DE102008051956B4

DE102008051956B4 - Ventil mit elastisch verformbarem Bauteil

Info

Publication number: DE102008051956B4
Application number: DE102008051956.1A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pechtold
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2028-10-17
Also published as: US8523144B2; DE102008051956A1; US20090101858A1

Abstract

Ventil (50, 150, 250, 350) umfassend:
einen Ventilteller (52, 152, 252, 352) mit einem Einsatz (60, 160, 260, 360), wobei der Ventilteller (52, 152, 252, 352) in einer in dem Ventil (50, 150, 250, 350) ausgebildeten Kammer (57, 157, 257, 357) angeordnet ist, in die eine Einlassöffnung (56, 156, 256, 356) mündet;
einen Ventilkörper (54, 154, 254, 354) mit einem daran ausgebildeten Ventilsitz, der in einer geschlossenen Stellung des Ventils (50, 150, 250, 350) an mindestens einem Abschnitt des Einsatzes (60, 160, 260, 360) des Ventiltellers (52, 152, 252, 352) anliegt ist, um eine fluiddichte Abdichtung dazwischen zu erzeugen; und
ein in dem Einsatz (60, 160, 260, 360) angeordnetes elastisch verformbares Bauteil (62, 162, 262, 362), wobei sich das elastisch verformbare Bauteil (62, 162, 262, 362) elastisch verformt, wenn der Ventilsitz an dem Abschnitt des Ventiltellers (52, 152, 252, 352) anliegt, und wobei das elastisch verformbare Bauteil (62, 162, 262, 362) mit einer Druckentlastungsbohrung (65, 165, 265, 365) in dem Ventilteller in Fluidverbindung steht, die mit der in dem Ventil (50, 150, 250, 350) ausgebildeten Kammer (57, 157, 257, 357) in Fluidverbindung steht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Ventil und insbesondere ein Ventil, das ein elastisch verformbares Bauteil umfasst, das in einem Ventilteller angeordnet ist, wobei das elastisch verformbare Bauteil elastisch verformt wird, wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Stellung befindet, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen dem Ventilteller und dem Ventilkörper zu erleichtern, wie es dem Grunde nach aus der CA 2 603 735 A1 bekannt ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein Brennstoffzellensystem wird vermehrt als Energiequelle in einer breiten Palette von Anwendungen verwendet. Brennstoffzellensysteme wurden zur Verwendung bei Stromverbrauchern, beispielsweise bei Fahrzeugen als Ersatz für Brennkraftmaschinen, vorgeschlagen. Eine Brennstoffzelle kann auch als stationäre elektrische Energieerzeugungsanlage in Gebäuden und als tragbare Energiequelle in einer Kamera, einem Computer und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugt die Brennstoffzelle Elektrizität, die zum Laden von Batterien oder zum Liefern von Energie für einen Elektromotor verwendet wird.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff wie Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie Sauerstoff direkt verbinden, um Elektrizität zu erzeugen. Der Wasserstoff wird typischerweise durch eine Brennstoffquelle wie einen Wasserstofftank zugeführt. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom zugeführt Der von einer Brennstoffzelle genutzte grundlegende Prozess ist effizient, im Wesentlichen schadstofffrei, frei von beweglichen Teilen (mit Ausnahme eines Luftverdichters, von Kühlgebläsen, Pumpen und Aktoren) und kann so ausgelegt werden, dass er nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte erzeugt. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird abhängig vom Zusammenhang, in dem er verwendet wird, typischerweise verwendet, um entweder eine einzelne Zelle oder mehrere Zellen zu bezeichnen. Die mehreren Zellen sind typischerweise miteinander gebündelt und so angeordnet, dass sie einen Stapel bilden, wobei die mehreren Zellen gemeinsam in elektrischer Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen zu Stapeln unterschiedlicher Größen zusammengebaut werden können, können Systeme so ausgelegt werden, dass sie einen Sollenergieabgabewert erzeugen, der für verschiedene Anwendungen Konstruktionsflexibilität bietet.
Es können verschiedene Brennstoffzellentypen vorgesehen werden, beispielsweise Phosphorsäure, alkalisch, Schmelzcarbonat, Festoxid und Protonenaustauschmembran (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane). Die Grundkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyten getrennt sind. Jede Elektrode ist an einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden zusammen eine Membranelektrodenanordnung (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly).
Bei einer typischen PEM-Brennstoffzelle ist die MEA zwischen „Anoden”- und „Kathoden”-Diffusionsmedien (nachstehend „DM”) oder Diffusionsschichten, die aus einem nachgiebigen, leitenden und gaspermeablen Material wie zum Beispiel Kohlenstoffgewebe oder Kohlepapier gebildet sind, sandwichartig eingeschlossen. Die DM dienen als die primären Stromabnehmer für die Anode und Kathode und bieten der MEA mechanische Stütze. Die DM und die MEA sind zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die als sekundäre Stromabnehmer für das Abnehmen des elektrischen Stroms von den primären Stromabnehmern dienen. Die Platten leiten im Fall von Bipolarplatten elektrischen Strom zwischen benachbarten Zellen innen im Stapel und leiten im Fall von Monopolarplatten am Ende des Stapels elektrischen Strom außerhalb des Stapels.
Typischerweise wird ein Ventil verwendet, um das Strömen eines Fluids dadurch selektiv zu ermöglichen und zu unterbinden. In dem Brennstoffzellensystem wird ein Strom von Wasserstoffgas zum Beispiel von einer Wasserstoffgasquelle zu dem Brennstoffzellenstapel gesteuert. Das Ventil umfasst typischerweise einen Ventilteller und einen Ventilkörper. Der Ventilteller und der Ventilkörper sind normalerweise aus unterschiedlichen Materialien gebildet, wobei ein Material härter als das andere ist. Wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Stellung befindet und der Ventilteller an dem Ventilkörper anliegt, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen auszubilden, kann das weichere Material verformt werden. Ist diese Verformung umkehrbar, wird sie als elastische Verformung bezeichnet. Ist die Verformung nicht umkehrbar, wird sie als plastische Verformung bezeichnet. Plastische Verformung ist unerwünscht, da sie das Entstehen eines Lecks zwischen dem Ventilteller und dem Ventilkörper zulassen kann.
