DE102015200187A1

DE102015200187A1 - Ventilvorrichtung in einem Kraftfahrzeug und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102015200187A1
Application number: DE102015200187.3A
Authority: DE
Inventors: Rainer Johannes Montigny; Peter Kohlen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2016-06-23
Also published as: CN107110378A; EP3234422A1; KR20170097733A; WO2016096842A1; US20170370478A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung in einem Kraftfahrzeug mit einem in einem Gehäuse 1 verlaufenden Strömungskanal 2, einer den Strömungsquerschnitt beeinflussenden Klappe 8 und einem die Klappe 8 antreibenden Antrieb, wobei die Klappe 8 an einer Achse 3 befestigt und die Achse 3 drehbar in dem Gehäuse 1 gelagert ist, einem im Strömungskanal 2 angeordneten Ventilsitz 12 und einer an einem radial umlaufenden Rand 10 der Klappe 8 angeordneten Dichtung 11, die in Schließstellung der Klappe 8 mit dem Ventilsitz 12 in Kontakt steht, so dass die Achse 3 die Klappe 8 in einem Winkel durchdringt. Die Dichtung 11 besitzt einen ringförmigen Grundkörper 15, der mindestens eine Ausnehmung 13 aufweist, wobei die mindestens eine Ausnehmung 13 mit dem Material der Klappe 8 ausgefüllt ist.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung in einem Kraftfahrzeug mit einem in einem Gehäuse verlaufenden Strömungskanal, einer den Strömungsquerschnitt beeinflussenden Klappe und einem die Klappe antreibenden Antrieb, wobei die Klappe an einer Achse befestigt und die Achse drehbar in dem Gehäuse gelagert ist, einem im Strömungskanal angeordneten Ventilsitz und einer an einem radial umlaufenden Rand der Klappe angeordneten Dichtung, die in Schließstellung der Klappe mit dem Ventilsitz in Kontakt steht, so dass die Achse die Klappe in einem Winkel durchdringt. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung.
Derartige Ventilvorrichtungen sind seit langem bekannt und somit Stand der Technik. Aufgrund der strömenden Medien, z. B. Luft, müssen die Stellglieder eine hohe Dichtheit beim Verschließen des Strömungskanals ermöglichen. Zudem sollen sie eine gute Regelbarkeit des Strömungsquerschnitts des Strömungskanals und damit des Massenflusses des strömenden Mediums gewährleisten. Das hat zur Folge, dass solche Ventilvorrichtungen aufwändig gebaut und damit relativ kostenintensiv sind. Es ist bekannt, Magnetventile als Absperrventile zu verwenden, da diese mit entsprechendem Aufwand eine relativ gute Dichtheit ermöglichen, eine kontinuierliche Regelung des strömenden Mediums ist jedoch nicht möglich. Insbesondere hinsichtlich der Dichtheit sind herkömmliche Ventilanordnungen, wie sie als Drosselklappensteller bekannt sind, nachteilig, da die Dichtheitsanforderungen je nach Ausführungsart bei Brennstoffzellenanwendungen 10- bis 20-mal höher sind.
Gegenstand der Erfindung ist es daher, eine Ventilvorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine Abdichtung des Strömungskanals mit nur geringer Leckage ermöglichen. Die hierfür erforderliche Dichtung soll darüber hinaus einfach und kostengünstig sein.
Gelöst wird die erste Aufgabe dadurch, dass die Dichtung einen ringförmigen Grundkörper besitzt, dass der Grundkörper mindestens eine Ausnehmung aufweist und dass die mindestens eine Ausnehmung mit dem Material der Klappe ausgefüllt ist.
Die Dichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einem ringförmigen Grundkörper und einer an dem Grundkörper angeordneten Dichtlippe. Während die Dichtlippe für die eigentliche Dichtfunktion verantwortlich ist, dient der Grundkörper zur Befestigung der Dichtung an der Klappe. Die mindestens eine Ausnehmung im Grundkörper ermöglicht die Anordnung von Klappenmaterial in dieser Ausnehmung, wodurch die Dichtung unverlierbar mit der Klappe verbunden ist. Der wesentliche Vorteil besteht jedoch darin, dass die Dichtung auf diese Weise in der exakt definierten Position gehalten wird und auch bei sich verändernden äußeren Bedingungen ihre als Dichtsitz definierte Lage nicht verändert und so eine dauerhafte Dichtheit mit niedriger Leckrate gewährleistet.
