EP4581297A1

EP4581297A1 - Rückschlagventil

Info

Publication number: EP4581297A1
Application number: EP23761900.2A
Authority: EP
Inventors: Alexander Müller; Beat Schmid; Agim GASHI
Original assignee: Eugen Seitz AG
Current assignee: Eugen Seitz AG
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2023-08-25
Publication date: 2025-07-09
Also published as: KR20250060225A; WO2024046917A1; CN119790264A

Abstract

Ein Rückschlagventil, insbesondere einer Wasserstoffbetankungsanlage, weist einen Einlass und einen Auslass auf, die eine Strömungsrichtung definieren, welche sich vom Einlass zum Auslass erstreckt. Das Rückschlagventil weist einen relativ zum Einlass und Auslass bewegbar angeordneten Kolben (6) zum Öffnen und Schliessen des Einlasses des Rückschlagventils auf, wobei der Kolben (6) eine Kolbenachse (63) definiert mit einem dem Einlass zugewandten ersten Ende und einem dem Auslass zugewandten zweiten Ende. Der Kolben (6) weist eine äussere Oberfläche auf, entlang welcher ein in Strömungsrichtung durch das Rückschlagventil strömendes Fluid strömt. Der Auslass weist Auslasskanäle (35) auf, um das Fluid aus dem Rückschlagventil nach aussen strömen zu lassen, wobei alle Auslasskanäle (35) des Auslasses schräg zur Kolbenachse (63) verlaufen. Das Rückschlagventil ist für hohe Drücke einsetzbar und ermöglicht ein sanftes Schliessen auch bei einer Umkehrung der Druckeinwirkung. Insbesondere ist es in Wasserstofftankstellen einsetzbar.

Description

TITEL

RÜCKSCHLAGVENTIL

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückschlagventil, insbesondere ein Rückschlagventil einer Wasserstoffbetankungsanlage, sowie eine Einheit einer Wasserstoffbetankungsanlage.

STAND DER TECHNIK

Eine Wasserstoffbetankungsanlage, insbesondere eine Wasserstofftankstelle, verfügt über einen oder mehrere Drucktanks, in denen flüssiger oder komprimiert gasförmiger Wasserstoff zum Betanken von Kraftfahrzeugen oder Eisenbahnen bereitgestellt ist. Die Drucktanks werden auch Banken oder Speicherbanken genannt.

Um ein Fahrzeug möglichst schnell vollständig zu betanken, wird der Wasserstoff nacheinander aus mehreren Speicherbanken bezogen. Je weiter die Befüllung des Fahrzeugs fortgeschritten ist, umso höher muss der Druck in den Speicherbanken sein. Die Drücke in den einzelnen Speicherbanken sind deshalb unterschiedlich hoch, üblicherweise sind sie 350 bar, 500 bar, 700 bar und 1000 bar. Speicherbanken mit anderen Drücken sind jedoch auch möglich.

Damit das Fahrzeug möglichst schnell betankt werden kann, ist ein möglichst schnelles Umschalten zu Speicherbanken mit höheren Drücken erforderlich.

Hochdruckventile, insbesondere pilotgesteuerte Magnetventile, ermöglichen schnelle Schaltzeiten und somit auch ein schnelles Wechseln der Speicherbank. Die Schaltzeiten liegen zwischen 10 ms bis 200 ms. Rückschlagventile verhindern eine Rückströmung des Wasserstoffs von einer mit dem Fahrzeugtank verbundenen Zapfleitung zur Speicherbank.

Das schnelle Öffnen der Speicherbanken führt zu hohen Druckstössen bzw. Druckimpulsen in der Leitung der Speicherbank. Diese hohen Druckstösse können das in Strömungsrichtung nachgeschaltete Rückschlagventil der Speicherbank beschädigen. Insbesondere kann das Dichtelement in Strömungsrichtung verschoben werden, so dass das Rückschlagventil nicht mehr schliesst.

Wird während des Betankens auf eine höhere Druckstufe und somit auf eine andere Speicherbank gewechselt, erfährt das Rückschlagventil zudem hohe Druckstösse bzw. Druckimpulse in Gegenströmungsrichtung. Diese Druckstösse sind durch die Druckerhöhung in der Leitung verursacht. Magnetventile schliessen üblicherweise langsamer, als sie sich öffnen. Dies führt dazu, dass das Rückschlagventil einer ersten bzw. vorgeschalteten Speicherbank noch nicht vollständig geschlossen ist, wenn ein Magnetventil einer zweiten bzw. nachfolgenden Speicherbank bereits vollständig geöffnet ist. Der auf das Rückschlagventil wirkende Druckstoss schliesst das Rückschlagventil mit einer relativ grossen Kraft. Sein Kolben wird oft mit grosser Kraft in den Dichtsitz gedrückt. Dies vermindert einerseits die Lebensdauer des Rückschlagventils massiv. Der Dichtsitz kann sogar beschädigt werden, so dass das Rückschlagventil nicht mehr optimal schliesst. Dies begrenzt den maximalen Druck, der in einer Speicherbank überhaupt vorliegen kann.