Ventile des Stands der Technik umfassen weichere Materialien, die aus einem Elastomer, beispielsweise Ethylenpropylendienmonomer-Kautschuk oder Fluorelastomer gebildet sind. Die Elastomere sind auf eine Verwendung bei Temperaturen über –40°C beschränkt. Bei Brennstoffzellenanwendungen, bei denen zum Beispiel Wasserstoff verwendet wird, können aber niedrigere Temperaturen wie –80°C auftreten. Demgemäß können Elastomere nicht verwendet werden. Bei niedrigeren Temperaturen werden Kunststoffmaterialien wie Polyetheretherketon oder Polytetrafluorethylen verwendet. Diese Materialien gleichen eine gewisse elastische Verformung aus, was zum Erleichtern der im Wesentlichen fluiddichten Abdichtung zwischen dem Ventilteller und dem Ventilkörper sinnvoll ist. Die Verwendung dieser Materialien erzeugt aber auch eine Möglichkeit für gewisse plastische Verformung, was unerwünscht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Ventil zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel zuschaffen, wobei das Ventil ein elastisch verformbares Bauteil umfasst, das elastisch verformt wird, wenn sich das Ventil in einer geschlossenen Stellung befindet, und eine plastische Verformung des Ventils minimiert wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit einem Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen für den Fachmann ohne weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Zusammenschau mit den Begleitzeichnungen hervor. Hierbei zeigen:
1 eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellensystems des Stands der Technik;
2 eine Querschnittansicht eines Ventils, das in einer offenen Stellung nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gezeigt ist;
3 eine Querschnittansicht des in 2 gezeigten Ventils, wobei sich das Ventil in einer geschlossenen Stellung befindet;
4 eine Querschnittansicht eines in einer offenen Stellung gezeigten Ventils nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
5 eine Querschnittansicht des in 4 gezeigten Ventils, wobei sich das Ventil in einer geschlossenen Stellung befindet;
6 eine Querschnittansicht eines in einer offenen Stellung gezeigten Ventils nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
7 eine Querschnittansicht des in 6 gezeigten Ventils, wobei sich das Ventil in einer geschlossenen Stellung befindet;
8 eine Querschnittansicht eines in einer offenen Stellung gezeigten Ventils nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
9 eine Querschnittansicht des in 8 gezeigten Ventils, wobei sich das Ventil in einer geschlossenen Stellung befindet.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem des Stands der Technik. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle 10 mit einer Kathodenseite 9 und einer Anodenseite 11. Die Brennstoffzelle 10 steht mit einer Brennstoffquelle 37 und einer Oxidationsmittelquelle 39 in Fluidverbindung. Graphitblöcke 18, 20 mit mehreren Kanälen 22, 24 zum Erleichtern von Fluidverteilung sind benachbart zu isolierenden Endplatten 14, 16 angeordnet. Es versteht sich, dass elektrisch leitende Elektrodenplatten (nicht dargestellt) an Stelle der Graphitblöcke 18, 20 verwendet werden können. Dichtungen 26, 28 und Gasdiffusionsmedien (GDM) 30, 32, wie zum Beispiel Kohlenstoff-Faserpapier, mit jeweiligen Anoden- und Kathodenanschlüssen 31, 33, sind jeweils zwischen einer Membranelektrodenanordnung (MEA) 12 und den Graphitblöcken 18, 20 angeordnet. Ein Oxidans- und Strombeförderungsmittel 36 besteht aus dem Graphitblock 18, der Dichtung 26 und dem GDM 30. Ein Brennstoff- und Strombeförderungsmittel 38 besteht aus dem Graphitblock 20, der Dichtung 28 und dem GDM 32. Der Anodenanschluss 31 und der Kathodenanschluss 33 werden zum Verbinden der Brennstoffzelle 10 mit einer externen Schaltung 34 verwendet und können nach Bedarf andere Brennstoffzellen umfassen.
Ein Brennstoffzellenstapel ist aus mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 10 aufgebaut. Sobald eine erwünschte Anzahl an Brennstoffzellen 10 miteinander verbunden ist, um den Brennstoffzellenstapel zu bilden, wird ein (nicht dargestelltes) Kühlsystem mit dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Der hierin beschriebene veranschaulichende Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise als Energieerzeugungsanlage für die Erzeugung elektrischer Leistung, zum Beispiel in einem Fahrzeug, verwendet.
Bei Einsatz wird ein Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, von der Brennstoffquelle 37 zugeführt, und ein Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Sauerstoff, wird von der Oxidationsmittelquelle 39 zugeführt. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel diffundieren durch jeweilige Fluid- und Strombeförderungsmittel 36, 38 zu gegenüberliegenden Seiten der MEA 12. Poröse Elektroden (nicht dargestellt) bilden eine (nicht dargestellte) Anode an der Anodenseite 11 und eine (nicht dargestellte) Kathode an der Kathodenseite 9 und erleichtern eine chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel in der Brennstoffzelle 10.
