dem es öffnet bzw. schliesst, in Abhängigkeit von der Temperatur verändert.It is therefore an object of the invention to be as simple as possible To provide pressure relief valve, which automatically the limit pressure, at which it opens or closes depending on the temperature changed.
Das diese Aufgaben lösende Druckbegrenzungsventil ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gekennzeichnet.The pressure relief valve solving these tasks is characterized by the features of the independent claim.
Erfindungsgemäss wird also ein Druckbegrenzungsventil vorgeschlagen mit einem Einlass und einem Auslass für ein Fluid, mit einem Ventilkörper, der so mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, dass er beim Erreichen eines Grenzdrucks eine Strömungsverbindung für das Fluid zwischen dem Einlass und dem Auslass öffnet oder verschliesst, sowie mit einem Federelement, welches auf den Ventilkörper einwirkt und diesen belastet, wobei ferner ein Behälter für eine Flüssigkeit vorgesehen ist, welcher so angeordnet und ausgestaltet ist, dass die Flüssigkeit durch ihre thermische Dehnung die von dem Federelement bewirkte Belastung des Ventilkörpers und damit den Grenzdruck in Abhängigkeit von der Temperatur der Flüssigkeit ändert.According to the invention, a pressure relief valve is therefore also proposed an inlet and an outlet for a fluid, with a valve body so interacts with a valve seat that it reaches when a Limit pressure is a flow connection for the fluid between the inlet and opens or closes the outlet, as well as with a spring element, which acts on the valve body and loads it, also a A container for a liquid is provided, which is arranged and is designed so that the liquid due to its thermal expansion the spring element caused stress on the valve body and thus the Limit pressure changes depending on the temperature of the liquid.
Die Flüssigkeit in dem Behälter ändert aufgrund ihrer thermischen Dehnung ihr Volumen. Steigt beispielsweise die Temperatur der Flüssigkeit, so nimmt ihr Volumen zu. Durch diese Volumenzunahme wird das Federelement komprimiert, wodurch sich die von dem Federelement bewirkte Belastung des Ventilkörpers erhöht. Somit erhöht sich auch der Grenzdruck, bei welchem das Druckbegrenzungsventil schliesst bzw. öffnet. Umgekehrt verkleinert die Flüssigkeit ihr Volumen bei einer Abnahme der Temperatur. Dadurch wird das Federelement etwas entspannt und die Belastung des Ventilkörpers reduziert sich. Folglich sinkt der Grenzdruck, bei welchem das Ventil schliesst oder öffnet. Somit ändert das Druckbegrenzungsventil selbsttätig seinen Grenzdruck in Abhängigkeit von der Temperatur, wodurch in einfacher Weise eine temperaturabhängige Druckbegrenzung ermöglicht wird.The liquid in the container changes due to its thermal expansion their volume. For example, if the temperature of the liquid rises, it decreases their volume too. This increase in volume makes the spring element compressed, which causes the loading of the spring element Valve body increased. This also increases the limit pressure at which the pressure relief valve closes or opens. Conversely, reduces the Liquid its volume with a decrease in temperature. This will the spring element slightly relaxed and the load on the valve body is reduced. Consequently, the limit pressure at which the valve drops closes or opens. Thus, the pressure relief valve changes automatically its limit pressure depending on the temperature, which makes it easier How a temperature-dependent pressure limitation is made possible.
Vorzugsweise ist der Behälter für die Flüssigkeit als Hohlzylinder ausgestaltet und umfasst einen beweglichen Druckkolben, der sich einerseits auf dem Federelement abstützt, und der andererseits von dem Druck der Flüssigkeit beaufschlagt wird.The container for the liquid is preferably a hollow cylinder designed and includes a movable plunger, the one hand is supported on the spring element, and on the other hand from the pressure of the Liquid is applied.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform führt die innere Wandung des Hohlzylinders den Druckkolben, das heisst der Innendurchmesser des Hohlzylinders ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Druckkolbens. Der bewegliche Druckkolben bildet eine Begrenzungsfläche des Volumens, das der Flüssigkeit im Innern des Hohlzylinders zur Verfügung steht.In a first preferred embodiment, the inner wall of the Hollow cylinder the pressure piston, that is the inner diameter of the Hollow cylinder is essentially equal to the diameter of the Pressure piston. The movable pressure piston forms a boundary surface of the volume of the liquid inside the hollow cylinder Available.
