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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere ein Proportionalventil oder ein Taktventil, zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, und insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb mit einem kostengünstigen Dichtelement.
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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 insbesondere Proportionalventile eingesetzt, die in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt des Ventils anpassen.
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Bei Proportionalventilen für gasförmige Medien führen jedoch Beschädigungen an einem Dichtsitz sofort zu mangelhafter Gasdichtheit bzw. nicht einwandfreier Funktion des Proportionalventils. Ferner sollte insbesondere auch aus Kostengründen ein hoher Freiheitsgrad hinsichtlich einer Werkstoffauswahl für ein Dichtelement gegeben sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass das Dichtelement formschlüssig als separates Bauteil angeordnet ist, wobei das separate Bauteil zerstörungsfrei wieder entfernt werden kann. Erfindungsgemäß ist somit ein loses, formschlüssig gehaltenes Dichtelement vorgesehen. Somit kann das Dichtelement als sehr einfaches und kostengünstiges Bauteil bereitgestellt werden, da insbesondere ein Kleben oder Aufvulkanisieren des Dichtelements an ein Bauteil entfallen kann. Hierdurch werden auch Montagekosten reduziert. Neben der Vereinfachung und Kostenreduzierung während der Herstellung durch Entfall des Verbindungsprozesses zwischen Dichtelement und Bauteil kann weiterhin auch ein höherer Freiheitsgrad bei einer Werkstoffauswahl ermöglicht werden, da bei der Werkstoffauswahl nicht mehr auf einen Verbindungsprozess, wie z.B. Aufvulkanisieren, geachtet werden muss.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Weiter bevorzugt ist das Dichtelement formschlüssig mit Spiel angeordnet. Hierdurch wird das Dichtelement formschlüssig gehalten und trotzdem ist ein Spiel vorhanden, so dass in vorbestimmtem Umfang eine Beweglichkeit des Dichtelements gegeben ist. Hierdurch kann insbesondere ein Toleranzausgleich ermöglicht werden, so dass insbesondere auch Rundlauffehler zwischen Düsenkörper und Schließelement durch das Dichtelement ausgeglichen werden können. Da der Einsatzbereich des Proportionalventils bei Fahrzeugen in einem Temperaturbereich zwischen ca. –40°C bis +120°C liegen kann, kann durch das erfindungsgemäß mit Spiel schwimmend gelagerte Dichtelement weiterhin in jedem Betriebszustand eine sichere Gasdichtheit bei geschlossenem Ventil ermöglicht werden. Die Anordnung des Dichtelements in formschlüssiger Weise mit Spiel ermöglicht es ferner, die Dichtelemente mit möglichst geringem Materialeinsatz bereitzustellen.
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Vorzugsweise weist das Dichtelement Spiel in Axialrichtung des Ventils auf. Die Axialrichtung des Ventils ist dabei derart definiert, dass die Axialrichtung der Durchflussrichtung durch die Durchlassöffnung im Düsenkörper entspricht. Hierdurch wird insbesondere ein exzellenter Toleranzausgleich von Rundlauffehlern ermöglicht.
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Weiter bevorzugt weist das Dichtelement Spiel in Radialrichtung auf. Die Radialrichtung ist erfindungsgemäß dabei senkrecht zur Axialrichtung des Ventils definiert. Besonders bevorzugt weist das Dichtelement dabei Spiel sowohl in Radial- als auch in Axialrichtung auf.
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Um das Dichtelement besonders kostengünstig und wirtschaftlich fertigen zu können, ist das Dichtelement vorzugsweise als Dichtscheibe oder als O-Ring ausgebildet.
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Weiter bevorzugt weist das Dichtelement eine Hinterschneidung auf. Hierdurch kann insbesondere eine einfache Fixierung des Dichtelements an einem Bauteil des Ventils ermöglicht werden.
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Vorzugsweise ist das Dichtelement am Schließelement angeordnet. Somit ist ein Dichtsitz am Düsenkörper vorgesehen. Hierdurch kann ein besonders kompakter Aufbau des Ventils erhalten werden. Bevorzugt ist das Dichtelement mit Spiel in einer im Schließelement gebildeten Ausnehmung angeordnet.