Diese hohen Druckstösse in Strömungsrichtung, insbesondere jedoch auch in Gegenströmungsrichtung, stellen deshalb hohe Anforderungen an die Rückschlagventile und vermindern deren Lebensdauer. Dies verursacht hohe Wartungskosten und kann zu Ausfällen der Betankungsanlagen führen.

Im Stand der Technik sind Rückschlagventile bekannt, bei welchen ein vom Fluid durchströmter Stahlkolben auf ein elastomeres oder thermoplastisches Dichtelement stösst. Es sind auch Stahlkolben bekannt, auf welchen ein elastomeres oder thermoplastisches Dichtelement angeordnet ist. Bei hohen Drücken, wie beispielsweise in Wasserstofftankstellen verwendet, besteht das Risiko, dass das Dichtelement herausfliegt oder zumindest verschoben wird.

Rückschlagventile mit einem vom Fluid durchströmten Stahlkolben, die auf einen Stahlsitz stossen, weisen den Nachteil auf, dass sie schlechter dichten als weiche Sitze mit einem elastomeren oder thermoplastischen Dichtelement.

DE 10 2016 014 312 A1 offenbart ein Rückschlagventil mit einem Kolben aus PEEK (Polyetheretherketon), der von schräg verlaufenden Kanälen durchsetzt ist. Es wird insbesondere in Kolbenpumpen und Verdichtern eingesetzt. Ferner sind Rückschlagventile bekannt, deren Kolben vom Fluid umströmt sind. Sie sind jedoch gegen Rückschläge nicht gesichert und somit für Drücke, wie sie in Wasserstoffbetankungsanlagen vorliegen, nicht geeignet.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Rückschlagventil, insbesondere für Wasserstoffbetankungsanlagen, zu schaffen, das auch bei Druckbeaufschlagung in Gegenrichtung ein sanftes Schliessverhalten aufweist und bei Belastung durch hohe Druckstösse eine möglichst lange Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe löst ein Rückschlagventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Einheit einer Wasserstoffbetankungsanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 19.

Das erfindungsgemässe Rückschlagventil weist einen Einlass und einen Auslass auf, die eine Strömungsrichtung definieren, welche sich vom Einlass zum Auslass erstreckt. Das Rückschlagventil weist einen relativ zum Einlass und Auslass bewegbar angeordneten Kolben zum Öffnen und Schliessen des Einlasses des Rückschlagventils auf. Der Kolben definiert eine Kolbenachse mit einem dem Einlass zugewandten ersten Ende und einem dem Auslass zugewandten zweiten Ende. Der Kolben weist eine äussere Oberfläche auf, entlang welcher ein in Strömungsrichtung durch das Rückschlagventil strömendes Fluid strömt. Der Auslass weist Auslasskanäle auf, um das Fluid aus dem Rückschlagventil nach aussen strömen zu lassen, wobei alle Auslasskanäle des Auslasses schräg, d.h. in einem Winkel ungleich 0°, zur Kolbenachse verlaufen.

Dank der schräg zur Kolbenachse verlaufenden Auslasskanäle kann ein Fluid, das mit hohem Druck von der Auslassseite her in das Rückschlagventil einfliesst, keinen hohen Druckimpuls auf den Kolben ausüben. Fliesst somit ein Fluid in Gegenströmungsrichtung, d.h. von der Auslassseite her ein, schliesst das Rückschlagventil trotzdem relativ sanft.

Bei Beaufschlagung des Kolbens mit einem Fluid in Strömungsrichtung wird der Kolben umströmt. Das Fluid strömt entlang der äusseren Oberfläche des Kolbens. Druckimpulse auf den Kolben lassen sich dadurch minimieren und Druckverluste reduzieren. Eine grosse Durchflussmenge durch das Rückschlagventil ist ermöglicht.

Das Rückschlagventil eignet sich für verschiedene Anwendungen, insbesondere für Anwendungen mit hohen Druckimpulsen in Gegenstromrichtung. Das Rückschlagventil eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Wasserstoffbetankungsanlage, insbesondere in einer Wasserstofftankstelle für Kraftfahrzeuge. Das Rückschlagventil lässt sich insbesondere bei Drücken bis 1000 bar und mehr verwenden. Dank der erhöhten Lebensdauer des Rückschlagventils werden Wartungsintervalle und Wartungskosten einer Anlage, insbesondere einer Wasserstoffbetankungsanlage, reduziert. Ausfälle von derartigen Anlagen werden reduziert bzw. vermieden. Andere Anwendungsbereiche sind beispielsweise Wasserstoff-Tanklastwagen und Elektrolyseure zur Herstellung von Wasserstoff.

Das erfindungsgemässe Rückschlagventil eignet sich zudem zum Nachrüsten von Anlagen, da es relativ platzsparend und einfach aufgebaut ist.