In einer zweiten bevorzugten, besonders kompakten Ausführungsform ist ein innerer Zylinder vorgesehen, der koaxial in dem Hohlzylinder angeordnet ist, wobei der Druckkolben in dem inneren Zylinder vorgesehen ist und von diesem geführt wird, und wobei der innere Zylinder eine Öffnung aufweist, sodass die Flüssigkeit auf den Druckkolben einwirken kann.In a second preferred, particularly compact embodiment, a provided inner cylinder which is arranged coaxially in the hollow cylinder, wherein the pressure piston is provided in the inner cylinder and from this is guided, and wherein the inner cylinder has an opening, so that the liquid can act on the pressure piston.
Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des Druckkolbens grösser als die vom Druck des Fluids beaufschlagte wirksame Querschnittsfläche des Ventilkörpers. Diese Massnahme hat nämlich den Vorteil, dass der Druck der Flüssigkeit in dem Behälter deutlich kleiner gewählt werden kann als der Grenzdruck, bei welchem das Ventil schliesst bzw. öffnet.The cross-sectional area of the pressure piston is preferably larger than that effective cross-sectional area of the Valve body. This measure has the advantage that the pressure of the Liquid in the container can be chosen significantly smaller than that Limit pressure at which the valve closes or opens.
Gemäss einer Weiterentwicklung des erfindungsgemässen Druckbegrenzungsventils sind Mittel für einen thermischen Kontakt zwischen dem Fluid und der Flüssigkeit vorgesehen, sodass die Flüssigkeit in dem Behälter im wesentlichen die gleiche Temperatur hat wie das Fluid. Dazu kann beispielsweise in dem Behälter eine Druckleitung vorgesehen sein, welche von der Flüssigkeit umgeben ist und durch welche das Fluid hindurchströmt. Nach dem Prinzip des Wärmetauschers nimmt dann die Flüssigkeit die gleiche Temperatur an wie das Fluid. Folglich ändert die Flüssigkeit den Grenzdruck des Druckbegrenzungsventils in Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des Fluids.According to a further development of the inventive Pressure relief valves are a means for thermal contact between the fluid and the liquid provided so that the liquid in the Container is at substantially the same temperature as the fluid. To For example, a pressure line can be provided in the container, which is surrounded by the liquid and through which the fluid flows through. Then takes on the principle of the heat exchanger Liquid at the same temperature as the fluid. Hence the changes Liquid depending on the limit pressure of the pressure relief valve from the current temperature of the fluid.
Vorzugsweise umfasst der Behälter Einstellmittel, um das für die Flüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen zu verändern. Diese Einstellmittel dienen zur Justierung bzw. zur Kalibrierung des Druckbegrenzungsventils. Die Einstellmittel umfassen beispielsweise einen an den Innendurchmesser des hohlzylindrischen Behälters angepassten Justierkolben, dessen Position über eine Einstellschraube veränderbar ist. Durch Drehen der Einstellschraube lässt sich der Justierkolben entlang der Längsachse des Hohlzylinders verschieben, wodurch sich das der Flüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen verändern lässt. Zur Justierung des Druckbegrenzungsventils wird bei einer bekannten Referenztemperatur die Position des Justierkolbens und damit die Spannung des Federelements so lange verändert, bis der zu dieser Referenztemperatur gehörende Grenzdruck erreicht ist.Preferably, the container comprises adjustment means for that for the liquid change available volumes. These adjustment means are used for adjustment or calibration of the pressure relief valve. The Adjustment means include, for example, one on the inside diameter of the Hollow cylindrical container adjusted adjusting piston, its position over an adjusting screw is changeable. By turning the adjusting screw the adjusting piston can be moved along the longitudinal axis of the hollow cylinder move, whereby the liquid is available Volume changes. To adjust the pressure relief valve at a known reference temperature, the position of the adjusting piston and so that the tension of the spring element changed until it to this Limit pressure belonging to the reference temperature is reached.
Um eine ausreichend grosse Temperaturabhängigkeit des Grenzdrucks des Druckbegrenzungsventils zu erzielen, enthält der Behälter im Betriebszustand vorzugsweise eine Flüssigkeit, deren thermischer Volumenausdehnungskoeffizient mindestens 10-4 K-1, insbesondere mindestens 5.10-4 K-1, beträgt. Besonders bevorzugt wird als Flüssigkeit ein Öl verwendet, das typischerweise solche Volumenausdehnungskoeffizienten aufweist. In order to achieve a sufficiently large temperature dependency of the limit pressure of the pressure limiting valve, the container preferably contains a liquid in the operating state, the thermal expansion coefficient of which is at least 10 -4 K -1 , in particular at least 5.10 -4 K -1 . An oil which typically has such volume expansion coefficients is particularly preferably used as the liquid.