Je nach Anwendungsfall, insbesondere Größe der Dichtung und Dichtheitsanforderungen, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, zwei bis zehn Ausnehmungen vorzusehen. Auf diese Weise lässt sich die Dichtung optimal an die jeweiligen Verhältnisse anpassen.
Eine ungerade Anzahl von Ausnehmungen ist dann von Vorteil, wenn die Ausnehmungen symmetrisch verteilt am Umfang der Dichtung angeordnet werden sollen.
Eine gerade Anzahl von Ausnehmungen ist dann von Vorteil, wenn die Ausnehmungen auf den beiden Bereichen angeordnet sind, die den größten Winkelausschlag beim Verdrehen der Klappe aufweisen.
Bei Klappen mit kleineren Durchmessern sind somit weniger Ausnehmungen für eine ausreichenden Festsitz der Dichtung erforderlich, während Klappen mit größerem Durchmesser mehr Ausnehmungen in der Dichtung aufweisen können. Für die meisten Anwendungen haben sich daher zwei bis sechs Ausnehmungen als ausreichend erwiesen.
In besonders einfacher Ausgestaltung sind die Ausnehmungen kreisförmig ausgebildet.
Die Anzahl der Ausnehmungen lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung bei Klappen mit größerem Durchmesser reduzieren, wenn die Ausnehmungen kreisbogenförmig gestaltet sind. Die Kreisbogenform orientiert sich dabei vorteilhafterweise an dem Durchmesser, auf dem die Ausnehmungen im Grundkörper angeordnet sind. Die Kreisbogenform hat zudem den Vorteil, dass durch die Länge des Kreisbogens eine größere Fläche als bei einem Kreis erzeugt wird. Dadurch kann zum Einen das Material der Klappe bei der Herstellung einfacher die Ausnehmung durchdringen und zum Anderen erhöht sich aufgrund der größeren Fläche auch die Festigkeit des Verbunds von Klappe und Dichtung.
Dieser Umstand kann jedoch auch dahingehend optimiert werden, dass die Breite des Kreisbogens reduziert wird, da die für die Festigkeit erforderliche Fläche über die Bogenlänge erzielt wird. Die reduzierte Breite des Kreisbogens hat den Vorteil, dass dadurch auch der Grundkörper der Dichtung in radialer Erstreckung reduziert werden kann, wodurch die Dichtung weniger Material benötigt und dadurch kostengünstiger ist.
Dieser Effekt lässt sich gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung auch dann nutzen, wenn die Ausnehmungen eine geradlinige Erstreckung besitzen.
In einer anderen Ausgestaltung ist die Innenkontur der Dichtung kreisrund, so dass insbesondere bei einer symmetrischen Verteilung der Ausnehmungen im Grundkörper ausreichend Platz zu deren Anordnung zur Verfügung steht.
Bei einer Anordnung der Ausnehmungen in den Bereichen des Grundkörpers, in denen die Klappe die größten Winkelausschlägen aufweist, ist die Innenkontur der Dichtung vorteilhafterweise ellipsenförmig ausgebildet, wobei die Hauptachse mit der Projektion der Symmetrieachse der Achse in die Klappe zusammenfällt. Die Bereiche mit den größten Winkelausschlägen sind somit zu der Nebenachse der ellipsenförmigen Innenkontur ausgerichtet. Die ellipsenförmige Innenkontur des Grundkörpers hat den Vorteil, dass dort wo die Ausnehmungen angeordnet sind, der Grundkörper eine größere radiale Erstreckung hat, so dass ausreichend Fläche für die Anordnung der Ausnehmungen zur Verfügung steht. Mit der Ausrichtung der Bereiche ohne Ausnehmungen zur Hauptachse der ellipsenförmigen Innenkontur besitzt der Grundkörper eine geringere radiale Erstreckung, wodurch Material eingespart wird. Der entscheidende Vorteil besteht jedoch darin, dass die Dichtung bezogen auf die Hauptachse radial weiter außen verläuft, so dass die durch die Klappe verlaufende Achse in einem flacheren Winkel die Klappe durchdringen kann, was zu einer Reduzierung des Bauraums der Ventilvorrichtung bezogen auf die Achse des Strömungskanals führt. Neben dem kleineren Bauraum führt dies zu einer Gewichtsersparnis aufgrund des kürzeren Gehäuses.