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Alternativ ist das Dichtelement am Düsenkörper des Ventils angeordnet. Somit ist ein Dichtsitz am Schließelement vorgesehen. Hierdurch muss das Dichtelement nicht wie bei einer Anordnung am Schließelement mitbewegt werden. Besonders bevorzugt ist dabei das Dichtelement an der Durchgangsöffnung angeordnet und weist einen Gasdurchlass auf, wobei der Gasdurchlass die Durchlassöffnung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, überdeckt. Hierdurch kann insbesondere ein Toleranzfenster für die Herstellung der Durchlassöffnung im Düsenkörper erhöht werden.
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Das Dichtelement ist bevorzugt ein Elastomer und besonders bevorzugt aus FKM (Fluorkautschuk), EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk) oder aus Silikon-Elastomer hergestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Düsenkörper mehrere, vorzugsweise nierenförmige Durchlassöffnungen oder eine zentrale, mittige Durchlassöffnung auf. Hierdurch werden effektive Strömungsquerschnitte bereitgestellt, die einen optimierten Gasdurchsatz mit geringem Strömungswiderstand und Drosselverlusten gewährleisten.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung, umfassend ein erfindungsgemäßes Ventil zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle. Das erfindungsgemäße Ventil, insbesondere Proportionalventil oder Taktventil, kann im Wesentlichen bei allen Typen und Leistungsklassen von Brennstoffzellen eingesetzt werden. Aufgrund der Möglichkeit eines Toleranzausgleichs kann eine kontinuierliche Gasdichtheit des Ventils und somit eine hohe Betriebssicherheit der Brennstoffzellenanordnung sichergestellt werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden 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 eines Teilausschnitts des Proportionalventils von 1,
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3 bis 14 vergrößerte Darstellungen von Teilausschnitten von Proportionalventilen gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Ventil am Beispiel eines Proportionalventils 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. Das in den 1 und 2 gezeigte 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 eine zentrale Durchlassöffnung 3, welche in einem Düsenkörper 2 ausgebildet ist. Die Durchlassöffnung 3 liegt dabei in einer Mittelachse X-X in Axialrichtung des Proportionalventils 1.
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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 in einer mit einem Pfeil gekennzeichneten ersten Strömungsrichtung 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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Weiterhin ist am Schließelement 4 ein scheibenförmiges, elastisches Dichtelement 5 formschlüssig mit Spiel angeordnet. Das ringförmige Dichtelement 5 dichtet die Durchlassöffnung 3 an einem Dichtsitz 21 am Düsenkörper 2 ab. Wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, ist das Dichtelement 5 ein separates, zerstörungsfrei lösbares Bauteil, welches formschlüssig mit Spiel am Schließelement 4 angeordnet ist. Das Dichtelement 5 weist dabei ein Radialspiel 30 (in Radialrichtung) und ein Axialspiel 31 (in Axialrichtung) auf. Das Axialspiel ist dabei in Axialrichtung X-X des Proportionalventils vorgesehen und das Radialspiel 30 ist senkrecht zur Mittelachse X-X vorgesehen.
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Zur Aufnahme des Dichtelements 5 weist das Schließelement 4 eine Ausnehmung 40 mit Hinterschneidung 41 auf. Das Dichtelement 5 ist somit lose in der Ausnehmung 40 angeordnet und kann durch entsprechende Ausgleichsbewegungen in Axialrichtung und Radialrichtung während des Schließvorgangs einen Toleranzausgleich ermöglichen. Trotzdem ist eine sichere Abdichtung im geschlossenen Zustand des Proportionalventils möglich.
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Beim Öffnen des Ventils hebt das Schließelement 4 mitsamt dem Dichtelement 5 vom Dichtsitz 21 am Düsenkörper 2 ab und gibt einen Öffnungsquerschnitt entsprechend dem Hub des Schließelements 4 frei. Hierdurch kann eine größere Gasmenge am Schließelement 4 bei einem relativ kleinen Hub ausströmen.