Insbesondere im Hinblick auf Gasbetankungsanlagen, speziell für Erdgas, bei denen das Druckbegrenzungsventil dazu dient, beim Erreichen des temperaturabhängigen Fülldrucks die Druckleitung zu schliessen, ist vorzugsweise der Grenzdruck im wesentlichen linear von der Temperatur der Flüssigkeit abhängig, wobei die Steigung insbesondere 1,5 bar/K bis 2 bar/K beträgt, weil diese Steigung dem Druck-Temperatur-Verhalten von Erdgas entspricht. Die Steigung des Grenzdrucks mit der Temperatur lässt sich bei der erfindungsgemässen Druckbegrenzungsvorrichtung in einfacher Weise über die Menge der Flüssigkeit in dem Behälter auf den gewünschten Wert einstellen.Especially with regard to gas refueling systems, especially for natural gas, where the pressure relief valve is used when reaching the temperature-dependent filling pressure to close the pressure line preferably the limit pressure is substantially linear from the temperature of the Liquid dependent, the slope in particular 1.5 bar / K to 2 bar / K is because this slope is the pressure-temperature behavior of natural gas corresponds. The increase in the limit pressure with the temperature can be the pressure limiting device according to the invention in a simple manner about the amount of liquid in the container to the desired value to adjust.
In Gasbetankungsanlagen für Erdgas wird das Druckbegrenzungsventil vorzugsweise so eingestellt, dass der Grenzdruck 180 bar bis 220 bar beträgt, wenn die Flüssigkeit im Behälter eine Temperatur von 15°C hat.The pressure relief valve is used in gas refueling systems for natural gas preferably set so that the limit pressure is 180 bar to 220 bar if the liquid in the container has a temperature of 15 ° C.
Weitere vorteilhafte Massnahmen und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further advantageous measures and preferred configurations of the Invention result from the dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und anhand der Zeichnung näher erläutert. In der schematischen Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen identische oder von der Funktion her gleichwertige Teile bezeichnen, zeigen:
- Fig. 1:
- einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Druckbegrenzungsventils,
- Fig. 2:
- ein Diagramm zur Veranschaulichung der Abhängigkeit des Grenzdrucks von der Temperatur,
- Fig. 3:
- einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- Fig. 4:
- einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- Fig. 1:
- 2 shows a longitudinal section through a first exemplary embodiment of the pressure limiting valve according to the invention,
- Fig. 2:
- a diagram illustrating the dependence of the limit pressure on the temperature,
- Fig. 3:
- a longitudinal section through a second embodiment of the invention, and
- Fig. 4:
- a longitudinal section through a third embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein erstes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Druckbegrenzungsventils, das
gesamthaft mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Das
Druckbegrenzungsventil 1 umfasst ein Ventilgehäuse 2 mit einem Einlass 8
und einem Auslass 9 für ein Fluid. In dem Ventilgehäuse 2 ist ein
federbelasteter Ventilkörper 3 mit einer Dichtfläche 31 vorgesehen, der in an
sich bekannter Weise so mit einem Ventilsitz 4 zusammenwirkt, dass er beim
Erreichen eines Grenzdrucks eine Strömungsverbindung für das Fluid
zwischen dem Einlass 8 und dem Auslass 9 verschliesst bzw. öffnet. Fig. 1
zeigt das Druckbegrenzungsventil 1 in seiner Offenstellung.1 shows a first in a schematic longitudinal sectional illustration
Embodiment of the pressure relief valve according to the invention, the
is generally designated by the
Ferner ist ein Federelement 5, beispielsweise eine Spiralfeder, vorgesehen
welche auf den Ventilkörper 3 einwirkt und diesen mit einer Federkraft
belastet. Dazu stützt sich das Federelement 5 auf einem Stösselteller 13 ab,
an welchen sich ein Stössel 12 anschliesst, der gegen die Stirnfläche des
Ventilkörpers 3 drückt. Der sich an diese Stirnfläche anschliessende,
darstellungsgemäss obere Teil des Ventilkörpers 3 ist in einer Längsbohrung
des Ventilgehäuses 2 geführt und mit einem O-Ring 14 abgedichtet.Furthermore, a
Wie dies Fig. 1 zeigt, wird der Ventilkörper 3 durch das Federelement 5 so
belastet, dass eine darstellungsgemäss nach unten gerichtete Kraft auf den
Ventilkörper 3 wirkt, die diesen aus dem Ventilsitz 4 heraus drücken will.