Vorzugsweise wird der Kolben vollständig umströmt, d.h. es fliesst kein Anteil des Fluids durch den Kolben. Vorzugsweise ist in einer geöffneten Position des Kolbens ausschliesslich ein Kanal freigegeben, der sich vom Eingang zum Ausgang erstreckt und der sich ausschliesslich entlang der äusseren Oberfläche des Kolbens erstreckt. Vorzugsweise öffnet der Kolben ausschliesslich einen Kanal zwischen Eingang und Ausgang, der sich entlang der äusseren Oberfläche des Kolbens erstreckt. Dies optimiert die Dämpfung des Kolbens beim Öffnen und Schliessen des Ventils und ermöglicht eine hohe Durchflussmenge in Strömungsrichtung vom Einlass zum Auslass. Ferner lässt sich der Kolben robust und somit langlebig ausführen, da er von keinen Kanälen durchsetzt ist, die ihn schwächen könnten.

Vorzugsweise ist der Kolben geführt bewegbar. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kolben an seinem Umfang radial vorstehende Rippen auf, wobei die äussere Oberfläche, an der das Fluid entlang strömt, vorzugsweise zwischen den Rippen angeordnet ist. Diese Rippen minimieren Wirbel im Fluidstrom. Vorzugsweise führen sie den Kolben in seiner Bewegung. In einigen Ausführungsformen ist mindestens eine der Rippen im Ventilkörper gelagert.

Vorzugsweise weist das Rückschlagventil einen Ventilkörper auf, in welchem der Kolben bewegbar angeordnet ist, wobei der Kolben durch den Ventilkörper geführt bewegbar ist. Sind Rippen am Kolben vorhanden, so erstrecken sie sich vorzugsweise bis zur Innenwandung des Ventilkörpers, um den Kolben zu führen und das Fluid zu leiten. Je nach Ausführungsform ist mindestens eine der Rippen, vorzugsweise sind alle Rippen im Ventilkörper gelagert.

Vorzugsweise sind gleich viele Auslasskanäle wie Oberflächen zwischen den Rippen vorhanden. Dies optimiert den Fluidfluss entlang des Kolbens.

Vorzugsweise weist der Ventilkörper einen Dichtsitz auf, auf dem der Kolben im geschlossenen Zustand des Rückschlagventils aufliegt, wobei der Dichtsitz vorzugsweise aus Metall ist. Eine elastomere Dichtung, wie beispielsweise ein O-Ring, ist vorzugsweise weder am Dichtsitz noch am Kolben vorhanden. Vorzugsweise dichtet der Kolben ohne elastomere Dichtung.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Teil des Kolbens aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Hochleistungskunststoff und vorzugsweise aus PEEK, gefertigt. Vorzugsweise ist der gesamte Kolben aus Kunststoff, insbesondere aus einem Hochleistungskunststoff und vorzugsweise aus PEEK, gefertigt. Die Dämpfungseigenschaften des Kolbens sind dadurch erhöht. Zudem weist der Kolben ein relativ geringes Gewicht auf. Die bewegte Masse des Rückschlagventils ist reduziert. Die Öffnungs- und Schliessgeschwindigkeit sowie die Schlagfestigkeit sind erhöht. Ein zusätzliches elastomeres Dichtelement zwischen Kolben und Dichtsitz kann entfallen.

Ist der Dichtsitz aus Metall gefertigt, ist bei Verwendung eines Kolbens aus Kunststoff, insbesondere aus PEEK, die Dichtwirkung optimiert. Hochleistungskunststoffe, insbesondere PEEK, sind beständig in einem sehr grossen Temperaturbereich, der sich sowohl im negativen wie im positiven °C-Bereich befindet. Dadurch ist das Rückschlagventil für einen dauerhaften Einsatz für Wasserstoff optimal geeignet.

Vorzugsweise ist ein Kopplungselement vorhanden, das an einem Gehäuse des Rückschlagventils befestigt ist, wobei das Kopplungselement Durchgangsöffnungen aufweist, die die Auslasskanäle bilden. Der Durchfluss in Strömungsrichtung aus dem Rückschlagventil durch die Auslasskanäle lässt sich dadurch maximieren. Dies ist insbesondere für Wasserstoffbetankungsanlagen optimal, da die Betankungszeit minimiert werden kann. Druckverluste werden dank Auslasskanälen mit grossen Durchmessern minimiert. Vorzugsweise ist der Kolben im Ventilkörper geführt und beabstandet zum Kopplungselement angeordnet.

Das Kopplungselement lässt sich beispielsweise als Hohlschraube ausbilden, das im Gehäuse oder an das Gehäuse angeschraubt werden kann. Dies erleichtert die Montage.

Vorzugsweise bildet der Ventilkörper das Gehäuse des Rückschlagventils.

Vorzugsweise ist eine Rückstellfeder vorhanden, die den Kolben in einen Dichtsitz drückt, um das Rückschlagventil zu schliessen. Die Rückstellfeder ist vorzugsweise mit einem ersten Ende im Kolben und mit einem zweiten Ende im Kopplungselement angeordnet. Vorzugsweise ist die Rückstellfeder im Kolben angeordnet, wobei sie von den Auslasskanälen umgeben ist. Dies ist eine äusserst kompakte Anordnung, so dass die Grösse des Rückschlagventils minimiert ist.

