DE102007039925A1

DE102007039925A1 - Mehrstufiger Druckregler

Info

Publication number: DE102007039925A1
Application number: DE200710039925
Authority: DE
Inventors: Rainer Pechtold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2008-04-17
Also published as: US7575020B2; US20080047619A1

Abstract

Es wird ein Druckregler offenbart, wobei mehrere Ventilstufen verwendet werden, um geringe Durchflüsse zu bedienen und um ein Dämpfungsverhältnis des Reglers zu maximieren.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Druckregler und im Spezielleren einen Druckregler, der mehrere Ventilstufen umfasst, um eine Leistung desselben während eines Betriebs mit geringem Durchfluss zu maximieren und um ein Dämpfungsverhältnis des Reglers zu maximieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode und dazwischen einen Elektrolyten umfasst. Die Anode empfängt einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoffgas, und die Kathode empfängt ein Fluid, beispielsweise Sauerstoff oder Luft. Mehrere Brennstoffzellen werden typischerweise zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um ein gewünschtes Maß an Leistung zu erzeugen. Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug kann mehrere hundert einzelne Zellen umfassen. Das Fluid wird typischerweise mithilfe eines Kompressors durch den Stapel durchgeführt. Sauerstoff, der in dem Stapel nicht verbraucht worden ist, wird als Kathoden-Abgas ausgestoßen und kann als Stapel-Nebenprodukt Wasser umfassen.
Druckregler kommen bei Brennstoffzellensystemen an verschiedenen Stellen zum Einsatz, um Drücke und Durchflüsse zu steuern. Druckregler können beispielsweise an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels eingesetzt werden, um eine Druckverringerung des Wasserstoffgases zu erreichen, das von einem Wasserstoff-Druckspeichertank über einen Anodeneinlass zu dem Stapel strömt. An dem Ausgang des Wasserstoff-Druck tanks kann der Druckregler benötigt werden, um den Druck von 30-700 bar (abs) auf 4-9 bar (abs) zu verringern. An dem Eingang zu der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels kann die Druckverringerung von 4-9 bar (abs) bis 1-2 bar (abs) betragen. Bei beiden dieser Anwendungen kann der Wasserstoffdurchfluss zwischen 0,02 und 2,0 g/s variieren. Diese Parameter schaffen ein Regler-Dämpfungsverhältnis bzw. einen Betriebsbereich von ungefähr 1:100.
Bekannte Druckregler sind im Allgemeinen für Dämpfungsverhältnisse in dem Bereich von 1:10 bis 1:20 entworfen und benötigen typischerweise einen relativ konstanten Einlassdruck. Derartige Druckregler sind typischerweise für Brennstoffzellensystemanwendungen nicht geeignet, und zwar aufgrund der bei niedrigen Durchflüssen erforderlichen, präzisen Druckregelung und der straffen Strömungssteuerung, die an dem Anodeneinlass nötig sind.
Es wäre wünschenswert, einen Druckregler zu entwickeln, der in der Lage ist, für hohe Dämpfungsverhältnisse zu sorgen und bei dem die Präzision im Umgang mit geringen Durchflüssen maximiert ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschenderweise ein Druckregler entdeckt worden, der in der Lage ist, für hohe Dämpfungsverhältnisse zu sorgen, wobei eine Präzision im Umgang mit geringen Durchflüssen maximiert ist.
In einer Ausführungsform umfasst ein Druckregler einen Grundkörper, der einen Ventilsitz und einen Strömungspfad definiert, wobei der Strömungspfad einen Einlass und einen Auslass aufweist; eine Ventilanordnung, die in dem Grundkörper entlang dem Strömungspfad angeordnet ist und einen ersten Kopf und einen zweiten Kopf umfasst, wobei der erste Kopf in Bezug auf den zweiten Kopf beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist, wobei der zweite Kopf in Bezug auf den Ventilsitz beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist; ein Dichtungselement, das in dem Grundkörper angeordnet ist, wobei der erste Kopf das Strömen eines Fluids in einem ersten Durchflussbereich vereinfacht und der erste Kopf und der zweite Kopf zusammenwirken, um das Strömen eines Fluids in einem zweiten Durchflussbereich zu vereinfachen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Druckregler einen Grundkörper, der einen Strömungspfad definiert, wobei der Strömungspfad einen Einlass und einen Auslass aufweist; ein Dichtungselement, das einen Ventilsitz und eine Öffnung definiert, wobei das Dichtungselement in auf- und abgehender Weise in einer in dem Grundkörper ausgebildeten, zweiten Kammer angeordnet ist; eine Ventilanordnung, die in einer in dem Grundkörper ausgebildeten und mit dem Dichtungselement verbundenen, ersten Kammer angeordnet ist, wobei die Ventilanordnung einen ersten Kopf und einen zweiten Kopf umfasst, wobei der erste Kopf in Bezug auf den zweiten Kopf beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist, wobei der zweite Kopf in Bezug auf den Ventilsitz beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist; einen Einlasskanal, der in dem Grundkörper ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der ersten Kammer und dem Strömungspfad steht; und einen Auslasskanal, der in dem Grundkörper ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der zweiten Kammer und dem Strömungspfad steht.