2 und 3 zeigen ein Ventil 50 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Das Ventil 50 umfasst einen Ventilteller 52 und einen Ventilkörper 54. In der gezeigten Ausführungsform ist das Ventil 50 ein Ventil der Abschaltausführung, das zwischen einer (nicht gezeigten) Brennstoffquelle und einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle angeordnet ist, wie vorstehend bei 1 beschrieben wurde. Es können aber andere Arten von Ventilen verwendet und nach Bedarf an anderen Stellen angeordnet werden. Andere Ventilarten können zum Beispiel ein Proportionalventil, ein Rückschlagventil und ein Druckreglerventil sein. In dem Ventil 50 ist von einer in dem Ventilkörper 54 ausgebildeten Einlassöffnung 56 in eine Ventilkammer 57, durch einen Spalt zwischen dem Ventilteller 52 und dem Ventilkörper 54, wenn sich das Ventil 50 in einer offenen Stellung befindet, und durch eine in dem Ventilkörper 54 ausgebildete Auslassöffnung 58 ein Strömpfad ausgebildet. Es versteht sich, dass andere Ventilarten einen Strömpfad vorsehen können, der sich von dem hierin beschriebenen beispielhaften Pfad unterscheidet.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Ventilteller 52 einen Einsatz 60, der aus einem Kunststoff gebildet ist, der weicher als ein zum Bilden des Ventilkörpers 54 verwendetes Material ist. Es versteht sich aber, dass der Einsatz 60 nach Bedarf aus anderen Materialien gebildet sein kann. Es versteht sich auch, dass der Ventilteller 52 ohne den Einsatz 60 ausgebildet sein kann, wobei der gesamte Ventilteller 52 aus einem Material gebildet ist, das weicher als das zum Bilden des Ventilkörpers 54 verwendete Material ist. Der Ventilteller 52 umfasst ein elastisch verformbares Bauteil 62, das darin ausgebildet ist. Es versteht sich, dass zusätzliche elastisch verformbare Bauteile 62 nach Bedarf in dem Ventilteller 52 ausgebildet sein können, beispielsweise eine ringförmige Anordnung von elastisch verformbaren Bauteilen 62. In der gezeigten Ausführungsform ist das elastisch verformbare Bauteil 62 ein durchgehender ringförmiger Ring mit einer fluidgefüllten Druckkammer. Es können aber nach Bedarf andere Arten von elastisch verformbaren Bauteilen verwendet werden. Der Begriff Fluid, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine beliebige Kombination derselben. Das elastisch verformbare Bauteil 62 steht mit mehreren Druckentlastungbohrungen 65 in Fluidverbindung, die in dem Ventilteller 52 ausgebildet sind. Die Druckentlastungbohrungen 65 stehen mit der Ventilkammer 57 in Fluidverbindung. Es versteht sich, dass nach Bedarf zusätzliche oder weniger Druckentlastungbohrungen 65 in dem Ventilteller 52 ausgebildet sein können. Der Ventilteller 52 ist mit einem (nicht gezeigten) Aktor wirkverbunden, der den Ventilteller 52 selektiv in einer offenen Stellung, wie in 2 gezeigt, und in einer geschlossenen Stellung, wie in 3 gezeigt, positioniert.
Der Ventilkörper 54 ist aus einem Material gebildet, das härter als das zum Bilden des Einsatzes 60 verwendete Material ist, beispielsweise Aluminium. Der Ventilkörper 54 umfasst eine ringförmige Lippe 64, die auch als Ventilsitz bekannt ist, die die Auslassöffnung 58 umgibt. Die Lippe 64 ist dafür ausgelegt, an dem Einsatz 60 anzuliegen, wenn sich das Ventil 50 in einer geschlossenen Stellung befindet, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu erzeugen.
Mit dem Ventilkörper 54 ist ein Abdichtelement 66 ausgebildet und wirkt mit dem Ventilkörper 54 zusammen, um die Ventilkammer 57 zu bilden. Das gezeigte Abdichtelement 66 ist integral mit dem Ventilkörper 54 ausgebildet, kann aber auch als separates Bauteil ausgebildet sein. Ein zwischen dem Ventilteller 52 und dem Aktor angeordneter Ventilschaft 68 erstreckt sich durch eine in dem Abdichtelement 66 ausgebildete Öffnung. Es versteht sich, dass der Ventilschaft 68 in der in dem Abdichtelement 66 ausgebildeten Öffnung gleitend angeordnet sein kann, wenn das Abdichtelement 66 bezüglich des Ventilkörpers 54 feststehend ist, oder der Ventilschaft 68 kann an dem Abdichtelement 66 befestigt sein, wenn das Abdichtelement 66 von dem Ventilkörper 54 gleitend aufgenommen ist. Wenn das Abdichtelement 66 von dem Ventilkörper 54 gleitend aufgenommen ist, können sich das Abdichtelement 66, der Ventilschaft 68 und der Ventilteller 52 alle zusammen als Einheit bewegen. Ferner versteht sich, dass andere Aktorarten verwendet werden können, die die Notwendigkeit des Abdichtelements 66 eliminieren.
Wenn bei Gebrauch ein Strömen eines Fluids durch das Ventil 50 erwünscht ist, positioniert der Aktor den Ventilteller 52 in einer offenen Stellung, wie in 2 gezeigt ist. Es versteht sich, dass der Aktor das Ventil 50 nach Bedarf durch andere Mittel in einer offenen Stellung positionieren kann, beispielsweise durch Anpassen der Stellung des Ventilkörpers 54. Wenn sich der Ventilteller 52 in einer offenen Stellung befindet, kann das Fluid in die Einlassöffnung 56, durch den Spalt zwischen dem Ventilteller 52 und dem Ventilkörper 54 und aus der Auslassöffnung 58 heraus strömen.