Die erfindungsgemässe Einheit einer Wasserstoffbetankungsanlage weist eine erste Leitung zur Verbindung einer ersten Speicherbank mit einer Zapfleitung und eine zweite Leitung zur Verbindung einer zweiten Speicherbank mit derselben Zapfleitung auf. Eine Befüllungsrichtung führt von der ersten Speicherbank und der zweiten Speicherbank zur Zapfleitung. In der ersten Leitung sind ein erstes Hochdruckventil, insbesondere ein pilotventilgesteuertes Magnetventil, und ein erstes Rückschlagventil angeordnet, wobei das erste Rückschlagventil dem ersten Hochdruckventil in Befüllungsrichtung nachfolgend angeordnet ist. In der zweiten Leitung sind ein zweites Hochdruckventil, insbesondere ein pilotventilgesteuertes Magnetventil, und ein zweites Rückschlagventil angeordnet, wobei das zweite Rückschlagventil dem zweiten Hochdruckventil in Befüllungsrichtung nachfolgend angeordnet ist. Das erste Rückschlagventil und das zweite Rückschlagventil sind Rückschlagventile wie sie oben beschrieben wurden. Die Befüllungsrichtung ist vorzugsweise die oben erwähnte Strömungsrichtung durch das Rückschlagventil.

Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Einheit einer Wasserstoffbetankungsanlage;

Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemässen Rückschlagventils mit einer Einlass- und einer Auslassleitung;

Figur 3 einen Längsschnitt durch das Rückschlagventil gemäss Figur 2 im geschlossenen Zustand;

Figur 4 einen weiteren Längsschnitt durch das Rückschlagventil gemäss Figur 2 im geschlossenen Zustand;

Figur 5 einen Längsschnitt durch das Rückschlagventil gemäss Figur 2 im offenen Zustand;

Figur 6 eine erste perspektivische Darstellung eines Kolbens des Rückschlagventils gemäss Figur 2;

Figur 7 eine erste Ansicht einer Stirnseite des Kolbens gemäss Figur 6;

Figur 8 eine zweite perspektivische Darstellung des Kolbens gemäss Figur 6;

Figur 9 eine zweite Ansicht einer Stirnseite des Kolbens gemäss Figur 6;

Figur 10 eine Seitenansicht des Kolbens gemäss Figur 6;

Figur 11 eine erste perspektivische Darstellung eines Kopplungselements des Rückschlagventils gemäss Figur 2;

Figur 12 eine erste Ansicht einer Stirnseite des Kopplungselements gemäss Figur 11;

Figur 13 eine zweite perspektivische Darstellung des Kopplungselements gemäss Figur 11;

Figur 14 eine zweite Ansicht einer Stirnseite des Kopplungselements gemäss Figur 11 und

Figur 15 eine Seitenansicht des Kopplungselements gemäss Figur 11.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Figur 1 ist schematisch eine Tankstelle mit zwei Speicherbanken B1 , B2 für Wasserstoff dargestellt. Üblicherweise sind drei, vier oder mehr Speicherbanken B1 , B2 pro Zapfstelle vorhanden.

Die einzelnen Wasserstoff-Speicherbanken B1 , B2 weisen unterschiedliche Drücke auf. Die Drücke sind vorzugsweise 350 bar, 500 bar, 700 bar und 1000 bar. Die erste Speicherbank B1 weist in diesem Beispiel einen tieferen Druck auf als die zweite Speicherbank B2.

Je eine Zuleitung 20 führt von je einer Speicherbank B1 , B2 über Ventile HV1 , HV2, CV1 , CV2 zu einer Zwischenleitung 21 und anschliessend zu einer gemeinsamen Zapfleitung 22, die zu einer nicht dargestellten Zapfstelle führt. Dies ist die Befüllungsrichtung beim Betanken eines ebenfalls nicht dargestellten Kraftfahrzeugs sowie die Strömungsrichtung durch die Ventile HV1 , HV2, CV1 , CV2. Die Zuleitung 20, die Zwischenleitung 21 und die Zapfleitung 22 sind vorzugsweise Metallrohre. Vorzugsweise sind sie steif.

In Figur 1 nicht dargestellt sind eine mit den Speicherbanken B1 , B2 verbundene Kryopumpe oder ein Verdichter zur Verdichtung des Wasserstoffs sowie die über die Zapfleitung 22 mit den Speicherbanken B1 , B2 verbundenen Zapfstellen, auch Zapfsäulen genannt, an denen die Kraftfahrzeuge mit Wasserstoff betankt werden können.

