DE10045880A1 - Ventil - Google Patents

Abstract

Ein Ventil dient zur Regelung der Durchflußmenge eines Fluids durch eine Rohranlage, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem. Es weist drei Anschlüsse für drei Leitungen auf, wobei wenigstens eine Zuleitung und wenigstens eine Ableitung vorgesehen sind sowie ein Stellglied, welches zwischen zwei Endstellungen linear verschieblich ist, wobei in der einen Endstellung des Stellgliedes eine maximale Durchflußmenge von einer Zuleitung zu einer Ableitung strömen kann und zugleich die andere Ableitung oder die andere Zuleitung durch das Stellglied abgesperrt ist. In der anderen Endstellung des Stellgliedes kann die maximale Durchflußmenge von der Zuleitung zu einer weiteren Ableitung oder von einer weiteren Zuleitung zu der Ableitung strömen und zugleich ist die andere Ableitung oder die andere Zuleitung durch das Stellglied abgesperrt. Das Stellglied weist an seiner der einzigen Zuleitung oder der einzigen Ableitung zugewandten Seite eine spitz zulaufende, strömungsgünstige Form auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Regelung der Durchflußmenge eines Fluids durch eine Rohranlage, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem.

Aus der DE 299 20 941 U1 ist ein molchbares Dreiwege­ ventil bekannt, bei dem ein molchbarer Durchgang des Ventilglieds von einem Raum umgeben ist, der zwei Öff­ nungen nach außen aufweist. Mit der dort beschriebenen Anordnung soll bei niedrigem baulichen Aufwand ein Ein-Molchsystem gefahren werden können.

Einen Einrohr-Zweiwege-Verteiler beschreibt die DE 44 11 529 A1. Hierbei ist ein Drehschieber in einem Ge­ häuse gelagert, welches eine Zuleitung und zwei Ablei­ tungen aufweist. Durch den Drehschieber verläuft eine Leitung, welche bei entsprechender Verdrehung des Drehschiebers wahlweise den Zulauf mit einem der bei­ den Abläufe verbindet.

Mit beiden bekannten Ventilen ist jedoch eine Durch­ flußmengenregelung konstruktionsbedingt nicht möglich, weshalb der Einsatzbereich der Ventile verhältnismäßig eng begrenzt ist.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Ventile zur Regelung von Durchflußmengen bringen häufig den Nachteil mit sich, daß sie einen verhältnismäßig hohen Druckverlust erzeugen und somit aufgrund der erforder­ lichen Anhebung der Pumpenleistung zu einer Verschwen­ dung von Energie beitragen. Derartige Ventile haben häufig den weiteren Nachteil, daß zur Verstellung des Stellgliedes zwischen den zwei Endstellungen nur ein sehr kurzer Weg zur Verfügung steht und somit eine feinfühlige Regelung nicht möglich ist.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ventil zur Regelung der Durchflußmenge eines Fluids zu schaffen, welches zum einen nur einen sehr geringen Druckverlust in der Rohranlage erzeugt und welches zum anderen in der Lage ist, die Durchflußmenge sehr fein­ fühlig zu regeln.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in An­ spruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Ventil ist es vorteilhafter­ weise möglich, die Durchflußmenge von einer Zuleitung zu zwei Ableitungen von jeweils 0% bis 100% stufen­ los und sehr feinfühlig zu regeln. Alternativ kann das erfindungsgemäße Ventil auch eingesetzt werden, um aus zwei Zuläufen einströmende Fluide in eine gemeinsame Ableitung einzuleiten und dabei gleichzeitig in einem bestimmten, sehr genau einstellbaren Verhältnis zu mischen.

Dadurch, daß das Stellglied an seiner der einzigen Zuleitung oder der einzigen Ableitung zugewandten Sei­ te eine spitz zulaufende, strömungsgünstige Form auf­ weist, ergibt sich für das das erfindungsgemäße Ventil durchströmende Fluid nur ein äußerst geringer Strö­ mungswiderstand, was vorteilhafterweise zu einem ge­ ringen Druckverlust innerhalb der gesamten Rohranlage aufgrund des Ventils führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 die Anordnung des erfindungsgemäßen Ventils in einer Rohranlage eines Brennstoffzellensy­ stems;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Rohranlage und das darin angeordnete erfindungsgemäße Ventil, wo­ bei sich das Stellglied in einer ersten Posi­ tion befindet;

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2, bei der sich das Stellglied in einer zweiten Position be­ findet; und

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Rohranlage 1 eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzel­ lensystems, welches unter anderem eine Kammer 2 aufweist. Die Kammer 2 wird von einem Medium durchströmt, wobei prinzipiell als Medium jedes Fluid, also ein beliebiges Gas oder eine beliebige Flüssigkeit, einge­ setzt werden kann.