Wenn dem Strömen des Fluids durch das Ventil 50 entgegengewirkt werden soll, positioniert der Aktor den Ventilteller 52 in einer geschlossenen Stellung, wie in 3 gezeigt ist. Wenn sich der Ventilteller 52 in einer geschlossenen Stellung befindet, liegt der Einsatz 60 an der an dem Ventilkörper 54 gebildeten Lippe 64 an, um den Spalt zwischen dem Ventilteller 52 und dem Ventilkörper 54 zu schließen. Demgemäß wird dem Strömen des Fluids entgegengewirkt. Durch die Lippe 64 wird auf den Ventilteller 52 eine Kraft ausgeübt, was ein Verformen des elastisch verformbaren Bauteils 62 bewirkt. Wenn das elastisch verformbare Bauteil 62 verformt wird, wird ein Strömen von Fluid, das in dem verformbaren Bauteil 62 vorhanden ist, durch die Druckentlastungbohrungen 65 in die Ventilkammer 57 bewirkt. Wenn der Ventilteller 52 zurück in eine offene Stellung bewegt wird, wird die auf den Ventilteller 52 ausgeübte Kraft freigegeben und das elastisch verformbare Bauteil 62 kehrt zu seiner ursprünglichen Form und Stellung zurück. Das Fluid kann durch die Druckentlastungbohrungen 65 zurück in das elastisch verformbare Bauteil 62 strömen. Ein von dem Fluid auf das verformbare Bauteil 62 in den Druckentlastungsbohrungen 65 ausgeübter Druck, wenn sich der Ventilteller 52 in der geschlossenen Stellung befindet, wirkt einer plastischen Verformung des Einsatzes 60 entgegen.
Während das elastisch verformbare Bauteil 62 in dem Ventilteller 52 ausgebildet gezeigt wurde, kann das elastisch verformbare Bauteil 62 in dem Ventilkörper 54 ausgebildet sein. Es versteht sich, dass bei Bilden des elastisch verformbaren Bauteils 62 in dem Ventilkörper 54 statt in dem Ventilteller 52 der Ventilkörper 54 aus einem Material gebildet sein würde, das weicher als das zum Bilden des Ventiltellers 52 verwendete Material ist.
4 und 5 zeigen ein Ventil 150 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das Ventil 150 umfasst einen Ventilteller 152 und einen Ventilkörper 154. In der gezeigten Ausführungsform ist das Ventil 150 ein Ventil der Abschaltausführung, das zwischen einer (nicht gezeigten) Brennstoffquelle und einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle angeordnet ist, wie vorstehend bei 1 beschrieben wurde. Es können aber andere Arten von Ventilen verwendet werden, und das Ventil kann nach Bedarf an anderen Stellen angeordnet werden. In dem Ventil 150 ist von einer in dem Ventilkörper 154 ausgebildeten Einlassöffnung 156 in eine Ventilkammer 157, durch einen Spalt zwischen dem Ventilteller 152 und dem Ventilkörper 154, wenn sich das Ventil 150 in einer offenen Stellung befindet, und durch eine in dem Ventilkörper 154 ausgebildete Auslassöffnung 158 ein Strömpfad ausgebildet.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Ventilteller 152 einen Einsatz 160, der aus einem Kunststoff gebildet ist, der weicher als ein zum Bilden des Ventilkörpers 154 verwendetes Material ist. Es versteht sich aber, dass der Einsatz 160 nach Bedarf aus anderen Materialien gebildet sein kann. Es versteht sich auch, dass der Ventilteller ohne den Einsatz 160 ausgebildet sein kann, wobei der gesamte Ventilteller 152 aus einem Material gebildet sein kann, das weicher als das zum Bilden des Ventilkörpers 154 verwendete Material ist. Der Ventilteller 152 umfasst ein elastisch verformbares Bauteil 162, das darin ausgebildet ist. Es versteht sich, dass zusätzliche elastisch verformbare Bauteile 162 nach Bedarf in dem Ventilteller 152 ausgebildet sein können, beispielsweise eine ringförmige Anordnung von elastisch verformbaren Bauteilen 162. In der gezeigten Ausführungsform ist das elastisch verformbare Bauteil 162 ein durchgehender ringförmiger Ring mit einer fluidgefüllten Druckkammer. Es können aber nach Bedarf andere Arten von elastisch verformbaren Bauteilen verwendet werden. Das elastisch verformbare Bauteil 162 steht mit mehreren Druckentlastungbohrungen 165 in Fluidverbindung, die in dem Ventilteller 152 ausgebildet sind. Die Druckentlastungbohrungen 165 stehen mit der Ventilkammer 157 in Fluidverbindung. Es versteht sich, dass nach Bedarf zusätzliche oder weniger Druckentlastungsbohrungen 165 in dem Ventilteller 152 ausgebildet sein können. Der Ventilteller 152 umfasst eine ringförmige konisch zulaufende Fläche 161, die zum Anliegen an dem Ventilkörper 154 ausgelegt ist. Der Ventilteller 152 ist mit einem (nicht gezeigten) Aktor wirkverbunden, der den Ventilteller 152 selektiv in einer offenen Stellung, wie in 4 gezeigt, und in einer geschlossenen Stellung, wie in 5 gezeigt, positioniert.
Der Ventilkörper 154 ist aus einem Material gebildet, das härter als das zum Bilden des Einsatzes 160 verwendete Material ist, beispielsweise Aluminium. Der Ventilkörper 154 umfasst eine ringförmige konisch zulaufende Fläche 164, die auch als Ventilsitz bekannt ist, die die Auslassöffnung 158 umgibt. Die ringförmige konisch zulaufende Fläche 164 ist dafür ausgelegt, an der ringförmigen konisch zulaufenden Fläche 161 des Einsatzes 160 anzuliegen, wenn sich der Ventilteller 152 in einer geschlossenen Stellung befindet, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu erzeugen.