Andererseits übt das Fluid, das in der Offenstellung des
Druckbegrenzungsventils 1 vom Einlass 8 zum Auslass 9 strömt, einen Druck
auf den Ventilkörper 3 aus, der eine darstellungsgemäss nach oben
gerichtete Kraft auf den Ventilkörper 3 bewirkt, welche der durch die
Federbelastung verursachten Kraft entgegenwirkt. Solange die Kraft durch
die Federbelastung grösser ist als die von dem Fluid verursachte, bleibt das
Druckbegrenzungsventil 1 in seiner Offenstellung. Wenn der Druck des
Fluids am Auslass 9 soweit angestiegen ist, dass die aus ihm resultierende
Kraft auf den Ventilkörper 3 grösser wird als die durch die Federbelastung
verursachte, wird der Ventilkörper 3 darstellungsgemäss nach oben gedrückt,
sodass seine Dichtfläche 31 dichtend in den Ventilsitz 4 gedrückt wird. Dann
befindet sich das Druckbegrenzungsventil 1 in seiner Schliessstellung und
die Strömungsverbindung für das Fluid zwischen dem Einlass 8 und dem
Auslass 9 ist verschlossen. Dieser Druck, bei welchem das
Druckbegrenzungsventil 1 von seiner Offenstellung in seine Schliessstellung
wechselt, wird als Grenzdruck bezeichnet. Zur Unterstützung der
Dichtfunktion zwischen dem Ventilsitz 4 und der hier konisch ausgestalteten
Dichtfläche 31 kann ein O-Ring 14 vorgesehen werden.As shown in Fig. 1, the
An das Ventilgehäuse 2 schliesst sich ein Behälter für eine Flüssigkeit an,
der hier als Hohlzylinder 6 mit einer Längsachse A ausgestaltet ist. Der
Hohlzylinder 6 ist aus einem druckfesten Material, typischerweise einem
Stahl gefertigt. Das darstellungsgemäss untere Ende des Hohlzylinders 6 ist
fest mit dem Ventilgehäuse 2 verbunden, beispielsweise verschraubt. Das
Federelement 5 ist im Innern des Hohlzylinders 6 angeordnet und erstreckt
sich in Richtung der Längsachse A. Auf dem Ende des Federelements 5, das
dem Ventilkörper 3 abgewandt ist, stützt sich ein in Richtung der Längsachse
A beweglicher Druckkolben 7 ab, der so bemessen ist, dass er durch die
innere Wandung 61 des Hohlzylinders 6 geführt wird. Zwischen dem
Druckkolben 7 und der inneren Wandung 61 ist ein O-Ring 14 zur
Abdichtung vorgesehen.A container for a liquid connects to the
Der Innenraum des Hohlzylinders 6 wird an seinem darstellungsgemäss
oberen Ende durch einen Justierkolben 10 begrenzt, dessen Durchmesser im
wesentlichen dem Innendurchmesser des Hohlzylinders 6 entspricht. Der
Justierkolben 10 ist mit einem als Kolbenring dienenden O-Ring 14 zur
Abdichtung versehen. Der Justierkolben 10 ist mit einer Einstellschraube 11
verbunden, die in einem Gewindestück 11a geführt ist und deren Kopf aus
dem Hohlzylinder 6 hinausragt. Durch Drehen der Einstellschraube 11 lässt
sich der Justierkolben 10 in Richtung der Längsachse A verschieben.
Nachdem das Druckbegrenzungsventil 1 in weiter hinten beschriebener
Weise justiert bzw. eingestellt ist, bleibt der Justierkolben 10 während des
normalen Betriebs in einer durch die Einstellschraube 11 fixierten Stellung.The interior of the
Die Stirnfläche des Justierkolbens 10 einerseits, die Stirnfläche des
Druckkolbens 7 andererseits und die inner Wandung 61 des Hohlzylinders 6
begrenzen ein flüssigkeitsdichtes Volumen 15 des Innern des Hohlzylinders
6. Dieses Volumen 15 ist vollständig mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise
einem Öl, gefüllt. Durch die O-Ringe 14 am Justierkolben 10 bzw. am
Druckkolben 7 ist der Hohlzylinder abgedichtet, sodass im wesentlichen kein
Öl aus dem Volumen 15 entweichen kann.The end face of the
Um das Druckbegrenzungsventil 1 in Betrieb zu nehmen, wird zunächst das
Öl, welches das Volumen 15 ausfüllt, mittels der Einstellschraube 11 und
dem Justierkolben 10 unter Druck gesetzt. Die Einstellung des Drucks wird
weiter hinten noch erläutert. Der Druck des Öls beaufschlagt den
Druckkolben 7, der dadurch das Federelement 5 komprimiert. Durch die
Spannung des Federelements 5 wird der Ventilkörper 3 über den
Stösselteller 13 und den Stössel 12 belastet. Somit wird das
Druckbegrenzungsventil 1 in seiner Offenstellung gehalten, bis der
andererseits von dem Fluid auf den Ventilkörper 3 ausgeübte Druck den
Grenzdruck erreicht. Beim Überschreiten des Grenzdrucks schliesst das
Druckbegrenzungsventil 1.In order to put the
Der Grenzdruck des Druckbegrenzungsventils 1 hängt somit von der
Belastung ab, welche das Federelement 5 auf den Ventilkörper 3 ausübt.