Der Kammer 2 ist ein Ventil 5 vorgeschaltet, an wel­ ches eine Zuleitung 6 und zwei Ableitungen 7 und 8 angeschlossen sind, die im vorliegenden Fall allesamt mit rundem Querschnitt ausgeführt sind, wobei selbst­ verständlich auch andere Querschnittsformen möglich sind. Hierzu weist das Ventil 5 drei Anschlüsse 6a, 7a und 8a auf. Die Ableitung 7 stellt gleichzeitig die Zuführleitung für das Medium zu der Kammer 2 dar, wo­ hingegen die Ableitung 8 eine Bypassleitung bildet, die in Strömungsrichtung nach der Kammer 2 in eine Abführleitung 9 einmündet, die das Medium aus der Kam­ mer 2 ableitet. Dieser in Fig. 1 dargestellte Einsatz des Ventils 5 stellt nur eines von vielen möglichen Anwendungsbeispielen für das in Fig. 2 näher darge­ stellte Ventil 5 dar. Statt der Anwendung in einem Brennstoffzellensystem könnte das Ventil 5 beispiels­ weise auch ganz allgemein in einer Rohranlage 1 für einen anderen Zweck eingesetzt werden.

Gemäß Fig. 2 weist das Ventil 5 ein Stellglied 10 auf, welches dafür vorgesehen ist, die Menge des über die Zuleitung 6 einströmenden Fluids auf die Ableitung 7 oder die Ableitung 8 bzw. auf die Ableitungen 7 und 8 gleichzeitig in einem bestimmten Verhältnis zu vertei­ len. Hierzu ist das Stellglied 10 zwischen zwei Posi­ tionen, die Endstellungen 11 und 12 bilden, linear verschieblich. Die Endstellungen 11 und 12 befinden sich jeweils an einer Seite des Durchmessers der Zu­ leitung 6. Durch den verhältnismäßig großen Abstand der beiden Endstellungen 11 und 12 ist eine sehr fein­ fühlige Regelung der Durchflußmenge mittels des Stell­ gliedes 10 möglich.

Befindet sich das Stellglied 10 beispielsweise in der Endstellung 11, wie in Fig. 3 dargestellt, so strömen von der Zuleitung 6 in die Ableitung 7 100% des Volu­ menstroms, wohingegen in die Ableitung 8 kein Fluid strömt. Wenn sich das Stellglied 10 in nicht darge­ stellter Weise in der zweiten Endstellung 12 befindet, strömen selbstverständlich von der Zuleitung 6 100% des Volumenstroms in die Ableitung 8, während in der Ableitung 7 keine Fluidströmung zu verzeichnen ist. Die Zuleitung 6 ist hierbei T-förmig mit den beiden Ableitungen 7 und 8 zusammengeführt, wobei auch eine parallele Anordnung aller Leitungen 6, 7 und 8 mit der Zuleitung 6 in der Mitte denkbar ist.

In der Zwischenstellung des Stellglieds 10, wie in Fig. 2 dargestellt, verteilt sich das über die Zulei­ tung 6 einströmende Fluid in einem bestimmten Verhält­ nis, das von der genauen Position des Stellgliedes 10 abhängt, in die zwei Ableitungen 7 und 8. Somit ist also, abhängig von der Position des Stellgliedes 10, eine sehr genaue Aufteilung des Fluidstroms auf die beiden Ableitungen 7 und 8 möglich, wobei sich ein einfach zu berechnendes, lineares Verhältnis zwischen der Position des Stellgliedes 10 und der Durchflußmen­ ge jeder der beiden Ableitungen 7 und 8 ergibt. Falls beide Ableitungen 7 und 8 verschlossen werden sollen, so wäre gegebenenfalls in der Zuleitung 6 eine nicht dargestellte Klappe oder ein ähnliches Element anzu­ bringen.