Mit dem Ventilkörper 154 ist ein Abdichtelement 166 ausgebildet, um die Ventilkammer 157 dazwischen zu bilden. Das gezeigte Abdichtelement 166 ist integral mit dem Ventilkörper 154 ausgebildet, kann aber bei Bedarf separat ausgebildet sein. Ein zwischen dem Ventilteller 152 und dem Aktor angeordneter Ventilschaft 168 erstreckt sich durch eine in dem Abdichtelement 166 ausgebildete Öffnung. Es versteht sich, dass der Ventilschaft 168 in der Öffnung des Abdichtelements 166 gleitend angeordnet sein kann, wenn das Abdichtelement 166 bezüglich des Ventilkörpers 154 feststehend ist, oder der Ventilschaft 168 kann an dem Abdichtelement 166 befestigt sein, wenn das Abdichtelement 166 von dem Ventilkörper 154 gleitend aufgenommen ist. Wenn das Abdichtelement 166 von dem Ventilkörper 154 gleitend aufgenommen ist, können sich das Abdichtelement 166, der Ventilschaft 168 und der Ventilteller 152 alle zusammen als Einheit bewegen. Ferner versteht sich, dass andere Aktorarten verwendet werden können, die die Notwendigkeit des Abdichtelements 166 eliminieren.
Wenn bei Gebrauch ein Strömen eines Fluids durch das Ventil 150 erwünscht ist, positioniert der Aktor den Ventilteller 152 in einer offenen Stellung, wie in 4 gezeigt ist. Es versteht sich, dass der Aktor den Ventilteller 152 nach Bedarf durch andere Mittel in einer offenen Stellung positionieren kann, beispielsweise durch Anpassen der Stellung des Ventilkörpers 154. Wenn sich der Ventilteller 152 in einer offenen Stellung befindet, kann das Fluid in die Einlassöffnung 156, durch den Spalt zwischen dem Ventilteller 152 und dem Ventilkörper 154 und aus der Auslassöffnung 158 heraus strömen.
Wenn dem Strömen des Fluids durch das Ventil 150 entgegengewirkt werden soll, positioniert der Aktor den Ventilteller 152 in einer geschlossenen Stellung, wie in 5 gezeigt ist. Es versteht sich, dass der Aktor den Ventilteller 152 nach Bedarf durch andere Mittel in einer geschlossenen Stellung positionieren kann, beispielsweise durch Anpassen der Stellung des Ventilkörpers 154. Wenn sich der Ventilteller 152 in einer geschlossenen Stellung befindet, liegt die konisch zulaufende Fläche 161 des Einsatzes 160 an der konisch zulaufenden Fläche 164 des Ventilkörpers 154 an, um den Spalt zwischen dem Ventilteller 152 und dem Ventilkörper 154 zu schließen, und dem Strömen des Fluids wird entgegengewirkt. Durch die konisch zulaufende Fläche 164 wird auf den Ventilteller 152 eine Kraft ausgeübt, was ein Verformen des elastisch verformbaren Bauteils 162 bewirkt. Wenn das elastisch verformbare Bauteil 162 verformt wird, wird ein Strömen von Fluid aus dem elastisch verformbaren Bauteil 162 durch die Druckentlastungbohrungen 165 und in die Ventilkammer 157 bewirkt. Wenn der Ventilteller 152 zurück in eine offene Stellung bewegt wird, wird die auf den Ventilteller 152 ausgeübte Kraft freigegeben und das elastisch verformbare Bauteil 162 kehrt zu seiner ursprünglichen Form und Stellung zurück. Das Fluid kann durch die Druckentlastungbohrungen 165 zurück in das elastisch verformbare Bauteil 162 strömen. Ein von dem Fluid auf das verformbare Bauteil 162 in den Druckentlastungsbohrungen 165 ausgeübter Druck, wenn sich der Ventilteller 152 in der geschlossenen Stellung befindet, wirkt einer plastischen Verformung des Einsatzes 160 entgegen.
Während das elastisch verformbare Bauteil 162 in dem Ventilteller 152 ausgebildet gezeigt wurde, kann das elastisch verformbare Bauteil 162 in dem Ventilkörper 154 ausgebildet sein. Es versteht sich, dass bei Bilden des elastisch verformbaren Bauteils 162 in dem Ventilkörper 154 statt in dem Ventilteller 152 der Ventilkörper 154 aus einem Material gebildet sein würde, das weicher als das zum Bilden des Ventiltellers 152 verwendete Material ist.
6 und 7 zeigen ein Ventil 250 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das Ventil 250 umfasst einen Ventilteller 252 und einen Ventilkörper 254. In der gezeigten Ausführungsform ist das Ventil 250 ein Ventil der Abschaltausführung, das zwischen einer (nicht gezeigten) Brennstoffquelle und einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle angeordnet ist, wie vorstehend bei 1 beschrieben wurde. Es können aber andere Arten von Ventilen verwendet und nach Bedarf an anderen Stellen angeordnet werden. In dem Ventil 250 ist von einer in dem Ventilkörper 254 ausgebildeten Einlassöffnung 256 in eine Ventilkammer 257, durch einen Spalt zwischen dem Ventilteller 252 und dem Ventilkörper 254, wenn sich der Ventilteller 252 in einer offenen Stellung befindet, und durch eine in dem Ventilkörper 254 ausgebildete Auslassöffnung 258 ein Strömpfad ausgebildet.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Ventilteller 252 einen Einsatz 260, der aus einem Kunststoff gebildet ist, der weicher als ein zum Bilden des Ventilkörpers 254 verwendetes Material ist. Es versteht sich aber, dass der Einsatz 260 bei Bedarf aus anderen Materialien gebildet sein kann. Es versteht sich auch, dass der Einsatz 260 integral mit dem Ventilteller 252 ausgebildet sein kann, wobei der gesamte Ventilteller 252 aus einem Material gebildet sein kann, das weicher als das zum Bilden des Ventilkörpers 254 verwendete Material ist. Der Ventilteller 252 umfasst ein elastisch verformbares Bauteil 262, der in einem darin ausgebildeten ringförmigen Hohlraum 263 angeordnet ist. Es versteht sich, dass zusätzliche elastisch verformbare Bauteile 262 und Hohlräume 263 nach Bedarf in dem Ventilteller 252 ausgebildet sein können, beispielsweise eine ringförmige Anordnung von elastisch verformbaren Bauteilen 262 und Hohlräumen 263. Es versteht sich auch, dass mehrere elastisch verformbare Bauteile 262 in einer kleineren Anzahl an Hohlräumen 263 angeordnet sein können, beispielsweise wenn eine ringförmige Anordnung elastisch verformbarer Bauteile 262 in den ringförmigen Hohlräumen 263 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das elastisch verformbare Bauteil 262 eine Metallfeder. Es können aber nach Bedarf andere Arten von elastisch verformbaren Bauteilen 262 verwendet werden. Der Hohlraum 263 steht mit mehreren Druckentlastungbohrungen 265 in Fluidverbindung, die in dem Ventilteller 252 ausgebildet sind. Die Druckentlastungbohrungen 265 stehen mit der Ventilkammer 257 in Fluidverbindung. Es versteht sich, dass nach Bedarf zusätzliche oder weniger Druckentlastungbohrungen 265 in dem Ventilteller 252 ausgebildet sein können. Der Ventilteller 252 ist mit einem (nicht gezeigten) Aktor wirkverbunden, der den Ventilteller 252 selektiv in einer offenen Stellung, wie in 6 gezeigt, und in einer geschlossenen Stellung, wie in 7 gezeigt, positioniert.