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Das Dichtelement 5 ist eine einfache kreisförmige Dichtscheibe aus einem Elastomermaterial und kann besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Auch eine Montage ist einfach durch Einlegen des Dichtelements 5 in die Ausnehmung 40 im Schließelement 4 möglich. Ein Aufvulkanisieren oder ein anderer derartiger Verbindungsprozess zwischen dem Dichtelement 5 und dem Schließelement 4 ist somit nicht notwendig. Da das Dichtelement 5 lose eingelegt ist, wird eine schwimmende Lagerung des Dichtelements 5 im Schließelement 4 realisiert. Die Ausnehmung 40 ist dabei vollständig im Schließelement 4 ausgebildet, wodurch die Teileanzahl klein gehalten werden kann. Während des Schließvorgangs gleicht somit das Dichtelement 5 eventuell vorhandene Toleranzabweichungen durch entsprechende Bewegungen, welche durch das axiale und radiale Spiel ermöglicht werden, aus.
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Nachfolgend werden mit Bezug auf die 3 bis 14 Proportionalventile gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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3 zeigt ein Proportionalventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Dichtsitz 21 am Düsenkörper 2 als Flachsitz ausgebildet ist. Das Dichtelement 5 weist eine Hinterschneidung 51 auf, welche hinter eine entsprechende Hinterschneidung 41 am Schließelement 4 mit Radialspiel 30 und Axialspiel 31 eingreift. 3 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Proportionalventils, bei dem eine große Fläche des Dichtelements 5 am Dichtsitz 21 aufliegt. Alternativ könnte das Dichtelement 5 mit der Hinterschneidung 51 auch ohne Spiel formschlüssig am Schließelement 4 angeordnet sein.
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Das in 4 gezeigte dritte Ausführungsbeispiel weist ein mehrteiliges Schließelement 4 auf, bei dem zusätzlich zu einem zentralen Schließkörper 40a noch mindestens drei Arme 41a oder ein umlaufendes Band hinter das Dichtelement 5 greifen, so dass das Dichtelement zwischen den Armen 41a und einer Stirnseite des Schließkörpers 40a angeordnet ist. Hierbei weist das Dichtelement 5 lediglich ein Axialspiel 31 auf, jedoch kein Radialspiel. Das Dichtelement 5 ist wieder als scheibenförmiges Dichtelement ausgebildet.
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Das in 5 gezeigte vierte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel, wobei das Dichtelement 5 in 5 mit einem Absatz 52 gebildet ist. Das Dichtelement 5 weist dabei sowohl ein Radialspiel 30 als auch ein Axialspiel 31 auf.
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Das in den 6 und 7 gezeigte fünfte und sechste Ausführungsbeispiel weisen statt scheibenförmigen Dichtelementen jeweils O-Ringe als Dichtelement 5 auf. Dabei ist das O-Ring-förmige Dichtelement 5 in 6 durch eine im Schnitt teilkreisförmige Hinterschneidung 42 mit Radialspiel 30 und Axialspiel 31 formschlüssig gehalten. In dem in 7 gezeigten sechsten Ausführungsbeispiel ist eine Hülse 43, welche das Schließelement 4 umgibt, vorgesehen, welche an der zum Düsenkörper 2 gerichteten Seite ein nach innen abgekröpftes Ende 44 aufweist. Hierdurch kann das als O-Ring ausgebildete Dichtelement 5 ebenfalls mit Radialspiel 30 und Axialspiel 31 gehalten werden.
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Das in 8 gezeigte siebte Ausführungsbeispiel weist mindestens drei Bügel 45 auf, welche das scheibenförmige Dichtelement 5 mit Axialspiel 31 halten. 8 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Ventils. Die Bügel 45 sind an ihrem Ende biegbar, so dass gegebenenfalls noch die Größe des Axialspiels 31 einstellbar ist.