Jeder Speicherbank B1 , B2 ist ein Hochdruckventil HV1 , HV2, vorzugsweise ein pilotgesteuertes Magnetventil, zugeordnet. In Strömungsrichtung nachfolgend ist jeweils ein zugehöriges Rückschlagventil CV1 , CV2 dem Hochdruckventil HV1 , HV2 nachgeordnet. Das Rückschlagventil CV1 , CV2 öffnet bei Druckbeaufschlagung in Strömungsrichtung zur Zapfleitung 22 hin und verhindert einen Fluidstrom in Gegenrichtung, d.h. es verhindert eine Rückströmung in Richtung Speicherbanken B1 , B2.

Beim Betanken eines Kraftfahrzeugs wird zuerst Wasserstoff aus der Speicherbank mit dem tiefsten Druck bezogen, in diesem Beispiel somit aus der ersten Speicherbank B1. Hierzu wird das zugehörige erste Hochdruckventil HV1 geöffnet, wodurch sich aufgrund des in Strömungsrichtung anliegenden Drucks des Fluidstroms, hier Wasserstoff, auch das zugehörige erste Rückschlagventil CV1 öffnet. Das zweite Magnetventil HV2 und somit auch das zweite Rückschlagventil CV2 sind geschlossen. Das Fluid, hier Wasserstoff, fliesst von der ersten Speicherbank B1 über die Zuleitung 20 und die Zwischenleitung 21 zur Zapfleitung 22 und somit zur Zapfstelle.

Wenn der Druck im Tank des Kraftfahrzeugs steigt, reduziert sich die Druckdifferenz zwischen der ersten Speicherbank B1 und dem Tank. Um ein weiterhin schnelles Auftanken zu ermöglichen, wird auf die zweite Speicherbank B2 gewechselt, die einen höheren Druck aufweist. Das erste Hochdruckventil HV1 wird deshalb geschlossen und das zweite Hochdruckventil HV2 und somit auch das zweite Rückschlagventil CV2 werden geöffnet. Da sich das erste Magnetventil HV1 und/oder erste Rückschlagventil CV1 langsamer schliessen als die anderen Ventile sich öffnen, wirkt der nun erhöhte Druck in der Zwischenleitung 21 auf das noch nicht vollständig geschlossene erste Rückschlagventil CV1. Dieser Druckstoss beschleunigt das Schliesselement des Rückschlagventils CV1 , üblicherweise einen Kolben, so dass dieser mit hoher Geschwindigkeit in den Dichtsitz schlägt. Wie eingangs erwähnt, kann dies das Rückschlagventil beschädigen oder zumindest seine Lebensdauer massiv verkürzen.

In den Figuren 2 bis 5 ist ein Beispiel eines erfindungsgemässen Rückschlagventils CV dargestellt, das in der Anordnung gemäss Figur 1 als erstes und zweites Rückschlagventil CV1 , CV2 einsetzbar ist. Es lässt sich jedoch auch in anderen Bereichen einsetzen, bei denen eine gute Dämpfung der Kolbenbewegung bzw. eine sanfte Kolbenbewegung mindestens in Strömungsrichtung und/oder in der Gegenströmungsrichtung vorteilhaft ist. Das Ventil lässt sich auch für andere Fluide und in anderen Anlagen verwenden.

Das Rückschlagventil CV weist einen Ventilkörper 1 auf, der ein Gehäuse des Rückschlagventils CV bildet. Der Ventilkörper 1 ist vorzugsweise einteilig ausgebildet. Vorzugsweise besteht er aus Metall, insbesondere aus Stahl.

Er weist einen Innenraum auf, in welchem ein Kolben 6 in Längsrichtung des Ventilkörpers 1 bewegbar angeordnet ist. Ein Kopplungselement 3 ist am oder im Ventilkörper 1 gehalten. Das Kopplungselement 3 ist in diesem Beispiel als Hohlschraube ausgebildet und über ein Aussengewinde 31 an einem in Strömungsrichtung ausgangsseitigen Ende des Ventilkörpers 1 eingeschraubt. Das Kopplungselement 3 weist einen Grundkörper 30 und einen Flansch 32 auf, wobei der Flansch 32 vorzugsweise an der äusseren Stirnseite des Ventilkörpers 1 aufliegt. Das Kopplungselement 3 weist, vorzugsweise im Bereich des Flansches 32, ein Innengewinde 320 auf. Im Innenraum des Kopplungselements 3 ist vorzugsweise eine umlaufende Schrägkante 321 ausgebildet, die einen sich in Gegenströmungsrichtung verjüngenden Konus ausbildet.

Die Zwischenleitung 21 bildet eine Auslassleitung des Rückschlagventils CV. Sie ist über ein erstes Verbindungselement 4 mit Aussengewinde 40 und einer ersten Buchse 80 mit Innengewinde 81 mit dem Ventilkörper 1 verbunden. In diesem Beispiel ist sie hierzu mit dem Kopplungselement 3 verbunden. Die Zwischenleitung 21 steht vorzugsweise an der umlaufenden Schrägkante 321 an und ist somit einerseits drehgesichert und in Längsrichtung fixiert gehalten.

Die Zwischenleitung 21 führt, wie bereits erwähnt, zur Zapfstelle. Sie ist somit ausgangsseitig am Rückschlagventil CV angeordnet.