Der Ventilkörper 254 ist aus einem Material gebildet, das härter als das zum Bilden des Einsatzes 260 verwendete Material ist, beispielsweise Aluminium. Der Ventilkörper 254 umfasst eine ringförmige Lippe 264, die auch als Ventilsitz bekannt ist, die die Auslassöffnung 258 umgibt. Die Lippe 264 ist dafür ausgelegt, an dem Einsatz 260 anzuliegen, wenn sich der Ventilteller 252 in einer geschlossenen Stellung befindet, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu erzeugen.
Mit dem Ventilkörper 254 ist ein Abdichtelement 266 ausgebildet, um die Ventilkammer 257 zu bilden. Das gezeigte Abdichtelement 266 ist integral mit dem Ventilkörper 254 ausgebildet, kann aber bei Bedarf separat ausgebildet sein. Ein an dem Ventilteller 252 und dem Aktor angebrachter Ventilschaft 268 erstreckt sich durch eine in dem Abdichtelement 266 ausgebildete Öffnung. Es versteht sich, dass der Ventilschaft 268 in der Öffnung des Abdichtelements 266 gleitend angeordnet sein kann, wenn das Abdichtelement 266 bezüglich des Ventilkörpers 254 feststehend ist. Alternativ kann der Ventilschaft 268 kann an dem Abdichtelement 266 befestigt sein, wenn das Abdichtelement 266 von dem Ventilkörper 254 gleitend aufgenommen ist. Wenn das Abdichtelement 266 von dem Ventilkörper 254 gleitend aufgenommen ist, würden sich das Abdichtelement 266, der Ventilschaft 268 und der Ventilteller 252 alle zusammen als Einheit bewegen. Ferner versteht sich, dass andere Aktorarten verwendet werden können, die die Notwendigkeit des Abdichtelements 266 eliminieren.
Wenn bei Gebrauch ein Strömen eines Fluids durch das Ventil 250 erwünscht ist, positioniert der Aktor den Ventilteller 252 in einer offenen Stellung, wie in 6 gezeigt ist. Es versteht sich, dass der Aktor das Ventil 250 nach Bedarf durch andere Mittel in einer offenen Stellung positionieren kann, beispielsweise durch Anpassen der Stellung des Ventilkörpers 254. Wenn sich der Ventilteller 252 in einer offenen Stellung befindet, kann das Fluid in die Einlassöffnung 256, durch den Spalt zwischen dem Ventilteller 252 und dem Ventilkörper 254 und aus der Auslassöffnung 258 heraus strömen.
Wenn dem Strömen des Fluids durch das Ventil 250 entgegengewirkt werden soll, positioniert der Aktor den Ventilteller 252 in einer geschlossenen Stellung, wie in 7 gezeigt ist. Es versteht sich, dass der Aktor den Ventilteller 252 nach Bedarf durch andere Mittel in einer geschlossenen Stellung positionieren kann, beispielsweise durch Anpassen der Stellung des Ventilkörpers 254. Wenn sich der Ventilteller 252 in einer geschlossenen Stellung befindet, liegt der Einsatz 260 an der an dem Ventilkörper 254 ausgebildeten Lippe 264 an, um den Spalt zwischen dem Ventilteller 252 und dem Ventilkörper 254 zu schließen, und dem Strömen des Fluids durch das Ventil 250 wird entgegengewirkt. Durch die Lippe 264 wird auf den Ventilteller 252 eine Kraft ausgeübt, was ein Verformen des elastisch verformbaren Bauteils 262 bewirkt. Wenn das elastisch verformbare Bauteil 262 verformt wird, strömt Fluid in dem Hohlraum 263 durch die Druckentlastungbohrungen 265 heraus und in die Ventilkammer 257. Wenn der Ventilteller 252 zurück in eine offene Stellung bewegt wird, wird die auf den Ventilteller 252 ausgeübte Kraft freigegeben und das elastisch verformbare Bauteil 262 kehrt zu seiner ursprünglichen Stellung und Form zurück. Das Fluid kann durch die Druckentlastungbohrungen 265 zurück in den Hohlraum 263 strömen. Ein von dem verformbaren Bauteil 262 und dem Fluid auf den Einsatz 260 ausgeübter Druck, wenn sich der Ventilteller 252 in der geschlossenen Stellung befindet, wirkt einer plastischen Verformung des Einsatzes 260 entgegen.