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Strömungssteuer-Druckregler zur Steuerung einer Fluidströmung einen Grundkörper, der einen Ventilsitz und einen Strömungspfad definiert, wobei der Strömungspfad einen Einlass und einen Auslass aufweist; eine Ventilanordnung, die in einer in dem Grundkörper ausgebildeten, ersten Kammer angeordnet ist und einen ersten Kopf und einen zweiten Kopf umfasst, wobei der erste Kopf in Bezug auf den zweiten Kopf beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist, wobei der zweite Kopf in Bezug auf den Ventilsitz beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist; ein Dichtungselement, das in auf- und abgehender Weise in einer zweiten Kammer angeordnet ist, welche in dem Grundkörper ausgebildet ist, wobei das Dichtungselement mit der Ventilanordnung verbunden ist; eine erste Feder, die zwischen dem Grundkörper und dem Dichtungselement angeordnet ist; eine zweite Feder, die zwischen dem Grundkörper und der Ventilanordnung angeordnet ist; einen Einlasskanal, der in dem Grundkörper ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der ersten Kammer und dem Strömungspfad steht; und einen Auslasskanal, der in dem Grundkörper ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der zweiten Kammer und dem Strömungspfad steht.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben erwähnten, sowie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf einfache Weise aus der folgenden, detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Lichte der beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine Querschnittsansicht eines bekannten Druckreglers ist;
2 eine Querschnittsansicht eines Druckreglers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist, welche die Ventilköpfe in geschlossener Stellung zeigt;
3 eine Querschnittsansicht des in 2 veranschaulichen Druckreglers ist, welche die Ventilköpfe in einer Stellung für geringe Durchflüsse zeigt;
4 eine Querschnittsansicht des in 2 veranschaulichten Druckreglers ist, welche die Ventilköpfe in einer Stellung für relativ hohe Durchflüsse zeigt;
5 eine Querschnittsansicht eines Druckreglers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
6 eine Querschnittsansicht eines Druckreglers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
7 eine Querschnittsansicht eines Druckreglers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist;
8 eine Querschnittsansicht eines Druckreglers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist, welche die Ventilköpfe in geschlossener Stellung zeigt;
9 eine Querschnittsansicht des in 8 veranschaulichten Druckreglers ist, welche die Ventilköpfe in einer Stellung für relativ geringe Durchflüsse zeigt; und
10 eine Querschnittsansicht des in 8 veranschaulichten Druckreglers ist, welche die Ventilköpfe in einer Stellung für relativ hohe Durchflüsse zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht. Die Beschreibung und die Zeichnungen sollen es dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung zu realisieren und zu verwenden und es soll dadurch der Umfang der Erfindung keineswegs in irgendeiner Art beschränkt werden.
1 zeigt einen bekannten Druckregler 10 mit einem Reglerkörper 12. Ein Fluid strömt in einen Einlasskanal 14 und tritt an einem Auslasskanal 16 aus dem Regler 10 aus. Der hier verwendete Begriff "Fluid" bezieht sich auf eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine beliebige Kombination aus diesen. Das Fluid strömt entlang einem Strömungspfad 11 durch den Einlasskanal 14 zu einer ersten Kammer 18, durch eine Mündung 20 und in eine zweite Kammer 22. Die zweite Kammer 22 steht in Fluidverbindung mit einem Auslasskanal 16.
Die Strömung des Fluids von dem Einlasskanal 14 zu dem Auslasskanal 16 wird durch ein Ventil 28 gesteuert, das innerhalb der ersten Kammer 18 positioniert ist. Das Ventil 28 umfasst einen Ventilkopf 30, einen Ventilkörper 32 und eine Ventilfeder 34, die um den Ventilkörper 32 herum angeordnet ist. Der Ventilkopf 30 sitzt auf einem konisch zulaufenden Ventilsitz 36 auf, der an einem Eingangsabschnitt der Mündung 20 positioniert ist. Die Ventilfeder 34 drückt den Ventilkopf 30 mit dem Ventilsitz 36 in Eingriff. Ein Einstellelement 26 ist in einer in dem Reglerkörper 12 ausgebildeten und mit Gewinde versehenen Durchbrechung angeordnet. Ein Schaft 38 ist zwischen dem Ventilkopf 30 und einem zylindrischen Element 40 vorgesehen, das in der zweiten Kammer 22 angeordnet ist. Eine Membrananordnung 42 ist in der zweiten Kammer 22 angeordnet und umfasst eine Tragstruktur 44 mit einer darin ausgebildeten, zentralen Bohrung 46. Das zylindrische Element 40 ist in der zentralen Bohrung 46 aufgenommen. Ein Membranenpaar 48, 50 ist an entgegengesetzten Seiten der Tragstruktur 44 angeordnet. Ein peripherer Rand der Membranen wird durch den Reglerkörper 12 zurückgehalten. Der Reglerkörper 12 umfasst wahlweise einen darin ausgebildeten Kanal 52, um eine Überwachung auf Leckagen durch die Membranen 48, 50 hindurch zu vereinfachen.
Eine Feder 54 ist in einer Federkammer 56 angeordnet. Ein erstes Ende der Feder 54 liegt an der Tragstruktur 44 an und ein zweites Ende der Feder liegt an einer Schraube 58 an. Ein Bezugskanal 60 steht in Fluidverbindung mit der Kammer 56. Die Feder 54 wendet gegen die Membrananordnung eine Vorspannung 42 an, die von der Schraube 58 eingestellt wird. Eine von der Feder 54 auf die Tragstruktur 44 ausgeübte Kraft wird durch Drehen der Schraube 58 eingestellt, um das Ausmaß des Kompressionsdrucks der Feder 54 zu verändern.