Am gegenüberliegenden Ende des Ventilkörpers 1 ist die Zuleitung 20 mittels eines zweiten Verbindungselements 5 mit Aussengewinde 50 mit dem Ventilkörper und mittels einer zweiten Buchse 82 mit Innengewinde 83 mit dem Ventilkörper 1 verbunden. Die Zuleitung 20 bildet eine Einlassleitung des Rückschlagventils CV. Der Ventilkörper 1 weist im Innenraum ebenfalls eine umlaufende Schrägkante 10 auf, die einen sich nun in Strömungsrichtung verjüngenden Konus bildet. Die Zuleitung 20 liegt an dieser Schrägkante 10 an und ist somit drehgesichert und in Längsrichtung fixiert gehalten.

Wie in den Figuren 3 bis 6 gut erkennbar ist, ist zwischen dem Kolben 6 und dem Kopplungselement 3 eine Rückstellfeder 7 angeordnet. Sie ist mit einem Ende in eine Aufnahmeöffnung 620 des Kolbens 6 und mit einem anderen Ende in eine Aufnahmeöffnung 36 des Kopplungselements 3 eingelegt bzw. in diesen gehalten. Sie erstreckt sich mittig und in Richtung zur Kolbenachse 63, die in Figur 10 erkennbar ist.

In Figur 3 ist das Rückschlagventil CV im geschlossenen Zustand dargestellt, in Figur 5 im offenen Zustand. Die Strömungsrichtung durch das geöffnete Ventil ist in Figur 5 mit Pfeilen dargestellt. Ein durchströmendes Fluid, vorzugsweise Wasserstoff, umfliesst die äussere Oberfläche des Kolbens 6 und fliesst zwischen Kolben 6 und Innenwand des Ventilkörpers 1 durch Auslasskanäle 35 des Kopplungselements 3. Die Auslasskanäle 35 verlaufen, wie in den Figuren 3 und 5 gut erkennbar ist, schräg, d.h. in einem Winkel, zur Kolbenachse 63. Die Auslasskanäle 35 münden in einer gemeinsamen Kammer 38, die mit dem Lumen der Zwischenleitung 21 verbunden ist, so dass das Fluid aus dem Rückschlagventil CV ausströmen kann.

In den Figuren 6 bis 10 ist der Kolben 6 im Detail dargestellt. Er ist vorzugsweise aus einem Hochleistungskunststoff und noch bevorzugter aus PEEK hergestellt. Der Kolben 6 dichtet ohne Dichtring oder weitere Dichtung im Dichtsitz 11 des Ventilkörpers 1. Der Dichtsitz 11 ist vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen Metall hergestellt. Alternativ ist er aus einem anderen Material hergestellt, das härter ist als das Material des Kolbens 6.

Der Kolben 6 weist einen Grundkörper 60 mit einem ersten und einem zweiten Ende auf. Das erste Ende weist ein Endstück 62 mit einer Aufnahmeöffnung 620 in Form einer Sackbohrung auf. Das Endstück 62 ist in diesem Beispiel kegelstumpfförmig und die Aufnahmeöffnung 620 ist kreisförmig. Andere Formen sind möglich. Die Aufnahmeöffnung 620 dient zur Aufnahme der Rückstellfeder 7, wie dies in den Figuren 3 und 5 gut erkennbar ist. Die gegenüberliegende Stirnfläche 600 ist geschlossen und vorzugsweise plan ausgebildet. Dieses Ende ist konisch ausgebildet und verjüngt sich zur freien Stirnfläche 600 hin. Diese Stirnfläche 600 und/oder ihr benachbarter konischer Bereich bilden den Dichtbereich zum Verschliessen des Rückschlagventils CV aus. Bei geschlossenem Ventil liegt der Kolben 6 mit diesem Dichtbereich am sich erweiternden Dichtsitz 11 an. Dies ist in den Figuren 3 und 4 gut erkennbar.

Dem Grundkörper 60 stehen radial Rippen 61 vor. Sie erstrecken sich parallel zur Kolbenachse 63. Vorzugsweise erstecken sie sich annähernd über die gesamte Länge des Grundkörpers. In diesem Beispiel sind fünf Rippen 61 vorhanden, passend zu den fünf Auslasskanälen 35 des Kopplungselements 3. Zwischen den Rippen bildet der Grundkörper 60 die äusseren Oberflächen aus, entlang denen das Fluid fliesst. Die Anzahl dazwischenliegender Oberflächen sind somit vorzugsweise gleich wie die Anzahl Auslasskanäle 35. Vorzugsweise fluchten die Auslasskanäle 35 mit den zwischen den Rippen 61 liegenden Oberflächen.

Eine andere Anzahl Rippen 61 und Auslasskanäle 35 sind ebenfalls möglich. Es können auch unterschiedlich viele Rippen 61 im Vergleich zu den Auslasskanälen 35 vorhanden sein.