Falls sich nun während des Betriebs die Aussentemperatur ändert, so ändert
sich auch die Temperatur des Öls in dem Hohlzylinder 6, weil das Öl über die
Wand des Hohlzylinders 6 mit dem Aussenraum im thermischen Kontakt
steht. Erhöht sich beispielsweise die Temperatur des Öls, so dehnt sich das
Öl aus und schiebt dabei den Druckkolben 7 darstellungsgemäss nach unten.
Hierdurch wird das Federelement 5 stärker kompriemiert, wodurch die von
dem Federelement 5 bewirkte Belastung des Ventilkörpers 3 ansteigt.
Folglich steigt der Grenzdruck, das heisst das Druckbegrenszungsventil 1
schliesst erst bei einem höheren Druck. Umgekehrt hat ein Absinken der
Aussentemperatur zur Folge, dass sich auch das Öl abkühlt und dabei sein
Volumen verkleinert. Dadurch bewegt sich der Druckkolben
darstellungsgemäss nach oben, woraus eine teilweise Entspannung des
Federelements 5 und damit eine Reduzierung der von dem Federelement 5
bewirkten Belastung des Ventilkörpers 3 resultiert. Folglich sinkt der
Grenzdruck des Druckbegrenzungsventils 1, das heisst es schliesst bereits
bei einem geringeren Druck des Fluids.The limit pressure of the
Das erfindungsgemässe Druckbegrenzungsventil hat somit die Eigenschaft, dass es bei Temperaturschwankungen selbsttätig den Grenzdruck ändert. The pressure relief valve according to the invention thus has the property that it automatically changes the limit pressure in the event of temperature fluctuations.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist vorzugsweise die Querschnittsfläche B des
Druckkolbens 7 grösser als die vom Druck des Fluids beaufschlagte
wirksame Querschnittsfläche C des Ventilkörpers 3. Hierdurch lässt sich
nämlich eine Art hydraulische Übersetzung gewährleisten. Da der Druck der
Flüssigkeit eine Querschnittsfläche B beaufschlagt, die grösser ist als die
wirksame Querschnittsfläche C, die vom Druck des Fluids beaufschlagt wird,
ist auf der Flüssigkeitsseite, das heisst am Druckkolben 7, nur ein deutlich
geringerer Druck notwendig als auf der Fluidseite, um die von dem Fluid auf
den Ventilkörper 3 ausgeübte Kraft zu kompensieren. Ein geringerer Druck
im Hohlzylinder 6 ist zum einen aus Gründen der Betriebssicherheit und des
Konstruktionsaufwands vorteilhaft und erleichtert ferner die Abdichtung des
Volumens 15.As can be seen from FIG. 1, the cross-sectional area B of the
Pressure piston 7 larger than that acted upon by the pressure of the fluid
effective cross-sectional area C of the
Das Federelement 5 ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass es relativ weich
ist, womit gemeint ist, dass das Federelement 5 eine kleine Federkonstante
aufweist. Durch diese Massnahme lässt sich nämlich das Schliessintervall
bzw. das Öffnungsintervall, also die Zeitspanne, die das
Druckbegrenzungsventil 1 benötigt, um vom der Offenstellung in die
Schliessstellung (bzw. umgekehrt) zu gelangen, verkürzen. Ist das
Federelement 5 beispielsweise eine Spiralfeder, so lässt sich eine kleine
Federkonstante realisieren, indem die Spiralfeder möglichst lang ausgestaltet
wird.The
Im Folgenden wird nun anhand eines konkreten Anwendungsbeispiels die
Justierung und der Betrieb des Druckbegrenzungsventils 1 beschrieben.
