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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
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Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es werden vorzugsweise Proportionalventile eingesetzt, die in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt des Ventils anpassen.
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Da bei gasförmigen Medien die bei flüssigen Kraftstoffen vorhandene Benetzung des Dichtsitzes mit Kraftstoff entfällt, ergeben sich insbesondere Abdichtungsprobleme am geschlossenen Ventil. Aus der
DE 10 2005 056 212 A1 ist ein Gasventil für Erdgas bekannt, bei dem eine spezielle Geometrie an einem Düsenkörper ausgebildet ist, um eine möglichst verlustarme Strömung des Mediums zu erreichen. Dieses Ventil ist allerdings nicht als Proportionalventil ausgebildet, sondern als Einblas-Taktventil, und macht keinerlei Angaben hinsichtlich einer Verbesserung einer Abdichtung am Ventilsitz.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass es eine sichere und zuverlässige Abdichtung des gasförmigen Mediums ermöglicht. Weiterhin kann eine Belastung des elastischen Dichtelements reduziert werden, so dass das Proportionalventil eine hohe Dauerbeständigkeit aufweist. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Proportionalventil mit einem gleichmäßigen Verlauf einer Öffnungskraft über den Hub geöffnet werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Ventilsitz einen Radius aufweist, an dem das Dichtelement abdichtet, wobei das Dichtelement, ausgehend von einer Dichtlinie einen freien Überstand aufweist. Der freie Überstand ist dabei in radialer Richtung des Dichtelements mindestens doppelt so groß wie der Radius des Ventilsitzes, aber höchstens fünf Mal so groß wie der Radius des Ventilsitzes. Hierdurch wird sichergestellt, dass der freie Überstand nicht zu klein ist, was zu einer unerwünschten Gasleckage führen kann, und dass der freie Überstand nicht zu groß ist, was zu einer unerwünschten Erhöhung einer Öffnungskraft führt. Als gasförmiges Medium wird vorzugsweise Wasserstoff verwendet, welches einer Brennstoffzelle zugeführt wird.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Weiter bevorzugt ist der freie Überstand mindestens zweieinhalb Mal so groß wie der Radius des Ventilsitzes und höchstens vier Mal so groß wie der Radius des Ventilsitzes und insbesondere drei Mal so groß wie der Radius des Ventilsitzes.
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Vorzugsweise liegt der freie Überstand in einem Bereich von 0,20 mm bis 0,40 mm, besonders bevorzugt 0,25 mm bis 0,35 mm und liegt weiter bevorzugt bei ungefähr 0,30 mm.
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Vorzugsweise ist der freie Überstand derart ausgebildet, dass er entlang des Ventilsitzes eine konstante Breite aufweist. Hierdurch wird ein gleichmäßiges Öffnungsverhalten und Schließverhalten des Proportionalventils erreicht.
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Der Radius des Ventilsitzes liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 mm bis 0,15 mm und ist besonders bevorzugt ungefähr 0,10 mm.