Wenn bei der Verwendung in einer Brennstoffzelle ein größerer Wasserstoffdurchfluss erforderlich ist, nimmt die Wasserstoffströmung unterstromig von dem Auslasskanal 16 zu, was zu einer Abnahme des Drucks an dem Auslasskanal 16 führt. Es versteht sich, dass andere Fluide verwendet werden können, ohne dass dadurch von der Wesensart oder dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Die Druckabnahme wird auf den Abschnitt der Kammer 22 unterhalb der Membran 50 übertragen, wodurch es ermöglicht wird, dass die Feder 54 sich linear ausdehnt. Daher bewegen sich die Membrananordnung 42 und der Schaft 38 nach unten. Die Abwärtsbewegung des Schafts 38 bewirkt, dass zumindest ein Abschnitt des Ventilkörpers 32 in einer in dem Einstellelement 26 ausgebildeten Bohrung 62 positioniert wird. Dies bewirkt, dass der Kopf 30 sich weiter von dem Ventilsitz 36 weg bewegt und eine zusätzliche Wasserstoff strömung von dem Einlasskanal 14 durch die Mündung 20 hindurch erlaubt. Während die Anforderung an Wasserstoff abnimmt, nimmt die Wasserstoffströmung unterstromig von dem Auslasskanal 16 ab, was zu einem Anstieg des Drucks an dem Auslasskanal 16 führt. Der Druckanstieg wird auf den Abschnitt der Kammer 22 unterhalb der Membran 50 übertragen, wodurch bewirkt wird, dass die Feder 54 linear zusammengedrückt wird. Dadurch wird bewirkt, dass der Kopf 30 sich näher an den Ventilsitz 36 heran bewegt und dass sich der Wasserstoffdurchfluss durch die Mündung 20 hindurch verringert.
Da die Größe der Mündung 20 an dem Ventilsitz 26 nicht verstellbar ist, ist der Durchfluss zwischen einer vollständig geschlossenen Stellung und einer vollständig geöffneten Stellung des Ventils 28 ebenfalls nicht verstellbar, was ein geringes Dämpfungsverhältnis zur Folge hat. Druckregler sind dafür entworfen, die maximale Strömung zu erlauben, die angefordert wird. Dies führt jedoch zu einer schlechten Strömungsempfindlichkeit bei niedrigen Durchflüssen, und zwar bedingt durch die Größe der Windung 20 in Verbindung mit der von dem Ventilsitz 36 weg führenden Öffnungsbewegung des Ventilkopfs 30. Zusätzlich kann das Ventil 28 während eines Zustands mit geringer Strömung zittern, was zu einer schlechten Strömungsempfindlichkeit führt.
2-4 veranschaulichen einen Strömungssteuer-Druckregler 10' mit einem Reglerkörper 12' gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Ähnliche Strukturelemente wie die weiter oben für 1 beschriebenen, die hier in Bezug auf 2-4 wiederholt werden, umfassen dieselben Bezugszahlen, versehen mit einem Strich-Symbol ('). Ein Zwei-Kopf-Ventil 70, das in einer ersten Kammer 18' angeordnet ist, umfasst einen ersten Kopf 72, einen zweiten Kopf 74, einen Ventilkörper 32' und eine Ventilfeder 34', die um den Ventilkörper 32' herum angeordnet ist. Der erste Kopf 72 umfasst ein konisch zulaufendes Ende 76, das auf einer entsprechenden, konisch zulaufenden Innenfläche 78 des zweiten Kopfs 74 aufsitzt. Der zweite Kopf 74 weist ein konisch zulaufendes Ende 75 auf und umfasst eine darin ausgebildete Durchbrechung 79. Das konisch zulaufende Ende 75 des zweiten Kopfs 74 sitzt auf einem konisch zulaufenden Ventilsitz 36' auf, der an einem Eingangsabschnitt einer Mündung 20' vorgesehen ist. Die Ventilfeder 34' drückt den ersten Kopf 72 mit der konisch zulaufenden Innenfläche 78 in Eingriff. Ein Einstellelement 26' ist in einer in dem Reglerkörper 12' ausgebildeten Durchbrechung angeordnet. Ein Schaft 38' ist zwischen dem ersten Kopf 72 und einem Dichtungselement 80 vorgesehen. Das Dichtungselement 80 ist in auf- und abgehender Weise in der zweiten Kammer 22' angeordnet. Ein O-Ring-Paar 82 ist zwischen dem Dichtungselement 80 und einer die zweite Kammer 22' bildenden Wand angeordnet, um zwischen diesen eine fluiddichte Abdichtung zu bilden. Es versteht sich, dass ein Reglerkörper 12' der weiter oben für 1 besprochenen Art mit einem zylindrischen Element (nicht gezeigt) und einer Membrananordnung (nicht gezeigt) wie weiter oben beschrieben anstelle des Dichtungselements 80 verwendet werden kann, ohne dass dadurch von der Wesensart oder dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.