Die Rippen 61 erstrecken sich vorzugsweise bis zur Innenwandung des Ventilkörpers 1. Der Kolben 6 lässt sich somit geführt entlang der Kolbenachse 60 innerhalb des Ventilkörpers 1 bewegen. Je nach Ausführungsform ist der Kolben 6 um seine Kolbenachse drehbar im Ventilkörper 1 angeordnet. In anderen Ausführungsformen ist er drehgesichert im Ventilkörper 1 angeordnet. In einer Ausführungsform ist der Kolben 6 mit mindestens einer Rippe 61 im Ventilkörper 1 gelagert.

Aufgrund der gewählten Schnitte ist in den Figuren 3 bis 5 jeweils ein Abstand zwischen den Rippen 61 des Kolbens 6 und dem Ventilkörper 1 vorhanden. Im Schnitt gemäss Figur 4 ist jedoch im unteren Bereich des Kolbens 6 erkennbar, dass er an der Innenwandung des Ventilkörpers 1 anliegt.

In den Figuren 11 bis 15 ist das Kopplungselement 3 im Detail dargestellt. Es ist vorzugsweise aus Metall oder aus einem Hochleistungskunststoff gefertigt. Es weist einen zylinderförmigen Grundkörper 30 auf, der an einem Ende das Aussengewinde 31 und den daran anschliessenden Flansch 32 aufweist. Im Flansch 32 ist das Innengewinde 320 angeordnet. Am gegenüberliegenden Ende weist der Grundkörper 30 vorzugsweise einen stufenförmig verjüngten Bereich 33 auf, dem ein Endstück 34 mit kleinerem Durchmesser folgt. Im Grundkörper 30 und/oder im verjüngten Bereich sind die Auslasskanäle 35 angeordnet, wie dies durch die Zusammenschau der Figuren 14 und 3 gut erkennbar ist. Ein Dichtring 9 dichtet das Kopplungselement 3 im verjüngten Bereich 33 gegenüber dem Ventilkörper 1 ab, wie in Figur 3 erkennbar ist. Dieser Dichtring 9 ist vorzugsweise der einzige Dichtring und er befindet sich zwischen zwei statischen Bauteilen. In den Figuren 12 und 14 ist eine Entlüftungsöffnung 37 vorhanden. Sie führt durch den Ventilkörper 1 nach aussen und ermöglicht beispielsweise eine Prüfung der Dichtstellen.

Strömt ein Fluid in Strömungsrichtung, d.h. in den Figuren 3 und 5 von links nach rechts, durch die Zuleitung 20 in das Rückschlagventil CV, so wird der Kolben 6 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 7 nach rechts gedrückt und das Ventil öffnet sich. Das Fluid strömt entlang der äusseren Oberfläche des Kolbens 6 zu den Auslasskanälen 35 und in die Zwischenleitung 21. Entfällt der Fluiddruck in dieser Richtung, so schliesst sich das Rückschlagventil CV dank der Rückstellfeder 7 selbsttätig.

Wird jedoch bereits vor dem Verschliessen ein Fluiddruck in Gegenrichtung der Strömungsrichtung auf das Ventil ausgeübt, d.h. wenn ein Fluid von rechts nach links durch die Auslasskanäle 35 in den Innenraum des Ventilkörpers 1 fliesst, so wird dank der schrägen Anordnung der Auslasskanäle 35 der Druckstoss auf den Kolben 6 reduziert. Dies deshalb, weil die Druckbeaufschlagung nicht, oder nur minimal in senkrechter Richtung zum Kolben erfolgt. Der Kolben 6 kann somit nicht mit grosser Kraft auf den Dichtsitz prallen.

Die Schliessbewegung des Kolbens ist nach wie vor sanft bzw. gedämpft.

Das erfindungsgemässe Rückschlagventil ist für hohe Drücke einsetzbar und ermöglicht ein sanftes Schliessen auch bei einer Umkehrung der Druckeinwirkung.

BEZUGSZEICHENLISTE

Ventilkörper Schrägkante 6 Kolben Dichtsitz 60 Grundkörper

600 Stirnfläche

Zuleitung 61 Rippe

Zwischenleitung 62 Endstück Zapfleitung 620 Aufnahmeöffnung

63 Kolbenachse

Kopplungselement Grundkörper 7 Rückstellfeder Aussengewinde Flansch 80 erste Buchse

Innengewinde 81 Innengewinde Schrägkante 82 zweite Buchse verjüngter Bereich 83 Innengewinde Endstück

Auslasskanal 9 Dichtring

Aufnahmeöffnung Entlüftungsöffnung B1 erste Speicherbank Kammer B2 zweite Speicherbank

HV1 erstes Hochdruckventil erstes Verbindungselement HV2 zweites Hochdruckventil Aussengewinde CV1 erstes Rückschlagventil

CV2 zweites Rückschlagventil zweites Verbindungselement CV Rückschlagventil Aussengewinde