Um die oben beschriebene, lineare Verschiebung zu er­ reichen, ist das Stellglied 10 mit einer Antriebsein­ richtung 13 verbunden, im vorliegenden Fall mit einem Linearantrieb 13a, der einen Antriebsmotor 14 und eine Spindel 15 aufweist. Das Stellglied 10 ist mit der Antriebseinrichtung 13 über einen Bolzen 16 verbunden, welcher durch ein in der Rohranlage 1 sich befindli­ ches, durch eine gestrichelte Linie angedeutetes Lang­ loch 17 geführt ist. Selbstverständlich stellt dies nur eine beispielhafte praktische Umsetzung der An­ triebseinrichtung 13 dar, wobei das Langloch 17 nicht abgedichtet werden müßte, da die gesamte Antriebsein­ richtung 13 von einem Gehäuse 18 umgeben ist, welches ein Austreten des Fluids verhindert. Alternativ könnte das Langloch 17 auch mit Hilfe einer nicht dargestell­ ten Dichtungseinrichtung gegenüber der Rohranlage 1 abgedichtet sein. Lediglich bei sehr korrosiven Gasen oder Flüssigkeiten wäre eine solche Abdichtung des Langlochs 17 wünschenswert, um eine Beschädigung der Antriebseinrichtung 13 zu verhindern.

Eine andere Art, das Stellglied 10 zu führen, könnte beispielsweise durch eine direkte Führung mit entspre­ chenden, nicht dargestellten Elementen innerhalb der Ableitungen 7 und 8 gegeben sein.

Alternativ zu der Verbindung des Stellgliedes 10 mit der Antriebseinrichtung 13 über den Bolzen 16 könnte in nicht dargestellter Weise auch ein magnetischer Mitnehmer vorgesehen sein, wodurch auf eine Öffnung in der Rohranlage 1 verzichtet werden könnte. Anstatt der Ausbildung der Antriebseinrichtung 13 als Linearan­ trieb 13a wäre in einer nicht dargestellten Ausfüh­ rungsform beispielsweise auch eine pneumatische Antriebseinrichtung 13 denkbar.

Um einen möglichst geringen Strömungswiderstand zu bewirken und somit den Druckverlust in der Rohranlage 1 möglichst niedrig zu halten, ist das Stellglied 10 an seiner der Zuleitung 6 zugewandten Seite mit einer spitz zulaufenden, strömungsgünstigen Form versehen. Dabei entsteht eine Spitze 19, die in den beiden End­ stellungen 11 und 12 auch für eine Abdichtung der je­ weils verschlossenen Ableitung 7 oder 8 gegenüber der Zuleitung 6 sorgt. Gegebenenfalls kann im Bereich der Spitze 19 auch ein Dichtelement angeordnet sein. Um den Strömungswiderstand noch weiter zu reduzieren und der Strömung eine Richtung in die Ableitung 7 bzw. 8 zu geben, weist das Stellglied 10 auf seinen den bei­ den Ableitungen 7 und 8 zugewandten Seiten in einer Ebene, die senkrecht zum Strömungsquerschnitt in den beiden Ableitungen 7 und 8 liegt, eine gekrümmte Form auf. Diese hohl gekrümmte Form bzw. Bogenform verläuft über einen Winkel von ca. 90°, so daß das einströmende Fluid von der Zuleitung 6 tangential entlang des Stellgliedes 10 geleitet wird und durch die gekrümmte Form schließlich tangential in eine der Ableitungen 7 bzw. 8 gelangt. Hierbei ist also auch an den beiden den Ableitungen 7 und 8 zugewandten Seiten des Stell­ gliedes 10 eine strömungsgünstige Form gegeben.

Wie in dem Schnitt gemäß Fig. 4 dargestellt, ist das Stellglied 10 zum Zwecke einer noch besseren Führung des Fluids und einem geringeren Druckverlust durch das Ventil 5 auf seinen den beiden Ableitungen 7 und 8 zugewandten Seiten konkav ausgebildet.