Dabei wird auf den Fall Bezug genommen, dass das Druckbegrenzungsventil
1 Teil einer Gasbetankungsanlage ist, mit welcher ein mobiler Druckbehälter,
wie z. B. der Vorratsbehälter eines gasbetriebenen Kraftfahrzeugs, mit
komprimiertem Erdgas bis zu einem Enddruck befüllt wird. Das Fluid ist in
diesem Falle Erdgas. Das Druckbegrenzungsventil 1 ist in einer
Abgabevorrichtung vorgesehen, mittels welcher das komprimierte Erdgas aus
einem stationären Speicherbehälter in den mobilen Vorratsbehälter gefüllt
wird. Typischerweise beträgt der Druck des Erdgases in dem
Speicherbehälter etwa 200 bar bezogen auf eine Referenztemperatur von
15°C. Der Einlass 8 des Druckbegrenzungsventils 1 ist mit einer Druckleitung
verbunden, welche andererseits mit dem stationären Speicherbehälter
verbunden ist. Der Auslass 9 ist über eine weitere Druckleitung mit dem
mobilen Vorratsbehälter verbunden. Die Aufgabe des
Druckbegrenzungsventils 1 ist es, die Strömungsverbindung zwischen dem
Einlass 8 und dem Auslass 9 zu verschliessen, sobald der Druck im mobilen
Vorratsbehälter - und damit der Druck am Auslass 9 - den Enddruck für die
Befüllung erreicht hat, sodass dann kein weiteres Erdgas in den mobilen
Vorratsbehälter strömen kann. Dieser Enddruck ist von der
Aussentemperatur abhängig. Er beträgt beispielsweise 200 bar bei 15°C. Ein
typischer Wert, der das Druck-Temperaturverhalten von Erdgas beschreibt -
zumindest in dem für die Praxis relevanten Temperaturintervall von etwa
-40°C bis +50°C - ist eine Druckzunahme von 1.6 bar bei einer
Temperaturerhöhung von 1 K.The following is now based on a specific application example
Adjustment and operation of the
Bei dem erfindungsgemässen Druckbegrenzungsventil 1 beeinflussen
hauptsächlich zwei Faktoren die Abhängigkeit des Grenzdrucks von der
Temperatur, nämlich zum einen der relative thermische
Volumenausdehnungskoeffizient β der Flüssigkeit im Behälter (in Fig. 1 ist
der Behälter der Hohlzylinder 6), oder genauer gesagt die Differenz aus der
thermischen Dehnung der Flüssigkeit und der thermischen Dehnung des
Materials, aus dem der Behälter gefertigt ist, und zum anderen die Menge der
Flüssigkeit, die in dem Behälter enthalten ist.Influence in the
In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der thermische
Volumenausdehnungskoeffizient β der Flüssigkeit mindestens 10-4 K-1,
insbesondere mindestens 5·10-4 K-1, beträgt. Im hier beschriebenen
Anwendungsbeispiel ist die Flüssigkeit ein Öl, das einen
Volumenausdehnungskoeffizient von 7·10-4 K-1 aufweist. Die Verwendung von
Öl als Flüssigkeit hat zusätzlich die Vorteile, dass das Öl den O-Ring 14 am
Druckkolben 7 schmiert und dass im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten
weniger Reibungsverluste auftreten. Zudem tritt bei Verwendung von Öl auch
bei mehrfachen Temperaturerhöhungen und -erniedrigungen praktisch keine
Hysterese in der Grenzdruck-Temperatur-Kurve auf.In practice it has proven to be advantageous if the thermal expansion coefficient β of the liquid is at least 10 -4 K -1 , in particular at least 5 · 10 -4 K -1 . In the application example described here, the liquid is an oil that has a volume expansion coefficient of 7 · 10 -4 K -1 . The use of oil as a liquid also has the advantages that the oil lubricates the O-
Der Hohlzylinder 6 ist aus Stahl hergestellt, der typischerweise eine relative
lineare thermische Dehnung α ≈ 11·10-6 K-1 aufweist, das heisst die relative
Volumendehnung des Stahls ist mehr als eine Grössenordnung kleiner als
die des Öls.The
Das Diagramm in Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit des Grenzdrucks des
Druckbegrenzungsventils 1 von der Temperatur des Öls. Auf der senkrechten
Achse p ist der Grenzdruck in bar aufgetragen, auf der horizontalen Achse T
die Temperatur in ° Celsius. Aus Fig. 2 ist die im wesentlichen lineare
Abhängigkeit des Grenzdrucks von der Temperatur deutlich zu erkennen
(Gerade G). Im Hinblick auf die Anwendung für komprimiertes Erdgas ist die
Ölmenge im Volumen 15 des Hohlzylinders so bemessen, dass die Steigung
der Geraden G 1,6 bar/K beträgt. Es versteht sich jedoch, dass für andere
Anwendungen auch andere Steigungen der Gerade G, beispielsweise durch
Veränderung der Ölmenge im Hohlzylinder 6, realisierbar sind.The diagram in Fig. 2 shows the dependence of the limit pressure of the
Zur Justierung bzw. Einstellung des Druckbegrenzungsventils 1 wird wie folgt
vorgegangen: Nachdem die anhand der gewünschten Steigung der
Grenzdruck-Temperatur-Kurve bestimmte Menge Öl in den Hohlzylinder 6
eingefüllt ist, wird dieser mit dem Justierkolben 10 bzw. mit dem
Gewindestück 11a verschlossen. Nun wird bei einer Referenztemperatur von
beispielsweise 15°C der Justierkolben 10 durch Drehen der Einstellschraube
11 in Richtung auf den Druckkolben 7 verschoben. Dadurch erhöht sich die
Spannung des Federelements 5 und damit die auf den Ventilkörper 3
ausgeübte Belastung. Folglich steigt der Grenzdruck. Der Justierkolben 10
wird durch Drehen der Einstellschraube 11 solange bewegt bis bei der
Referenztemperatur der gewünschte Grenzdruck - hier 200 bar - erreicht ist.