Während das elastisch verformbare Bauteil 262 in dem in dem Ventilteller 252 ausgebildeten Hohlraum 263 angeordnet gezeigt wurde, kann das elastisch verformbare Bauteil 262 nach Bedarf in einem in dem Ventilkörper 254 ausgebildeten (nicht gezeigten) Hohlraum angeordnet sein. Es versteht sich, dass bei Anordnen des elastisch verformbaren Bauteils 262 in einem in dem Ventilkörper 254 gebildeten Hohlraum statt in dem Ventilteller 252 der Ventilkörper 254 aus einem Material gebildet sein würde, das weicher als das zum Bilden des Ventiltellers 252 verwendete Material ist.
8 und 9 zeigen ein Ventil 350 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das Ventil 350 umfasst einen Ventilteller 352 und einen Ventilkörper 354. In der gezeigten Ausführungsform ist das Ventil 350 ein Ventil der Abschaltausführung, das zwischen einer (nicht gezeigten) Brennstoffquelle und einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle angeordnet ist, wie vorstehend bei 1 beschrieben wurde. Es können aber andere Arten von Ventilen verwendet und nach Bedarf an anderen Stellen angeordnet werden. In dem Ventil 350 ist von einer in dem Ventilkörper 354 ausgebildeten Einlassöffnung 356 in eine Ventilkammer 357, durch einen Spalt zwischen dem Ventilteller 352 und dem Ventilkörper 354, wenn sich der Ventilteller 352 in einer offenen Stellung befindet, und durch eine in dem Ventilkörper 354 ausgebildete Auslassöffnung 358 ein Strömpfad ausgebildet.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Ventilteller 352 einen Einsatz 360, der aus einem Kunststoff gebildet ist, der weicher als ein zum Bilden des Ventilkörpers 354 verwendetes Material ist. Es versteht sich aber, dass der Einsatz 360 nach Bedarf aus anderen Materialien gebildet sein kann. Es versteht sich auch, dass der Einsatz 360 mit dem Ventilteller 352 ausgebildet sein kann, wobei der gesamte Ventilteller 352 aus einem Material gebildet sein kann, das weicher als das zum Bilden des Ventilkörpers 354 verwendete Material ist. Der Ventilteller 352 umfasst ein elastisch verformbares Bauteil 362, der in einem darin ausgebildeten ringförmigen Hohlraum 363 angeordnet ist. Es versteht sich, dass zusätzliche elastisch verformbare Bauteile 362 und Hohlräume 363 nach Bedarf in dem Ventilteller 352 ausgebildet sein können, beispielsweise eine ringförmige Anordnung von elastisch verformbaren Bauteilen 362 und Hohlräumen 363. Es versteht sich auch, dass mehrere elastisch verformbare Bauteile 362 in einer kleineren Anzahl von Hohlräumen 363 angeordnet sein können, beispielsweise wenn eine ringförmige Anordnung von elastisch verformbaren Bauteilen 362 in dem ringförmigen Hohlraum 363 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist das elastisch verformbare Bauteil 362 eine Metallfeder. Es können aber nach Bedarf andere Arten von elastisch verformbaren Bauteilen verwendet werden. Der Hohlraum 363 steht mit mehreren Druckentlastungsbohrungen 365 in Fluidverbindung, die in dem Ventilteller 352 ausgebildet sind. Die Druckentlastungbohrungen 365 stehen mit der Ventilkammer 357 in Fluidverbindung. Es versteht sich, dass nach Bedarf zusätzliche oder weniger Druckentlastungbohrungen 365 in dem Ventilteller 352 ausgebildet sein können. Der Ventilteller 352 umfasst eine ringförmige konisch zulaufende Fläche 361, die zum Anliegen an dem Ventilkörper 354 ausgelegt ist. Der Ventilteller 352 ist mit einem (nicht gezeigten) Aktor wirkverbunden, der den Ventilteller 352 selektiv in einer offenen Stellung, wie in 8 gezeigt, und in einer geschlossenen Stellung, wie in 9 gezeigt, positioniert.
Der Ventilkörper 354 ist aus einem Material gebildet, das härter als das zum Bilden des Einsatzes 360 verwendete Material ist, beispielsweise Aluminium. Der Ventilkörper 354 umfasst eine ringförmige konisch zulaufende Fläche 364, die auch als Ventilsitz bekannt ist, um die Auslassöffnung 358. Die ringförmige konisch zulaufende Fläche 364 ist dafür ausgelegt, an der ringförmigen konisch zulaufenden Fläche 361 des Einsatzes 360 anzuliegen, wenn sich der Ventilteller 352 in einer geschlossenen Stellung befindet, um eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung dazwischen zu erzeugen.
Mit dem Ventilkörper 354 ist ein Abdichtelement 366 ausgebildet, um die Ventilkammer 357 zu bilden. Das gezeigte Abdichtelement 366 ist integral mit dem Ventilkörper 354 ausgebildet gezeigt, könnte aber bei Bedarf zum Beispiel als separates Element ausgebildet sein. Ein zwischen dem Ventilteller 352 und dem Aktor angeordneter Ventilschaft 368 erstreckt sich durch eine in dem Abdichtelement 366 ausgebildete Öffnung. Es versteht sich, dass der Ventilschaft 368 in der Öffnung des Abdichtelements 366 gleitend angeordnet sein kann, wenn das Abdichtelement 366 bezüglich des Ventilkörpers 354 feststehend ist, oder der Ventilschaft 368 kann an dem Abdichtelement 366 befestigt sein, wenn das Abdichtelement 366 von dem Ventilkörper 354 gleitend aufgenommen ist. Wenn das Abdichtelement 366 von dem Ventilkörper 354 gleitend aufgenommen ist, können sich das Abdichtelement 366, der Ventilschaft 368 und der Ventilteller 352 alle zusammen als Einheit bewegen. Ferner versteht sich, dass andere Aktorarten verwendet werden können, die die Notwendigkeit des Abdichtelements 366 eliminieren.