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9 zeigt ein Proportionalventil gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Dichtelement 5 mit Axialspiel 31 und Radialspiel 30 am Schließelement 4 angeordnet ist. Hierzu weist das Schließelement 4 einen tellerartigen Endbereich 46 auf. Das Dichtelement 5 ist dabei am Schließelement 4 mit Radialspiel 30 und Axialspiel 31 angeordnet. Wie aus 9 ersichtlich ist, weist das Dichtelement 5 eine relative große Masse auf, so dass dieses Ausführungsbeispiel eine besonders hohe Dämpfungsfähigkeit während des Schließvorgangs bereitstellen kann.
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10 zeigt ein neuntes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Dichtelement 5 in gleicher Weise wie beim achten Ausführungsbeispiel am Schließelement 4 angeordnet ist. Allerdings weist das Dichtelement 5 des neunten Ausführungsbeispiels, wie in 10 gezeigt, eine zentrale Durchgangsöffnung 53 auf, was die Montage des Dichtelements 5 am Schließelement 4 deutlich erleichtert.
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Alternativ könnte das Dichtelement 5 in den in 9 und 10 gezeigten Ausführungsbeispielen auch nur formschlüssig ohne Spiel angeordnet sein.
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11 zeigt ein Proportionalventil gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das Dichtelement 5 wiederum eine zentrale Durchgangsöffnung 53 aufweist. Ferner weist das Dichtelement 5 eine innere Umfangswulst 54 auf, welche in die Durchgangsöffnung 53 vorsteht. Entsprechend ist am Schließelement 4 eine ringförmige Ausnehmung 47 gebildet, deren Form der der Umfangswulst 54 entspricht, wobei wiederum ein Axial- und Radialspiel zwischen Schließelement 4 und Dichtelement 5 vorhanden ist. Die Umfangswulst 54 hält das Dichtelement 5 am Schließelement 4.
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Die Ausführungsbeispiele in den 12, 13 und 14 zeigen alternative Ausführungsformen, bei denen das Dichtelement 5 jeweils im Düsenkörper 2 angeordnet ist und nicht, wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, am Schließelement 4. Dafür ist dann am Schließelement 4 jeweils ein Dichtsitz 21 vorgesehen. 12 zeigt dabei zwei Alternativen, wobei an der linkshälftigen Darstellung eine Hinterschneidung 33 am Düsenkörper 2 ausgebildet ist, welche einer Form eines O-Rings mit kreisförmigem Querschnitt entspricht. Hierdurch ist wiederum ein Radial- und Axialspiel 30, 31 ermöglicht und das Dichtelement 5 kann ein O-Ring mit kreisförmigem Querschnitt sein. Auf der rechtsseitigen Darstellung von 12 ist eine Alternative dargestellt, bei der eine Einbuchtung 34 ausgebildet ist. In entsprechender Weise weist das ringförmige Dichtelement 5' eine Nase 55‘ auf. Auch bei dieser Ausführungsalternative ist ein Radial- und Axialspiel gegeben. Die in den 13 und 14 gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen zwei Varianten, bei denen das Dichtelement 5 Teile des Düsenkörpers 2 überdeckt. Hierbei weisen die Dichtelemente 5 jeweils Gasdurchlässe 56 auf sowie jeweils eine Hinterschneidung 51, um die Dichtelemente am Düsenkörper 2 zu halten. Hierbei sind sowohl wieder ein Radialspiel 30 als auch ein Axialspiel 31 vorgesehen. Die Gasdurchlässe 56 überdecken dabei die Durchlassöffnungen 3 vollständig.
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Zu allen gezeigten Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass aufgrund der einfachen geometrischen Gestaltung der Dichtelemente 5 auf eine große Vielfalt von verschiedenen Elastomerwerkstoffen zurückgegriffen werden kann. Aus Kostengründen sind vorzugsweise O-Ringe oder scheibenförmige Dichtelemente 5 zu bevorzugen. Aufgrund der fehlenden kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Dichtelement 5 und einem Bauteil (Schließelement 4 oder Düsenkörper 2) wird ferner eine erhöhte Robustheit des Ventils erreicht. Insbesondere muss auch kein Ablösen eines aufgeklebten oder aufvulkanisierten Dichtelements von einem Bauteil befürchtet werden.