Dann ist das Druckbegrenzungsventil 1 betriebsbereit.To adjust or adjust the
Beim Einstellen des Justierkolbens 10 wird also die Gerade G in Fig. 2
solange parallel verschoben bis sie durch den gewünschten Arbeitspunkt
(hier 200 bar bei 15°C) verläuft.When adjusting the
Im Betrieb reguliert nun das Druckbegrenzungsventil 1 den
Begrenzungsdruck automatisch in Abhängigkeit von der Temperatur. Wird
beispielsweise ein Kraftfahrzeug bei einer Aussentemperatur von -25°C mit
komprimiertem Erdgas betankt, so schliesst das Druckbegrenzungsventil 1
bei einem Grenzdruck von 140 bar (siehe Fig. 2), das heisst das
Druckbegrenzungsventil 1 beendet den Betankungsvorgang bei einem
Enddruck von 140 bar im Vorratsbehälter des Kraftfahrzeugs. Steigt die
Aussentemperatur an, z. B. auf 15°C so nimmt zunächst der Hohlzylinder 6
und dann das in ihm befindliche Öl diese Temperatur an, wodurch sich der
Grenzdruck, wie vorne beschrieben, auf 200 bar erhöht. Bei einer
Aussentemperatur von 15°C beendet das Druckbegrenzungsventil 1 den
Betankungsvorgang folglich erst bei 200 bar. Somit ermöglicht das
Druckbegrenzungsventil 1 eine automatische Anpassung des Enddrucks der
Betankung an die Temperatur.In operation, the
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Druckbegrenzungsventils. Im Folgenden werden nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel erläutert. Ansonsten gelten die Erläuterungen in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel in sinngemäss gleicher Weise auch für das zweite Ausführungsbeispiel.Fig. 3 shows a longitudinal section through a second embodiment of the inventive pressure relief valve. Below are just the Differences to the first embodiment explained. Otherwise the apply Explanations in connection with the first embodiment in analogously the same way for the second embodiment.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Behälter für die Flüssigkeit in
Form eines Doppelzylinders ausgestaltet. In einem äusseren Holzylinder 6a
ist koaxial ein innerer Zylinder 6b angeordnet. Der Druckkolben 7 und das
Federelement 5 sind in dem inneren Zylinder 6b vorgesehen, wobei der
Durchmesser des Druckkolbens 7 so bemessen ist, dass der Druckkolben 7
von der inneren Wandung 61 b des inneren Zylinders 6b geführt wird. In der
dem Ventilkörper 3 abgewanddten Stirnseite 62 des inneren Zylinders 6b ist
eine Öffnung 63 vorgesehen, durch welche die in dem äusseren Hohlzylinder
6a befindliche Flüssigkeit in den inneren Zylinder 6b eindringen kann, sodass
die Flüssigkeit auf den Druckkolben 7 einwirken kann. Dieses zweite
Ausführungsbeispiel mit seiner doppelzylindrigen Bauform zeichnet sich
insbesondere durch seine kompakte und platzsparende Ausgestaltung aus.In the second embodiment, the container for the liquid is in
Formed a double cylinder. In an outer
Fig. 4 zeigt in einer Längsschnittdarstellung ein drittes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemässen Druckbegrenzungsventils 1 mit einer
Weiterentwicklung, die sowohl in Kombination mit dem ersten als auch in
sinngemäss gleicher Weise in Kombination mit dem zweiten
Ausführungsbeispiel realisierbar ist. Fig. 4 shows a third embodiment in a longitudinal sectional view
of the
Die Weiterentwicklung besteht darin, dass Mittel für einen thermischen
Kontakt zwischen dem Fluid und der in dem Behälter 6; 6a befindlichen
Flüssigkeit vorgesehen sind, sodass die Flüssigkeit in dem Behälter 6; 6a im
wesentlichen die gleiche Temperatur hat wie das Fluid.The further development is that means for a thermal
Contact between the fluid and that in the
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel führt von dem stromabwärts gelegenen
Bereich des Innenraums des Ventilgehäuses 2 eine Druckleitung 17 in das