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Um eine möglichst gute Strömung bei geöffnetem Proportionalventil zu erreichen, ist vorzugsweise ein geneigter Bereich vorgesehen, derart, dass der Radius unmittelbar in den geneigten Bereich übergeht. Vorzugsweise weist der geneigte Bereich dabei einen Winkel von ca. 10° zu einer Ebene senkrecht zu einer Mittelachse des Proportionalventils auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verhältnis des freien Überstands zu einer Dicke des Dichtelements in einem Bereich von 0,40 bis 0,80 und beträgt vorzugsweise ungefähr 0,60. Vorzugsweise weist das Dichtelement dabei eine Dicke von 0,50 mm auf.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und mit einem erfindungsgemäßen Proportionalventil zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Proportionalventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine vergrößerte Darstellung des Proportionalventils von 1,
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3 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Düsenkörpers des Proportionalventils,
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4 eine vergrößerte Darstellung des Ventilsitzes, und
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5 eine vergrößerte Darstellung eines Teils eines Proportionalventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 ein Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. Das in den Figuren gezeigten Proportionalventil 1 dient hierbei zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff, welcher einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug zugeführt wird.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Proportionalventil 1 ein Ventilgehäuse 6 mit einem Magnetanker 12, einer Magnetspule 13 und einem mit dem Magnetanker 12 verbundenen Stift 11. Eine Schließfeder 14 ist über eine Federaufnahme 15 mit dem Stift 11 verbunden. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Einstellbolzen, um eine Rückstellkraft der Schließfeder 14 einzustellen. Die Magnetspule 13 ist in einer Umspritzung 17 aus Kunststoff am Ventilgehäuse 6 fixiert. Ein elektrischer Steckeranschluss 18 ist seitlich am Proportionalventil 1 vorgesehen. An dem der Schließfeder 14 entgegengesetzten Ende des Stifts 11 ist ein Schließelement 4 befestigt. Das Schließelement 4 verschließt Durchlassöffnungen 3, welche in einem Düsenkörper 2 ausgebildet sind. Die Durchlassöffnungen 3 sind dabei nierenförmig um eine Mittelachse X-X des Proportionalventils 1 angeordnet. Vorzugsweise sind hierbei drei Durchlassöffnungen 3 vorgesehen, es können jedoch auch nur zwei oder aber vier oder fünf Durchlassöffnungen ausgebildet sein. Zwischen den einzelnen Durchlassöffnungen sind jeweils Stege 24 ausgebildet (vgl. 3).
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist am Düsenkörper 2 ein Filter 19 vorgesehen, durch welchen eine Zuströmung des gasförmigen Mediums (Pfeil A) erfolgt. Zur Abdichtung des Proportionalventils in einem Bauelement sind O-Ringe 20 vorgesehen. Eine Abströmung des gasförmigen Mediums erfolgt in radialer Richtung (Pfeile B).
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Am Schließelement 4 sind, wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, eine senkrechte Abströmbohrung 9 sowie mehrere waagrechte Abströmbohrungen 10 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei waagrechte Abströmbohrungen 10 vorgesehen. Weiterhin ist am Schließelement 4 ein ringförmiges, elastisches Dichtelement 5 angeordnet. Das ringförmige Dichtelement 5 dichtet die Durchlassöffnungen 3 an einem Ventilsitz 21 ab. Der Ventilsitz 21 verläuft jeweils um den äußeren Umfang der Durchlassöffnungen 3.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, sind Mündungsbereiche der Durchlassöffnungen 3 in einer Vertiefung 26 im Düsenkörper 2 gebildet.
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Im Ventilgehäuse 6 sind weiter Ausströmbohrungen 7, 8 angeordnet, welche in radialer Richtung verlaufen. Beim Öffnen des Ventils hebt das Schließelement 4 mitsamt dem Dichtelement 5 vom Ventilsitz 21 am Düsenkörper 2 ab und gibt einen Öffnungsquerschnitt entsprechend dem Hub des Schließelements 4 frei. Da in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Strömungsweg im Schließelement 4 über die Abströmbohrungen 9, 10 gebildet ist, strömt sowohl Gas durch das Schließelement 4 als auch direkt seitlich am Schließelement 4 vorbei in die Ausströmbohrungen 7, 8. Hierdurch kann eine größere Gasmenge am Schließelement 4 bei einem relativ kleinen Hub ausströmen.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, welche den geschlossenen Zustand des Proportionalventils 1 darstellt, ist das Dichtelement 5 derart vorgesehen, dass in radialer Richtung ausgehend von der Durchlassöffnung 3 zur Außenseite der Ventilsitze 21 jeweils ein freier Überstand 25 vorgesehen ist. Die Breite des freien Überstands 25 ist dabei in Umfangsrichtung der Durchlassöffnungen 3 jeweils konstant. Der Ventilsitz 21 umfasst einen Radius R (4) und bildet am in Axialrichtung X-X höchsten Punkt des Radius R eine linienförmige Abdichtung. Der Überstand 25 ist von der linienförmigen Abdichtung am Ventilsitz 21 aus in radialer Richtung definiert. Die linienförmige Abdichtung läuft dabei vollständig um die Durchgangsöffnung 3 herum.
