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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff und 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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Aufgrund der kleinen Molekülgröße von gasförmigem Wasserstoff sind hohe Anforderungen hinsichtlich einer Dichtheit des Proportionalventils zu erfüllen. Hierbei können schon minimale Schrägstellungen eines Schließelements zu unerwünschten Leckagen führen. 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 eine verbesserte Dichtheit am Ventilsitz gewährleistet ist. Insbesondere können leichte Schrägstellungen eines Schließelements ausgeglichen werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Schließelement mittels einer gelenkigen Lagerung gelenkig gelagert ist. Ausgleichsbewegungen des Schließelements können hierbei über die gelenkige Lagerung vorgenommen werden. Somit kann erreicht werden, dass ein Dichtelement immer plan auf einem Ventilsitz aufliegt. Dadurch ist insbesondere eine effektive Abdichtung von gasförmigem Wasserstoff, welcher eine sehr kleine Molekülgröße aufweist, möglich. Das Ventil wird vorzugsweise zur Zuführung von Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle verwendet.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Proportionalventil ein Bauteil mit stiftförmigem Ende, insbesondere einen Stift, und die gelenkige Lagerung ist zwischen dem stiftförmigen Ende und dem Schließelement angeordnet. Hierdurch kann die gelenkige Lagerung in eine Verbindung zwischen dem stiftförmigen Ende und dem Schließelement integriert werden.
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Eine besonders kostengünstige Lösung wird dadurch ermöglicht, dass vorzugsweise zwischen einem stiftförmigen Ende und dem Schließelement eine Spielpassung zwischen den beiden Bauteilen als gelenkige Lagerung vorgesehen ist. Ein Spiel zwischen dem stiftförmigen Ende und dem Schließelement ist dabei vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 0,01 mm bis 0,03 mm, und beträgt besonders bevorzugt ungefähr 0,02 mm.
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Besonders bevorzugt ist die gelenkige Lagerung ein Kugelelement, wobei insbesondere das stiftförmige Ende kugelförmig ausgebildet ist.
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Um einen möglichst kompakten Aufbau zu ermöglichen, ist vorzugsweise das stiftförmige Ende in eine Ausnehmung im Schließelement angeordnet. Hierdurch kann insbesondere eine axiale Länge des Proportionalventils reduziert werden.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Proportionalventil ferner einen Stift, der vorzugsweise zweiteilig ausgebildet ist, und die gelenkige Lagerung ist zwischen den beiden Teilen des Stiftes angeordnet. Gemäß einer anderen alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorzugsweise eine gelenkige Lagerung an einem dem Schließelement entgegengesetzten Ende des Stiftes angeordnet. Diese gelenkigen Lagerungen können vorzugsweise ebenfalls als Kugelgelenke ausgebildet sein.
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Weiter bevorzugt weist das Dichtelement am Ventilsitz einen Dichtdurchmesser auf, an welchem eine Abdichtung erfolgt und ein Abstand der gelenkigen Lagerung zum Ventilsitz bei geschlossenem Proportionalventil ist derart, dass ein Verhältnis des Dichtdurchmessers zum Abstand größer als 1 ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich das Schließelement mittels eines Gleitvorgangs auf dem Ventilsitz ausrichten kann und keine Selbsthemmung vorliegt.
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Vorzugsweise ist das Schließelement an einem Aktor gelenkig gelagert und verliersicher an diesem angeordnet. Der Aktor ist dabei vorzugsweise ein Magnetanker. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden. Besonders bevorzugt umfasst der Aktor dabei eine Halteeinrichtung, wobei eine formschlüssige Verbindung zwischen der Halteeinrichtung und dem Schließelement vorgesehen ist. Die Halteeinrichtung ist bevorzugt eine Haltebuchse. Diese steht dabei vorzugsweise über ein freies Ende des Aktors vor und bildet einen Aufnahmeraum zur Aufnahme des Schließelements. Die formschlüssige Verbindung zwischen der Halteeinrichtung und dem Schließelement ermöglicht insbesondere eine Übertragung von axialen Kräften vom Aktor auf das Schließelement.
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Vorzugsweise ist die gelenkige Lagerung als Spielpassung zwischen der Halteeinrichtung und dem Schließelement vorgesehen, wobei das Schließelement im geschlossenen Zustand in Hubrichtung einen Abstand zur Halteeinrichtung aufweist. Ein Spiel zwischen der Halteeinrichtung und dem Schließelement in radialer Richtung zur Mittelachse liegt dabei vorzugsweise zwischen 0,05 bis 0,09 mm. Das Spiel der Spielpassung ist vorzugsweise derart gewählt, dass Kippbewegungen wie auch Rundlaufabweichungen zur Durchlassöffnung begrenzt sind. Insbesondere sollte eine starke Kippbewegung bei geöffnetem Ventil vermieden werden, um Durchflussschwankungen infolge von Bewegungen des Schließelements zu vermeiden. Der Abstand zwischen Schließelement und Halteeinrichtung in Hubrichtung beträgt vorzugsweise mindestens 0,1 mm.