Innere des Hohlzylinders 6, in welchem sich die Flüssigkeit befindet. Im
Innenraum des Hohlzylinders 6 ist die Druckleitung 17 als Wendel 18
ausgestaltet, der einen Wärmetauscher für das Fluid und die Flüssigkeit
darstellt. Vom Ende des Wendels 18 erstreckt sich die Druckleitung 17 durch
die Wandung des Hohlkzylinders 6 zum Auslass 9 des
Druckbegrenzungsventils 1. Der Hohlzylinder 6 ist von einer Isolation 16
umgeben, um den Wärmeaustausch zwischen dem Aussenraum und dem
Hohlzylinder 6 zu unterbinden bzw. zu reduzieren. Diese Weiterentwicklung
eignet sich insbesondere auch für solche Anwendungen, bei denen die
Umgebungstemperatur des Hohlzylinders 6 keinen repräsentativen Wert für
die aktuelle Temperatur des Fluids darstellt.In the third embodiment, leads from the downstream
Area of the interior of the
Das Fluid strömt bei geöffnetem Druckbegrenzungsventil 1 durch den Einlass
8 zur Druckleitung 17 und durch den Wendel 18. Dabei tritt das Fluid in
thermischen Kontakt mit der Flüssigkeit im Hohlzylinder 6, wodurch es zu
einem Temperaturausgleich zwischen diesen beiden Medien kommt, das
heisst, die Flüssigkeit nimmt im wesentlichen die Temperatur des Fluids an.
Folglich ändert das Druckbegrenzungsventil 1 seinen Grenzdruck in
Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des Fluids.The fluid flows through the inlet when the
Natürlich sind auch solche Ausgestaltungen der Weiterentwicklung möglich,
bei denen das Fluid zunächst in Wärmekontakt mit der Flüssigkeit in dem
Hohlzylinder 6 tritt und dann erst zum Einlass 8 gelangt.Of course, such further developments are also possible,
where the fluid is initially in thermal contact with the liquid in the
Es versteht sich, dass das erfindungsgemässe Druckbegrenzungsventil 1
auch für andere Anwendungen als solche in Verbindung mit
Gasbetankungsanlagen geeignet ist. Das Druckbegrenzungsventil 1 kann
auch als Sicherheits- oder Überdruckventil in anderen Drucksystemen
eingesetzt werden. Ferner kann das Fluid, welches das
Druckbegrenzungsventil 1 durchströmt, ein anderes Gas oder ein Dampf oder
eine Flüssigkeit sein.It is understood that the
Durch die Möglichkeit, die Steilheit der Grenzdruck-Temperatur-Kurve (siehe
Fig. 2) in einfacher Weise, nämlich beispielsweise über die Menge an
Flüssigkeit im Behälter 6, 6a, zu variieren, kann das erfindungsgemässe
Druckbegrenzungsventil ohne grossen Aufwand für zahlreiche Anwendungen
angepasst werden.Due to the possibility of the steepness of the limit pressure-temperature curve (see
Fig. 2) in a simple manner, namely, for example, on the amount of
Varying liquid in the
Die Einstellmittel für das der Flüssigkeit zur Verfügung stehende Volumen,
die wie vorne erläutert beispielsweise den Justierkolben 10 und die
Einstellschraube 11 umfassen, bringen den Vorteil mit sich, dass auch der
"Nullpunkt" oder der Arbeitspunkt, durch welchen die Grenzdruck-Temperatur-Kurve
(Fig. 2) verlaufen soll, in sehr einfacher Weise an
veränderbar ist.The setting means for the volume available to the liquid,
which, as explained above, for example the
Es ist auch möglich, das Druckbegrenzungsventil 1 so auszugestalten, dass
es beim Überschreiten des Grenzdrucks öffnet, also von seiner
Schliessstellung in seine Offenstellung übergeht und dadurch beispielsweise
eine Überdruckabströmung öffnet.It is also possible to design the
Weiterhin sind solche Ausgestaltungen möglich, bei denen das Federelement
5 den Ventilkörper 3 gegen den Ventilsitz 4 vorspannt, das heisst, dass das
Federelement 5 eine Kraft auf den Ventilkörper ausübt, die diesen mit seiner
Dichtfläche in den Ventilsitz drückt, solange der Gegendruck durch das Fluid
den Grenzdruck nicht überschreitet.Furthermore, such configurations are possible in which the
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