Eine Feder 54' ist innerhalb der zweiten Kammer 22' positioniert. Ein erstes Ende 84 der Feder 54' liegt an dem Dichtungselement 80 an und ein zweites Ende 86 der Feder 54' liegt an einer Schraube 58' an. Die Feder 54' wendet gegen das Dichtungselement 80 eine Vorspannung an, die von der Einstellschraube 58' eingestellt wird. Eine von der Feder 54 auf das Dichtungselement 80 ausgeübte Kraft kann durch Drehen der Einstellschraube 58' eingestellt werden, um ein Ausmaß des Kompressionsdrucks der Feder 54' zu verändern.
Bei der Verwendung in einer Brennstoffzelle wird die Fluidströmung an einem Einlasskanal 14' eingebracht, strömt entlang einem Strömungspfad 11' und tritt an einem Auslasskanal 16' aus dem Regler 10' aus. Das Fluid von dem Einlasskanal 14' strömt durch eine erste Kammer 18', dann durch eine Mündung 20 und in eine zweite Kammer 22', die in Fluidverbindung mit dem Auslasskanal 16' steht. Die Strömung des Fluids von dem Einlasskanal 14' zu dem Auslasskanal 16' wird durch ein Zwei-Kopf-Ventil 70 gesteuert, das innerhalb der ersten Kammer 18' positioniert ist. Wenn ein größerer Wasserstoffdurchfluss erforderlich ist, nimmt die Wasserstoffströmung unterstromig von dem Auslasskanal 16' zu, was zu einer Abnahme des Drucks an dem Auslasskanal 16' führt. Die Druckabnahme wird auf den Abschnitt der Kammer 22' unterhalb des Dichtungselements 80 übertragen, wodurch es ermöglicht wird, dass die Feder 54' sich linear ausdehnt. Daher bewegen sich das Dichtungselement und der Schaft 38' nach unten. Die Abwärtsbewegung des Schafts 38' bewirkt, dass zumindest ein Abschnitt des Ventilkörpers 32' in einer in dem Einstellelement 26' ausgebildeten Bohrung 62' positioniert wird. Dies bewirkt, dass der erste Kopf 72 sich weiter von der konisch zulaufenden, Innenfläche 78 des zweiten Kopfs 74 weg bewegt und eine zusätzliche Wasserstoffströmung von dem Einlasskanal 14' durch die Mündung 20' hindurch erlaubt. Diese Stellung ist in 3 veranschaulicht. Es wird ermöglicht, dass Wasserstoff durch die Durchbrechung 79, die in dem zweiten Kopf 74 ausgebildet ist, und durch die Mündung 20' hindurch zu dem Auslasskanal 16' gelangt.
Wenn ein maximaler Durchfluss des ersten Kopfs 72 erreicht ist, so bewirkt dies, dass das Dichtungselement 80 und der Schaft 38' sich weiter nach unten bewegen. Dies bewirkt, dass der zweite Kopf 74 sich von dem Ventilsitz 36' abhebt. Das Öffnen des zweiten Kopfs 74 ermöglicht es, dass zusätzlicher Wasserstoff von dem Einlasskanal 14' durch die Mündung 20' und zu dem Auslasskanal 16' strömt, wie in 4 gezeigt. Während die Anforderung an Wasserstoff abnimmt, nimmt die Wasserstoffströmung unterstromig von dem Auslasskanal 16' ab, was zu einem Anstieg des Drucks an dem Auslasskanal 16 führt. Der Druckanstieg wird auf den Abschnitt der Kammer 22' unterhalb des Dichtungselements 80 übertragen, wodurch bewirkt wird, dass die Feder 54' linear zusammengedrückt wird. Dadurch wird bewirkt, dass der zweite Kopf 74 sich näher an den Ventilsitz 36' heran bewegt und dass sich der Wasserstoffdurchfluss durch den Zwischenraum zwischen dem zweiten Kopf 74 und dem Ventilsitz 36' verringert. Wenn der Durchfluss ein vorbestimmtes Niveau erreicht, so bewirkt dies, dass der zweite Kopf 74 auf dem Ventilsitz 36' aufsitzt, wodurch der Wasserstoffströmung an dieser Stelle entgegengewirkt wird.
Durch die Verwendung des Druckreglers 10' mit dem Zwei-Kopf-Ventil 70 wird ein Dämpfungsverhältnis maximiert und wird eine Effizienz bei der Bedienung geringer Durchflüsse durch dieses hindurch maximiert, und zwar dadurch, dass eine geringe Strömung nur über den ersten Kopf 72 geführt wird und dass eine größere Strömung über eine Kombination aus dem ersten Kopf 72 und dem zweiten Kopf 74 geführt wird.