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Besonders bevorzugt dichtet das Dichtelement an einem Ventilsitz an einem Dichtdurchmesser ab, wobei das Schließelement eine Höhe in einer Axialrichtung, d. h., einer Bewegungsrichtung zum Öffnen und/oder Schließen des Proportionalventils, aufweist, und wobei ein Verhältnis des Dichtdurchmessers zur Höhe des Schließelements größer 1 ist. Ein Verhältnis des Dichtdurchmessers zur Höhe des Schließelements von größer als 1 stellt dabei sicher, dass sich das Schließelement durch Gleiten auf dem Ventilsitz ausrichten kann und eine Selbsthemmung nicht auftritt.
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Ferner würde eine zu große Rundlaufabweichung eine Reduzierung einer Überdeckung von Ventilsitz und Schließelement bewirken, was zu einer unzulässigen Leckage führen könnte.
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Die formschlüssige Verbindung zwischen der Halteeinrichtung und dem Schließelement ist vorzugsweise durch Vorsehen von radialen Anlageflächen, welche radial zu einer Bewegungsrichtung des Schließelements sind, gebildet. Die radialen Anlageflächen sind vorzugsweise ringförmig umlaufende Bereiche am Schließelement und der Halteeinrichtung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Proportionalventil ferner einen Anschlag, welcher eine Kippbewegung des Schließelements begrenzt. Hierdurch werden zu starke Kippbewegungen, insbesondere bei geöffnetem Proportionalventil vermieden, was im Betrieb zu Durchflussschwankungen infolge einer Bewegung des Schließelements führen könnte. Da im Betrieb einer Brennstoffzelle das Proportionalventil in fast allen Betriebslagen in Offenstellung ist, sollte die gelenkige Lagerung vorzugsweise ein maximales Spiel von 0,03 mm zulassen.
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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 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 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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4 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Düsenkörpers des Proportionalventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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5 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Düsenkörpers des Proportionalventils gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums im Detail beschrieben. Das in den Figuren gezeigten Proportionalventil 1 dient hierbei zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff, welcher z. B. 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, stiftförmigen Ende 11a des Stifts 11 ist ein Schließelement 4 angeordnet. 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 in Umfangsrichtung jeweils Stege ausgebildet.
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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. 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 das Dichtelement plan auf den Ventilsitzen 21 an den Durchlassöffnungen 3 aufliegt. Hierzu ist erfindungsgemäß eine gelenkige Lagerung 30 zwischen dem Stift 11 und dem Schließelement 4 ausgebildet. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist als gelenkige Lagerung 30 eine Spielpassung 31 vorgesehen. Hierbei ist ein Ende 11a des Stiftes 11 in eine Ausnehmung 4a des Schließelements 4 eingeführt und eine Spielpassung 31 ist zwischen dem Ende 11a des Stifts 11 und dem Schließelement 4 vorgesehen. Das Spiel zwischen dem Ende 11a und der Ausnehmung 4a beträgt dabei vorzugsweise 0,02 mm.
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Weiterhin ist in 2 ein Dichtdurchmesser D dargestellt, an welchem das Dichtelement 5 am jeweils radial äußeren Dichtsitz 21 des Düsenkörpers 2 abdichtet. Ferner ist ein Abstand C bei geschlossenem Proportionalventil zwischen der gelenkigen Lagerung 30 und dem Ventilsitz 21 vorgesehen (vgl. 2). Hierbei ist der Abstand C und der Dichtdurchmesser D derart gewählt, dass ein Verhältnis des Dichtdurchmessers D zum Abstand C größer als 1 ist (D:X > 1). Hierdurch kann sich das Schließelement 4 durch eine Gleitbewegung auf dem Ventilsitz 21 am Düsenkörper 2 ausrichten.
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Erfindungsgemäß kann somit durch die gelenkige Lagerung 30 sichergestellt werden, dass eventuelle Maßabweichungen am Düsenkörper 2 durch eine Kippbewegung des Schließelements 4 ausgeglichen werden können. Hierbei ist die Spielpassung 31 derart gewählt, dass die Kippbewegung begrenzt ist und somit in der Spielpassung 31 ein integrierter Anschlag vorgesehen ist. Somit kann durch das relativ geringe Spiel von 0,02 mm eine starke Kippbewegung bei geöffnetem Proportionalventil vermieden werden, wodurch Durchflussschwankungen infolge von zu großen Bewegungen des Schließelements 4 vermieden werden können. Dadurch wird die Genauigkeit der Zumessung von Wasserstoff durch das erfindungsgemäße Proportionalventil mit gelenkiger Schließelementlagerung vermieden.