Wenn bei Gebrauch ein Strömen eines Fluids durch das Ventil 350 erwünscht ist, positioniert der Aktor den Ventilteller 352 in einer offenen Stellung, wie in 8 gezeigt ist. Es versteht sich, dass der Aktor den Ventilteller 352 nach Bedarf durch andere Mittel in einer offenen Stellung positionieren kann, beispielsweise durch Anpassen der Stellung des Ventilkörpers 354. Wenn sich der Ventilteller 352 in einer offenen Stellung befindet, kann das Fluid in die Einlassöffnung 356, durch den Spalt zwischen dem Ventilteller 352 und dem Ventilkörper 354 und aus der Auslassöffnung 358 heraus strömen.
Wenn dem Strömen des Fluids durch das Ventil 350 entgegengewirkt werden soll, positioniert der Aktor den Ventilteller 352 in einer geschlossenen Stellung, wie in 9 gezeigt ist. Es versteht sich, dass der Aktor den Ventilteller 352 nach Bedarf durch andere Mittel in einer geschlossenen Stellung positionieren kann, beispielsweise durch Anpassen der Stellung des Ventilkörpers 354. Wenn sich der Ventilteller 352 in einer geschlossenen Stellung befindet, liegt der Einsatz 360 an der konisch zulaufenden Fläche 364 des Ventilkörpers 354 an, um den Spalt zwischen dem Ventilteller 352 und dem Ventilkörper 354 zu schließen, und dem Strömen des Fluids wird entgegengewirkt. Durch die konisch zulaufende Fläche 364 wird auf den Ventilteller 352 eine Kraft ausgeübt, was ein Verformen des elastisch verformbaren Bauteils 362 bewirkt. Wenn das elastisch verformbare Bauteil 362 verformt wird, wird ein Strömen von Fluid in dem Hohlraum 363 durch die Druckentlastungbohrungen 365 heraus und in die Ventilkammer 357 bewirkt. Wenn der Ventilteller 352 zurück in eine offene Stellung bewegt wird, wird die auf den Ventilteller 352 ausgeübte Kraft freigegeben und das elastisch verformbare Bauteil 262 kehrt zu seiner ursprünglichen Stellung und Form zurück, wobei das Fluid durch die Druckentlastungbohrungen 365 zurück in den Hohlraum 363 strömt. Ein von dem verformbaren Bauteil 362 und dem Fluid auf den Einsatz 360 ausgeübter Druck, wenn sich der Ventilteller 352 in der geschlossenen Stellung befindet, wirkt einer plastischen Verformung des Einsatzes 360 entgegen.
Während das elastisch verformbare Bauteil 362 in dem Hohlraum 363 angeordnet gezeigt wurde, der in dem Ventilteller 352 ausgebildet ist, kann das elastisch verformbare Bauteil 362 in einem in dem Ventilkörper 354 ausgebildeten (nicht gezeigten) Hohlraum angeordnet sein. Es versteht sich, dass bei Anordnen des elastisch verformbaren Bauteils 362 in einem in dem Ventilkörper 354 ausgebildeten Hohlraum statt in dem Ventilteller 352 der Ventilkörper 354 aus einem Material gebildet sein würde, das weicher als das zum Bilden des Ventiltellers 352 verwendete Material ist.

Claims

Ventil (50, 150, 250, 350) umfassend: einen Ventilteller (52, 152, 252, 352) mit einem Einsatz (60, 160, 260, 360), wobei der Ventilteller (52, 152, 252, 352) in einer in dem Ventil (50, 150, 250, 350) ausgebildeten Kammer (57, 157, 257, 357) angeordnet ist, in die eine Einlassöffnung (56, 156, 256, 356) mündet; einen Ventilkörper (54, 154, 254, 354) mit einem daran ausgebildeten Ventilsitz, der in einer geschlossenen Stellung des Ventils (50, 150, 250, 350) an mindestens einem Abschnitt des Einsatzes (60, 160, 260, 360) des Ventiltellers (52, 152, 252, 352) anliegt ist, um eine fluiddichte Abdichtung dazwischen zu erzeugen; und ein in dem Einsatz (60, 160, 260, 360) angeordnetes elastisch verformbares Bauteil (62, 162, 262, 362), wobei sich das elastisch verformbare Bauteil (62, 162, 262, 362) elastisch verformt, wenn der Ventilsitz an dem Abschnitt des Ventiltellers (52, 152, 252, 352) anliegt, und wobei das elastisch verformbare Bauteil (62, 162, 262, 362) mit einer Druckentlastungsbohrung (65, 165, 265, 365) in dem Ventilteller in Fluidverbindung steht, die mit der in dem Ventil (50, 150, 250, 350) ausgebildeten Kammer (57, 157, 257, 357) in Fluidverbindung steht.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Ventilsitz eine konisch zulaufende Fläche (164, 364) aufweist, die in der geschlossenen Stellung des Ventils (50, 150, 250, 350) an einer konisch zulaufenden Fläche (161, 361) des Ventiltellers (152, 352) anliegt.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Ventilsitz eine ringförmige Lippe (64, 164, 264, 364) aufweist, die in der geschlossenen Stellung des Ventils (50, 150, 250, 350) an dem Ventilteller (52, 152, 252, 352) anliegt.
Ventil nach Anspruch 1, wobei das elastisch verformbare Bauteil (262, 362) eine Feder ist.
Ventil nach Anspruch 1, wobei das elastisch verformbare Bauteil (62, 162) eine Druckkammer ist.
Ventil nach Anspruch 1, wobei der Ventilteller (52, 152, 252, 352) aus einem Material gebildet ist, das weicher als ein Material ist, das zum Bilden des Ventilkörpers (54, 154, 254, 354) verwendet wird.
Ventil nach Anspruch 6, wobei der Ventilteller (52, 152, 252, 352) aus einem Kunststoff gebildet ist und der Ventilkörper (54, 154, 254, 354) aus einem Metall gebildet ist.