5 veranschaulicht einen Strömungssteuer-Druckregler 10'' mit einem Reglerkörper 12'' gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Ähnliche Strukturelemente wie die weiter oben für 1-4 beschriebenen, die hier in Bezug auf 5 wiederholt werden, umfassen dieselben Bezugszahlen, versehen mit einem Doppelstrich-Symbol (''). Ein Zwei-Kopf-Ventil 70, das in einer ersten Kammer 18'' angeordnet ist, umfasst einen ersten Kopf 72'' und einen zweiten Kopf 74''. Der erste Kopf 72'' umfasst ein konisch zulaufendes Ende 76, das auf einer entsprechenden, konisch zulaufenden Innenfläche 78'' des zweiten Kopfs 74'' aufsitzt. Der zweite Kopf 74'' weist ein konisch zulaufendes Ende 75'' auf und umfasst eine darin ausgebildete Durchbrechung 79''. Das konisch zulaufende Ende 75'' des zweiten Kopfs 74'' sitzt auf einem konisch zulaufenden Ventilsitz 36'' auf, der an einem Eingangsabschnitt einer Mündung 20'' vorgesehen ist. Zwischen dem ersten Kopf 72'' und einem Dichtungselement 80'' ist ein Schaft 38'' vorgesehen. Das Dichtungselement 80'' ist in auf- und abgehender Weise in der zweiten Kammer 22'' angeordnet. Ein O-Ring-Paar 82'' ist zwischen dem Dichtungselement 80'' und einer die zweite Kammer 22'' bildenden Wand angeordnet, um zwischen diesen eine fluiddichte Abdichtung zu bilden. Es versteht sich, dass ein Reglerkörper 12'' der weiter oben für 1 besprochenen Art mit einem zylindrischen Element (nicht gezeigt) und einer Membrananordnung (nicht gezeigt) wie weiter oben beschrieben anstelle des Dichtungselements 80'' verwendet werden kann, ohne dass dadurch von der Wesensart oder dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.
Eine Feder 54'' ist innerhalb der zweiten Kammer 22'' positioniert. Ein erstes Ende 84'' der Feder 54'' liegt an dem Dichtungselement 80'' und an einer Schraube 88 an und ein zweites Ende 86'' der Feder 54'' liegt an einer Einstellschraube 58'' an. Die Feder 54'' wendet gegen das Dichtungselement 80'' und die Schraube 88 eine Vorspannung an, die von der Einstellschraube 58'' eingestellt wird. Die Schraube 88 ist an einem ersten Ende 90 des Schafts 38'' angebracht. Eine von der Feder 54'' auf das Dichtungselement 80'' und die Schraube 88 ausgeübte Kraft kann durch Drehen der Einstellschraube 58'' eingestellt werden, um ein Ausmaß des Kompressionsdrucks der Feder 54'' zu verändern.
Bei der Verwendung in einer Brennstoffzelle wird die Fluidströmung an einem Einlasskanal 14'' eingebracht, strömt entlang einem Strömungspfad 11'' und tritt an einem Auslasskanal 16'' aus dem Regler 10'' aus. Das Fluid von dem Einlasskanal 14'' strömt durch eine erste Kammer 18'', dann durch eine Mündung 20'' und in eine zweite Kammer 22'', die in Fluidverbindung mit dem Auslasskanal 16'' steht. Die Strömung des Fluids von dem Einlasskanal 14'' zu dem Auslasskanal 16'' wird durch das Zwei-Kopf-Ventil 70'' gesteuert, das innerhalb der ersten Kammer 18'' positioniert ist. Wenn ein größerer Wasserstoffdurchfluss erforderlich ist, nimmt die Wasserstoffströmung unterstromig von dem Auslasskanal 16'' zu, was zu einer Abnahme des Drucks an dem Auslasskanal 16'' führt. Die Druckabnahme wird auf den Abschnitt der Kammer 22'' unterhalb des Dichtungselements 80'' übertragen, wodurch es ermöglicht wird, dass die Feder 54'' sich linear ausdehnt. Daher bewegen sich das Dichtungselement und der Schaft 38'' nach unten. Die Abwärtsbewegung des Schafts 38'' bewirkt, dass der erste Kopf 72'' sich weiter von der konisch zulaufenden Innenfläche 78'' des zweiten Kopfes 74'' weg bewegt und eine zusätzliche Wasserstoffströmung von dem Einlasskanal 14'' durch die Mündung 20'' hindurch erlaubt. Es wird ermöglicht, dass Wasserstoff durch die Durchbrechung 79'', die in dem zweiten Kopf 74'' ausgebildet ist, und durch die Mündung 20'' hindurch zu dem Auslasskanal 16'' gelangt.
Wenn ein maximaler Durchfluss des ersten Kopfs 72'' erreicht ist, so bewirkt dies, dass das Dichtungselement 80'' und der Schaft 38'' sich weiter nach unten bewegen. Dies bewirkt, dass der zweite Kopf 74'' sich von dem Ventilsitz 36'' abhebt. Das Öffnen des zweiten Kopfs 74'' ermöglicht es, dass zusätzlicher Wasserstoff von dem Einlasskanal 14'' durch die Mündung 20'' und zu dem Auslasskanal 16'' strömt. Während die Anforderung an Wasserstoff abnimmt, nimmt die Wasserstoffströmung unterstromig von dem Auslasskanal 16'' ab, was zu einem Anstieg des Drucks an dem Auslasskanal 16'' führt. Der Druckanstieg wird auf den Abschnitt der Kammer 22'' unterhalb des Dichtungselements 80 übertragen, wodurch bewirkt wird, dass die Feder 54'' linear zusammengedrückt wird. Dadurch wird bewirkt, dass der zweite Kopf 74'' sich näher an den Ventilsitz 36'' heran bewegt und dass sich der Wasserstoffdurchfluss durch den Zwischenraum zwischen dem zweiten Kopf 74'' und dem Ventilsitz 36'' verringert. Wenn der Durchfluss ein vorbestimmtes Niveau erreicht, so bewirkt dies, dass der zweite Kopf 74'' auf dem Ventilsitz 36'' aufsitzt, wodurch der Wasserstoffströmung an dieser Stelle entgegengewirkt wird.