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3 zeigt ein Proportionalventil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist das Proportionalventil des zweiten Ausführungsbeispiels als gelenkige Lagerung 30 ein Kugelgelenk 32 auf. Hierzu ist am Ende 11a des Stifts 11 eine Kugel ausgebildet, welche in einer entsprechend gebildeten Aufnahme in der Ausnehmung 4a aufgenommen ist. Dadurch kann das Schließelement 4 um einen Schwenkpunkt S, welcher der Mittelpunkt der Kugel am Ende 11a des Stifts ist, schwenken. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 ein Proportionalventil gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Dabei sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist das Proportionalventil des dritten Ausführungsbeispiels keine nierenförmigen Durchlassöffnungen auf, sondern weist eine zentrale Durchlassöffnung 31 auf. 4 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 31 ein ausreichender Medienstrom möglich ist. Das dritte Ausführungsbeispiel weist insbesondere vereinfachte Bauteile auf, so dass die Herstellkosten für ein derartiges Proportionalventil reduziert werden können. Alternativ kann der Ventilsitz 21 auch am Schließelement angeordnet sein und das Dichtelement um die Durchgangsöffnung 31 herum am Düsenkörper 2 angeordnet sein. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann. Es sei ferner angemerkt, dass das dritte Ausführungsbeispiel auch mit einem Kugelgelenk als gelenkige Lagerung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ausgestattet sein kann.
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5 zeigt ein Proportionalventil gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile wieder mit den gleichen Bezugszeichen wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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Das Proportionalventil 1 des vierten Ausführungsbeispiels umfasst einen Aktor 42, insbesondere einen Magnetaktor, sowie eine zylinderförmige Haltebuchse 40. Die Haltebuchse 40 ist mittels einer Presspassung 41 am Aktor 42 befestigt. Ferner weist die Haltebuchse 40 eine ringförmig ausgebildete, radiale Anschlagfläche 43 auf. Die Anschlagfläche ist als ringförmiger Bund gebildet. Am Schließelement 4 ist ebenfalls eine ringförmige, radiale Anschlagfläche 44 gebildet. Hierbei ist die radiale Anschlagfläche 43 an der Haltebuchse radial nach innen gerichtet und die Anschlagfläche 44 am Schließelement 4 ist radial nach außen gerichtet, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen der Haltebuchse 40 und dem Schließelement 4 vorgesehen ist. Dabei ist das Schließelement 4 derart angeordnet, dass es lose in dem durch die Haltebuchse 40 am Ende des Aktors 42 gebildeten Raum 45 liegt. Hierdurch kann zum Öffnen des Proportionalventils eine axiale Kraft auf das Schließelement 4 übertragen werden.
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5 zeigt den vollständig geschlossenen Zustand des Proportionalventils. Wenn das Proportionalventil geöffnet werden soll, bewegt sich der Aktor 42 in Richtung des Pfeils R. Dabei wird das Schließelement 4 noch nicht durch die radiale Anschlagfläche 43 an der Haltebuchse 40 mitgenommen, sondern befindet sich dann lose in einem Aufnahmeraum 45. Durch den an der zentralen Durchlassöffnung 31 anstehenden Druck wird das Dichtelement 5 jedoch vom Ventilsitz 21 abgehoben. Wenn durch den Hub des Aktors 42 der im geschlossenen Zustand des Proportionalventils den vorhandenen Abstand T überwunden wird, wird durch die formschlüssige Verbindung in Form der Anschlagflächen 43, 44 das Schließelement 4 mitgenommen und hebt vollständig vom Ventilsitz 21 ab. Zum Schließen wird eine Kraft entgegen der Öffnungskraft aufgebracht, so dass der Aktor 42 mit einer Endfläche 42a gegen das Schließelement 4 drückt. Hierdurch kann eine axiale Kraftübertragung auf das Schließelement 4 ermöglicht werden. Während des Schließvorgangs kann sich das Schließelement 4 an der gelenkigen Lagerung 30 zwischen dem Schließelement 4 und der Haltebuchse 40 ausrichten. Um hierbei eine Selbsthemmung des Schließelements 4 in der Haltebuchse 40 zu verhindern, ist ein Verhältnis eines Dichtdurchmessers D zu einer Höhe H, welche das Schließelement 4 in Axialrichtung X-X aufweist, größer als 1. Dies stellt sicher, dass sich das Schließelement 4 durch Gleiten am Ventilsitz 21 ausrichten kann und dadurch immer eine sichere Abdichtung, auch bei gegebenenfalls leicht schräggestelltem Aktor 42 erreicht. Die Abdichtung erfolgt dabei an dem Dichtdurchmesser D, welcher etwas größer ist als ein Durchmesser D1 der zentralen Durchgangsöffnung 31.
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Somit zeigen die beschriebenen Ausführungsbeispiele ein Proportionalventil 1 für eine Steuerung eines Wasserstoffgasstromes, welches insbesondere bei der Gaszuführung zu Brennstoffzellen verwendet wird. Durch die gelenkige Lagerung des Schließelements 4 kann das Schließelement 4 eine Ausgleichsbewegung ausführen, falls beispielsweise aufgrund von herstellungsbedingten Toleranzen Maßabweichungen an den Bauteilen aufgetreten sind. Trotzdem wird durch die gelenkige Lagerung des Schließelements 4 immer eine sichere Abdichtung erreicht.
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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 auch 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]