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Rückschlagventil, insbesondere einer Wasserstoffbetankungsanlage, wobei das Rückschlagventil einen Einlass und einen Auslass aufweist, die eine Strömungsrichtung definieren, welche sich vom Einlass zum Auslass erstreckt, und wobei das Rückschlagventil einen relativ zum Einlass und Auslass bewegbar angeordneten Kolben (6) zum Öffnen und Schliessen des Einlasses des Rückschlagventils aufweist, wobei der Kolben (6) eine Kolbenachse (63) definiert mit einem dem Einlass zugewandten ersten Ende und einem dem Auslass zugewandten zweiten Ende, wobei der Kolben (6) eine äussere Oberfläche aufweist, entlang welcher ein in Strömungsrichtung durch das Rückschlagventil strömendes Fluid strömt, und wobei der Auslass Auslasskanäle (35) aufweist, um das Fluid aus dem Rückschlagventil nach aussen strömen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass alle Auslasskanäle (35) des Auslasses schräg zur Kolbenachse (63) verlaufen.

2. Rückschlagventil nach Anspruch 1, wobei in einer geöffneten Position des Kolbens (6) ausschliesslich ein Kanal freigegeben ist, der sich vom Eingang zum Ausgang erstreckt und der sich ausschliesslich entlang der äusseren Oberfläche des Kolbens (6) erstreckt.

3. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Kolben (6) ausschliesslich einen Kanal zwischen Eingang und Ausgang öffnet, der sich nur entlang der äusseren Oberfläche des Kolbens (6) erstreckt.

4. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kolben (6) an seinem Umfang radial vorstehende Rippen (61) aufweist.

5. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Rückschlagventil einen Ventilkörper (1) aufweist, wobei der Kolben (6) im Ventilkörper (1) bewegbar angeordnet ist und wobei der Kolben (6) durch den Ventilkörper (1) geführt bewegbar ist.

6. Rückschlagventil nach den Ansprüchen 4 und 5, wobei mindestens eine der Rippen (61) im Ventilkörper (1) gelagert ist.

7. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der Ventilkörper (1) einen Dichtsitz (11) aufweist, an dem der Kolben (6) im geschlossenen Zustand des Rückschlagventils aufliegt, und wobei der Dichtsitz (11) aus Metall ist.

8. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 4, 6 oder 7, wobei die äussere Oberfläche, an der das Fluid entlang strömt, zwischen den Rippen (61) angeordnet ist.

9. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Kolben (6) ohne elastomere Dichtung dichtet.

10. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mindestens ein Teil des Kolbens (6) aus einem Kunststoff, vorzugsweise aus PEEK, gefertigt ist.

11. Rückschlagventil nach Anspruch 10, wobei der gesamte Kolben (6) aus Kunststoff, vorzugsweise aus PEEK, gefertigt ist.

12. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei eine Rückstellfeder (7) vorhanden ist, die den Kolben (6) in einen Dichtsitz (11) drückt, um das Rückschlagventil zu schliessen.

13. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Kopplungselement (3) vorhanden ist, das an einem Gehäuse des Rückschlagventils befestigt ist, wobei das Kopplungselement (3) Durchgangsöffnungen aufweist, welche die Auslasskanäle (35) bilden.

14. Rückschlagventil nach Anspruch 13, wobei der Kolben (6) im Ventilkörper (1) geführt ist und beabstandet zum Kopplungselement (3) angeordnet ist.

15. Rückschlagventil nach den Ansprüchen 12 und einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die Rückstellfeder (7) mit einem ersten Ende im Kolben (6) und mit einem zweiten Ende im Kopplungselement (3) angeordnet ist.

16. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 12 oder 15, wobei die Rückstellfeder (7) im Kolben (6) angeordnet ist und wobei sie von den Auslasskanälen (35) umgeben ist.

17. Rückschlagventil nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Ventilkörper (1) das Gehäuse ist.

18. Rückschlagventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei gleich viele Auslasskanäle (35) und Oberflächen zwischen den Rippen (21) vorhanden sind.

19. Einheit einer Wasserstoffbetankungsanlage mit einer ersten Leitung zur Verbindung einer ersten Speicherbank (B1) mit einer Zapfleitung (22) und einer zweiten Leitung zur Verbindung einer zweiten Speicherbank (B2) mit derselben Zapfleitung (22), wobei eine Befüllungsrichtung von der ersten Speicherbank (B1) und der zweiten Speicherbank (B2) zur Zapfleitung (22) führt, wobei in der ersten Leitung ein erstes Hochdruckventil (HV1) und ein erstes Rückschlagventil (CV1) angeordnet sind, wobei das erste Rückschlagventil (CV1) dem ersten Hochdruckventil (HV1) in Befüllungsrichtung nachfolgend angeordnet ist, wobei in der zweiten Leitung ein zweites Hochdruckventil (HV2) und ein zweites Rückschlagventil (CV2) angeordnet sind, wobei das zweite Rückschlagventil (CV2) dem zweiten Hochdruckventil (HV2) in Befüllungsrichtung nachfolgend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rückschlagventil (CV1) und das zweite Rückschlagventil (CV2) Rückschlagventile gemäss einem der Ansprüche 1 bis 18 sind.