Durch die Verwendung des Druckreglers 10'' mit dem Zwei-Kopf-Ventil 70'' wird ein Dämpfungsverhältnis maximiert und wird eine Effizienz bei der Bedienung geringer Durchflüsse durch dieses hindurch maximiert, und zwar dadurch, dass eine geringe Strömung nur über den ersten Kopf 72'' geführt wird und dass eine größere Strömung über eine Kombination aus dem ersten Kopf 72'' und dem zweiten Kopf 74'' geführt wird.
Wahlweise kann in der Kammer 18'' eine zweite Feder 92 angeordnet sein, wie in 6 gezeigt. Ein erstes Ende 96 der zweiten Feder 92 steht in Kontakt mit einem ersten Ende 94 des zweiten Kopfs 74'' des Zwei-Kopf-Ventils 70'' Ein zweites Ende 98 der zweiten Feder 92 steht in Kontakt mit einer Innenfläche des Reglerkörpers 12'' oder mit einem Einstellelement (nicht gezeigt). Die zweite Feder 92 drückt den zweiten Kopf 74'' während eines Betriebs mit geringem Durchfluss in eine geschlossene Stellung.
7 veranschaulicht einen Druckregler 10'' gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Ähnliche Strukturelemente wie die weiter oben für 1-6 beschriebenen, die hier in Bezug auf 7 wiederholt werden, umfassen dieselben Bezugszahlen, versehen mit einem Dreifachstrich-Symbol ('''). In dieser Ausführungsform umfasst der Schaft 38'' eine darin ausgebildete Hohlöffnung 100, um einen Druckausgleich des Reglers 10'' zu vereinfachen. Die Hohlöffnung 100 minimiert die auf die Ventilköpfe 72''', 74''' ausgeübten Kräfte, indem eine Ableitung von über schüssigem Druck von dem Druckregler 10''' ermöglicht wird. Es versteht sich, dass die Hohlöffnung 100 in den in 1-6 veranschaulichten Schäften 38, 38, 38'' ausgebildet sein kann, ohne dass dadurch von der Wesensart oder dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.
8-10 veranschaulichen einen Druckregler 110 mit einem Reglerkörper 112 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Ein Zwei-Kopf-Ventil 170 ist in einer zweiten Kammer 122 angeordnet und umfasst einen ersten Kopf 172, einen zweiten Kopf 174, einen Ventilkörper 132 und eine Ventilfeder 134, die um den Ventilkörper 132 herum angeordnet ist. Der erste Kopf 172 und der Ventilkörper 132 sind in auf- und abgehender Weise auf einem Kappenabschnitt 113 montiert, der auf den Reglerkörper 112 aufgeschraubt ist. Der erste Kopf 172 umfasst ein konisch zulaufendes Ende 176, das auf einer entsprechenden, konisch zulaufenden Innenfläche 178 des zweiten Kopfs 174 aufsitzt. Der zweite Kopf 174 weist ein konisch zulaufendes Ende 175 und eine darin ausgebildete Durchbrechung 179 auf. Das konisch zulaufende Ende 175 des zweiten Kopfs 174 sitzt auf einem konisch zulaufenden Ventilsitz 136 auf, der angrenzend an einen Eingangsabschnitt einer Mündung 120 vorgesehen ist. Die Ventilfeder 134 drückt den zweiten Ventilkopf 174 mit dem konisch zulaufenden Ventilsitz 136 in Eingriff. Das Dichtungselement 180 ist in der zweiten Kammer 122 angeordnet und tritt mit dem Reglerkörper 112 in abdichtender und in auf- und abgehender Weise in Eingriff. Eine Mehrzahl von O-Ringen 182 ist zwischen dem Dichtungselement 180 und der zweiten Kammer 122 sowie zwischen dem Dichtungselement 180 und dem Reglerkörper 112 angeordnet, um fluiddichte Abdichtungen zwischen diesen zu bilden. Es versteht sich, dass ein Reglerkörper der weiter oben für 1 besprochenen Art mit einem zylindrischen Element (nicht gezeigt) und einer Membrananordnung (nicht gezeigt) wie weiter oben beschrieben verwendet werden kann, ohne dass dadurch von der Wesensart oder dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.
Eine zweite Feder 154 ist innerhalb der zweiten Kammer 122 positioniert. Ein erstes Ende 184 der Feder 154 liegt an dem Dichtungselement 180 an und ein zweites Ende 186 der Feder 154 liegt an dem Kappenabschnitt 113 an. Die Feder 154 wendet gegen das Dichtungselement 180 eine Vorspannung an, welche von dem Kappenabschnitt 113 eingestellt wird. Eine von der Feder 154 auf das Dichtungselement 180 ausgeübte Kraft kann durch Drehen des Kappenabschnitts 113 eingestellt werden, um ein Ausmaß des Kompressionsdrucks der Feder 154 zu verändern.