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In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Breite der freien Überstände 25 jeweils 0,30 mm. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist der Ventilsitz 21 jeweils am Radius R mit einer Länge des Radius von R = 0,10 mm gebildet. Dabei ist der Endbereich der Durchlassöffnung 3, wie aus 4 ersichtlich ist, derart gebildet, dass, ausgehend von einem zylindrischen Bereich der Durchlassöffnung 3, die Wand in den durch den Radius R gebildeten bogenförmigen Bereich 22 übergeht und dann in einen geneigten Bereich 23 übergeht. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist der geneigte Bereich 24 in einem Winkel α von ca. 10° zu einer Ebene E geneigt, wobei die Ebene E senkrecht zur Mittelachse X-X des Proportionalventils und einer Mittelachse Y-Y der Durchlassöffnung 3 ist.
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Der Überstand 25 ist dabei derart gewählt, dass er in radialer Richtung doppelt so groß ist, wie der Radius R. Hierdurch wird einerseits eine hohe Dichtheit am Ventilsitz 21 erreicht, da eine ausreichende Flächenpressung des Dichtelements 5 am Ventilsitz 21 möglich ist. Ferner gewährleistet der Radius R von 0,10 mm eine relativ geringe Belastung des Dichtelements 5, so dass eine hohe Dauerbeständigkeit des Dichtelements 5, welches beispielsweise aus einem Elastomer hergestellt ist, erreicht wird. Weiterhin bewirkt der Überstand 25 einen gleichmäßigen Verlauf der Öffnungskraft über den Hub des Proportionalventils. Ein zu großer Überstand 25 würde dabei eine unerwünschte Öffnungskraft aufgrund eines Druckanstiegs zwischen dem Dichtelement 5 und dem Düsenkörper 2 beim Öffnungsvorgang des Proportionalventils bedeuten. Ein zu kleiner Überstand 25 würde zu einer unerwünschten Gasleckage führen. Durch Einhalten des Verhältnisses des Überstands 25 zum Radius R kann somit ein Optimum zwischen der notwendigen Öffnungskraft und der erforderlichen Gasdichtheit des Proportionalventils für gasförmige Medien erreicht werden. Dadurch kann auch ein kostengünstiges Material für das Dichtelement 5 verwendet werden.
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Ferner ist eine Dicke D des Dichtelements 5 derart gewählt, dass ein Verhältnis des freien Überstands 25 zur Dicke D 0,60 beträgt (freier Überstand: Dicke = 0,60). Dies stellt eine sichere Abdichtung am Ventilsitz 21 bereit.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5 ein Proportionalventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Dabei sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist das Proportionalventil des zweiten Ausführungsbeispiels keine nierenförmigen Durchlassöffnungen auf, sondern weist eine zentrale Durchlassöffnung 30 auf. 5 zeigt wiederum den geschlossenen Zustand des Proportionalventils, bei dem das Dichtelement 5 am ringförmigen Ventilsitz 21 aufsitzt und abdichtet. Weiterhin sind im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel keine Abströmbohrungen im Schließelement 4 ausgebildet. Diese sind beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht notwendig, da durch den relativ großen Durchmesser der zentralen Durchlassöffnung 30 ein ausreichender Medienstrom möglich ist.
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Das zweite Ausführungsbeispiel weist insbesondere vereinfachte Bauteile auf, so dass die Herstellkosten für ein derartiges Proportionalventil reduziert werden können. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann. Es sei ferner angemerkt, dass das Proportionalventil alternativ auch derart ausgebildet sein kann, dass der Ventilsitz am Schließelement 4 vorgesehen ist und dass ein ringförmiges Dichtelement am Düsenkörper 2 um die Durchlassöffnung 30 herum vorgesehen ist.
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Somit wird erfindungsgemäß ein Proportionalventil 1 für eine Steuerung eines Wasserstoffgasstromes bereitgestellt, welches insbesondere zur Gaszuführung zu Brennstoffzellen verwendet wird. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht eine sichere Abdichtung und eine sehr genaue Zudosierung des Wasserstoffs, da insbesondere ein ungenaues Öffnen und Schließen durch Anhaften des Dichtelements 5 am Ventilsitz 21 vermieden werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056212 A1 [0003]