Anstatt der in den Figuren dargestellten Anwendung mit der einen Zuleitung 6 und den beiden Ableitungen 7 und 8 könnte das Ventil 5 selbstverständlich auch dann eingesetzt werden, wenn es sich bei den Leitungen 7 und 8 um zwei Zuleitungen und bei der Leitung 6 um eine Ableitung handeln würde. Dann könnte das Ventil 5 dazu dienen, zwei aus den beiden Zuleitungen 7 und 8 einströmende Fluide in einem bestimmten, durch die Position des Stellgliedes 10 festgelegten Verhältnis zu mischen. Der Druckverlust in der Rohranlage 1 würde dabei durch die strömungsgünstige Form des Stellglie­ des 10 an seinen den beiden Zuleitungen 7 und 8 zuge­ wandten Seiten auf einem geringen Niveau gehalten.

Unter einer spitz zulaufenden Form kann bei dem Stell­ glied 10 auch die Form einer Scheibe verstanden wer­ den, die senkrecht oder geneigt zu den Ableitungen 7, 8 angeordnet ist, oder auch eine Form in der Art eines Winkels, dessen einer Schenkel in Richtung der Zulei­ tung 6 und dessen anderer Schenkel in Richtung in Richtung der Ableitung 7 oder 8 weist.

Claims (11)

1. Ventil (5) zur Regelung der Durchflußmenge eines Fluids durch eine Rohranlage (1), insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, mit drei Anschlüssen (6a, 7a, 8a) für drei Leitungen (6, 7, 8), wobei we­ nigstens eine Zuleitung (6) und wenigstens eine Ableitung (7, 8) vorgesehen sind, mit einem Stell­ glied (10), welches zwischen zwei Endstellungen (11, 12) linear verschieblich ist, wobei in der ei­ nen Endstellung (11) des Stellgliedes (10) eine maximale Durchflußmenge von einer Zuleitung (6) zu einer Ableitung (7 bzw. 8) strömen kann und zu­ gleich die andere Ableitung (8 bzw. 7) oder die andere Zuleitung (6) durch das Stellglied (10) ab­ gesperrt ist, und wobei in der anderen Endstellung (12) des Stellgliedes (10) die maximale Durchfluß­ menge von der Zuleitung (6) zu einer weiteren Ab­ leitung (8 bzw. 7) oder von einer weiteren Zulei­ tung (6) zu der Ableitung (7 bzw. 8) strömen kann und zugleich die andere Ableitung (8 bzw. 7) oder die andere Zuleitung (6) durch das Stellglied (10) abgesperrt ist, wobei das Stellglied (10) an sei­ ner der einzigen Zuleitung (6) oder der einzigen Ableitung (7 bzw. 8) zugewandten Seite eine spitz zulaufende, strömungsgünstige Form aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (10) auf seinen den beiden Ablei­ tungen (7, 8) oder den beiden Zuleitungen (6) zuge­ wandten Seiten in einer Ebene senkrecht zum Strö­ mungsquerschnitt in den beiden Ableitungen (7, 8) oder den beiden Zuleitungen (6) eine gekrümmte Form aufweist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Form über einen Winkel von jeweils wenigstens annähernd 90° verläuft.

4. Ventil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (10) auf seinen den beiden Ablei­ tungen (7, 8) oder den beiden Zuleitungen (6) zuge­ wandten Seiten eine spitz zulaufende, strömungs­ günstige Form aufweist.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (10) auf seinen den beiden Ablei­ tungen (7, 8) oder den beiden Zuleitungen (6) zuge­ wandten Seiten konkav ausgebildet ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Zuleitung (6) oder die einzige Ablei­ tung (7 bzw. 8) T-förmig mit den beiden Ableitun­ gen (7, 8) oder den beiden Zuleitungen (6) zusammengeführt ist.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (10) durch eine Antriebseinrichtung (13) linear verschieblich ist.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (10) mit der Antriebseinrichtung (13) über einen Bolzen (16) verbunden ist, welcher durch ein sich in der Rohranlage (1) befindliches Langloch (17) geführt ist.

9. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (10) mit der Antriebseinrichtung (13) über ein magnetischen Mitnehmer verbunden ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (13) als Linearantrieb (13a) ausgebildet ist.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (13) als pneumatische An­ triebseinrichtung (13) ausgebildet ist.