Bei der Verwendung wird die Fluidströmung an einem Einlasskanal 114 eingebracht, strömt entlang einem Strömungspfad 111 und tritt an einem Auslasskanal 116 aus dem Regler 110 aus. Das Fluid von dem Einlasskanal 114 strömt durch eine erste Kammer 118, durch eine Mündung 120 und in eine zweite Kammer 122, die in Fluidverbindung mit dem Auslasskanal 116 steht. Die Strömung des Fluids von dem Einlasskanal 114 zu dem Auslasskanal 116 wird durch ein Zwei-Kopf-Ventil 170 gesteuert, das innerhalb der zweiten Kammer 122 positioniert ist. Wenn ein größerer Wasserstoffdurchfluss erforderlich ist, nimmt die Wasserstoffströmung unterstromig von dem Auslasskanal 116 zu, was zu einer Druckabnahme an dem Auslasskanal 116 führt. Die Druckabnahme wird auf den Abschnitt der Kammer 122 unterhalb des Dichtungselements 180 übertragen, wodurch es ermöglicht wird, dass die Feder 154 sich linear ausdehnt. Daher bewegt sich das Dichtungselement 180 nach unten. Die Abwärtsbewegung des Dichtungselements 180 bewirkt, dass der zweite Kopf 174 sich weiter von dem konischen ersten Ende 176 des ersten Kopfes 172 weg bewegt und eine zusätzliche Wasserstoffströmung von dem Einlasskanal 114 zu der Mündung 120 erlaubt. Diese Stellung ist in 9 veran schaulicht. Es wird ermöglicht, dass Wasserstoff durch die Öffnung 186, die zwischen dem ersten Kopf 172 und dem zweiten Kopf 174 geschaffen wird, und durch die Mündung 120 hindurch zu dem Auslasskanal 116 gelangt.
Wenn ein maximaler Durchfluss der Öffnung 186 erreicht ist, so bewirkt dies, dass das Dichtungselement 180 sich weiter nach unten bewegt. Dies bewirkt, dass der zweite Kopf 174 sich von dem Ventilsitz 136 abhebt. Das Öffnen des zweiten Kopfs 174 ermöglicht es, dass zusätzlicher Wasserstoff von dem Einlasskanal 114 durch die in dem zweiten Kopf 174 ausgebildete Durchbrechung 179 und durch die Mündung 120 hindurch zu dem Auslasskanal 116 strömt. Diese Stellung ist in 10 veranschaulicht. Während die Anforderung an Wasserstoff abnimmt, nimmt der Wasserstoff unterstromig von dem Auslasskanal 116 ab, was zu einem Druckanstieg an dem Auslasskanal 116 führt. Der Druckanstieg wird auf den Abschnitt der Kammer 122 unterhalb des Dichtungselements 180 übertragen, wodurch bewirkt wird, dass das Dichtungselement 180 sich nach oben bewegt. Dadurch wird bewirkt, dass der Ventilsitz 136 sich näher an den zweiten Kopf 174 heran bewegt und dass sich der Wasserstoffdurchfluss durch die in dem zweiten Kopf 174 ausgebildete Durchbrechung 179 verringert. Wenn der Durchfluss einen vorbestimmten Grad erreicht, so bewirkt dies, dass der Ventilsitz 136 auf dem zweiten Kopf 174 aufsitzt, wodurch einer Wasserstoffströmung an dieser Stelle entgegengewirkt wird.
Durch die Verwendung des Druckreglers 110 mit dem Zwei-Kopf-Ventil 170 wird ein Dämpfungsverhältnis maximiert und wird eine Effizienz bei der Bedienung geringer Durchflüsse durch dieses hindurch maximiert, und zwar dadurch, dass eine geringe Strömung nur über den zweiten Kopf geführt wird und dass eine größere Strömung über eine Kombination aus dem ersten Kopf 172 und dem zweiten Kopf 174 geführt wird.
Aus der vorangegangenen Beschreibung kann der Fachmann auf einfache Weise die wesentlichen Merkmale der Erfindung ermitteln und, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, verschiedene Abänderungen und Modifikationen an der Erfindung vornehmen, um sie an unterschiedliche Verwendungszwecke und Bedingungen anzupassen.

Claims

Druckregler umfassend: einen Grundkörper, der einen Ventilsitz und einen Strömungspfad definiert, wobei der Strömungspfad einen Einlass und einen Auslass aufweist; eine Ventilanordnung, die in dem Grundkörper entlang dem Strömungspfad angeordnet ist und einen ersten Kopf und einen zweiten Kopf umfasst, wobei der erste Kopf in Bezug auf den zweiten Kopf beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist, wobei der zweite Kopf in Bezug auf den Ventilsitz beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist; ein Dichtungselement, das in dem Grundkörper angeordnet ist, wobei der erste Kopf das Strömen eines Fluids in einem ersten Durchflussbereich vereinfacht und der erste Kopf und der zweite Kopf zusammenwirken, um das Strömen eines Fluids in einem zweiten Durchflussbereich zu vereinfachen.
Druckregler nach Anspruch 1, wobei der Strömungspfad eine Mündung umfasst.
Druckregler nach Anspruch 1, wobei der Ventilsitz eine konisch zulaufende Innenfläche aufweist, die dergestalt ausgebildet ist, dass sie gegen eine an dem zweiten Kopf ausgebildete, konisch zulaufende Fläche abdichtet, und wobei der zweite Kopf eine konisch zulaufende Innenfläche aufweist, die dergestalt ausgebildet ist, dass sie gegen eine an dem ersten Kopf ausgebildete, konisch zulaufende Fläche abdichtet.
Druckregler nach Anspruch 1, wobei die Ventilanordnung und das Dichtungselement in einer Kammer angeordnet sind, die in dem Grundkörper ausgebildet ist.
Druckregler nach Anspruch 1, wobei die Ventilanordnung in einer in dem Grundkörper ausgebildeten, ersten Kammer angeordnet ist und das Dichtungselement in einer in dem Grundkörper ausgebildeten, zweiten Kammer angeordnet ist.
Druckregler nach Anspruch 5, wobei das Dichtungselement in auf- und abgehender Weise in der zweiten Kammer angeordnet ist.
Druckregler nach Anspruch 6, welcher weiterhin eine Feder umfasst, die zwischen dem Grundkörper und dem Dichtungselement angeordnet ist.
Druckregler nach Anspruch 7, wobei die Ventilanordnung einen Ventilschaft umfasst, der mit dem Dichtungselement in Kontakt steht.
Druckregler nach Anspruch 8, wobei der zweite Kopf in auf- und abgehender Weise an dem Ventilschaft angeordnet ist.
Druckregler nach Anspruch 8, wobei der Ventilschaft eine darin ausgebildete Hohlöffnung umfasst, um ein Einstellen der auf die Ventilanordnung einwirkenden Kräfte zu vereinfachen.
Druckregler nach Anspruch 1, welcher weiterhin eine zweite Feder umfasst, die zwischen dem Grundkörper und dem ersten Kopf angeordnet ist.
Druckregler nach Anspruch 1, welcher weiterhin eine zweite Feder umfasst, die zwischen dem Grundkörper und dem zweiten Kopf angeordnet ist.
Druckregler nach Anspruch 1, wobei der Druckregler die Strömung von Wasserstoff-Brennstoff zu einem Brennstoffzellenstapel steuert.
Druckregler umfassend: einen Grundkörper, der einen Strömungspfad definiert, wobei der Strömungspfad einen Einlass und einen Auslass aufweist; ein Dichtungselement, das einen Ventilsitz und eine Mündung definiert, wobei das Dichtungselement in auf- und abgehender Weise in einer zweiten Kammer angeordnet ist, welche in dem Grundkörper ausgebildet ist; eine Ventilanordnung, die in einer in dem Grundkörper ausgebildeten und mit dem Dichtungselement verbundenen, ersten Kammer angeordnet ist, wobei die Ventilanordnung einen ersten Kopf und einen zweiten Kopf umfasst, wobei der erste Kopf in Bezug auf den zweiten Kopf beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist, wobei der zweite Kopf in Bezug auf den Ventilsitz beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist; einen Einlasskanal, der in dem Grundkörper ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der ersten Kammer und dem Strömungspfad steht; und einen Auslasskanal, der in dem Grundkörper ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der zweiten Kammer und dem Strömungspfad steht.
Druckregler nach Anspruch 14, wobei der zweite Kopf das Strömen eines Fluids in einem ersten Bereich geringer Durchflüsse vereinfacht und der erste Kopf und der zweite Kopf zusammenwirken, um das Strömen des Fluids in einem zweiten Durchflussbereich zu vereinfachen.
Druckregler nach Anspruch 14, wobei der Ventilsitz eine konisch zulaufende Innenfläche aufweist, die dergestalt ausgebildet ist, dass sie gegen eine an dem zweiten Kopf ausgebildete, konisch zulaufende Fläche abdichtet, und wobei der zweite Kopf eine konisch zulaufende Innenfläche aufweist, die dergestalt ausgebildet ist, dass sie gegen eine an dem ersten Kopf ausgebildete, konisch zulaufende Fläche abdichtet.
Druckregler nach Anspruch 14, welcher weiterhin eine Feder umfasst, die zwischen dem Grundkörper und dem Dichtungselement angeordnet ist.
Druckregler nach Anspruch 14, wobei der Druckregler die Strömung von Wasserstoff-Brennstoff zu einem Brennstoffzellenstapel steuert.
Strömungssteuer-Druckregler zur Steuerung einer Fluidströmung, umfassend: einen Grundkörper, der einen Ventilsitz und einen Strömungspfad definiert, wobei der Strömungspfad einen Einlass und einen Auslass aufweist; eine Ventilanordnung, die in einer in dem Grundkörper ausgebildeten, ersten Kammer angeordnet ist und einen ersten Kopf und einen zweiten Kopf umfasst, wobei der erste Kopf in Bezug auf den zweiten Kopf beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist, wobei der zweite Kopf in Bezug auf den Ventilsitz beweglich ist und gegen diesen hin abdichtbar ist; ein Dichtungselement, das in auf- und abgehender Weise in einer zweiten Kammer angeordnet ist, welche in dem Grundkörper ausgebildet ist, wobei das Dichtungselement mit der Ventilanordnung verbunden ist; eine erste Feder, die zwischen dem Grundkörper und dem Dichtungselement angeordnet ist; eine zweite Feder, die zwischen dem Grundkörper und der Ventilanordnung angeordnet ist; einen Einlasskanal, der in dem Grundkörper ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der ersten Kammer und dem Strömungspfad steht; und einen Auslasskanal, der in dem Grundkörper ausgebildet ist und in Fluidverbindung mit der zweiten Kammer und dem Strömungspfad steht.
Druckregler nach Anspruch 19, wobei der Druckregler die Strömung von Wasserstoff-Brennstoff zu einem Brennstoffzellenstapel steuert.