Eine gute Abdichtung infolge eines innigen Kontakts der Dichtung, insbesondere der Dichtlippe mit der Wandung des Strömungskanals wird mit einer Dichtung aus einem Elastomer, vorzugsweise einem synthetischen Kautschuk erreicht.
Das Anhaften von Wasser an der Dichtung wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung dadurch verhindert, dass die Dichtung aus PTFE (Polytetraflourethylen) besteht.
Ein fester und dichter Verbund von Dichtung und Klappe wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die Klappe ein Spritzgussteil ist und die Dichtung, soweit sie in der Klappe angeordnet ist, von der Klappe umspritzt ist.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zum Herstellen einer Ventilvorrichtung mit einer eine Dichtung aufweisenden Klappe, wobei eine mindestens eine Ausnehmungen aufweisende Dichtung in ein Formwerkzeug einer Spritzgussmaschine eingebracht wird, das Formwerkzeug geschlossen wird, ein Kunststoff in das Formwerkzeug eingespritzt wird, wobei der Kunststoff die Form ausfüllt und dabei die Ausnehmungen in der Dichtung ausfüllt und das die Klappe dem Formwerkzeug entnommen wird.
Die mit diesem Verfahren hergestellte Klappe gewährleistet durch das Umspritzen der Dichtung einen besonders sicheren Halt der der Dichtung in der Klappe.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen in
1 eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung,
2 der Strömungskanal der Ventilvorrichtung nach 1,
3 eine Dichtung,
4–6 weitere Ausführungsformen der Dichtung.
Die Ventilvorrichtung für ein Kraftfahrzeug in 1 besteht aus einem Gehäuse 1, mit einem in dem Gehäuse angeordneten Strömungskanal 2 zum Durchströmen eines Fluids. Im vorliegenden Fall wird ein Luftstrom durch die Ventilvorrichtung geregelt. Im Strömungskanal 2 ist eine Achse 3 angeordnet, die zu beiden Seiten im Gehäuse 1 gelagert ist. Das erste Lager 4 befindet sich auf der Seite des Gehäuses 1 an der ein Getriebe 5 angeordnet ist. Das Getriebe 5 ist ausgangsseitig mit der Achse 3 verbunden und eingangsseitig mit einem nicht dargestellten Elektromotor, der in einer separaten Kammer 6 des Gehäuses 1 untergebracht ist. Das zweite Lager 7 für die Achse 3 befindet sich auf der dem Getriebe 5 gegenüberliegenden Seite des Strömungskanals 2. An der Achse 3 ist eine Klappe 8 angeordnet, welche eine Bohrung 9 besitzt, durch die die Achse 3 verläuft. Zur Befestigung auf der Achse 3 ist die Klappe 8 mit der Achse 3 verschraubt. Die Klappe 8 besitzt weiter einen radial umlaufenden Rand 10, an dem eine Dichtung 11 angeordnet ist. In der gezeigten Darstellung befindet sich die Klappe 8 in Schließstellung, so dass die Dichtung 11 mit dem als Ventilsitz 12 wirkenden Bereich des Strömungskanals 2 zusammenwirkt und den Strömungskanal 2 vollständig verschließt.
2 zeigt den Strömungskanal aus 1 um 90° gedreht. Die Achse 3 ist senkrecht zur Bildebene angeordnet und verläuft in die Bildebene hinein leicht ansteigend. Der radial umlaufende Rand 10 der Klappe 8 besitzt in axialer Erstreckung zur Aufnahme der Dichtung 11 eine größere Dicke als der radial innen anschließende Bereich. Die Dichtung 11 besitzt Ausnehmungen 13, die mit dem Material der Klappe 8 ausgefüllt sind und dadurch eine sichere Verankerung der Dichtung 11 in der Klappe 8 bewirkt. Mittels einer Verschraubung 14 ist die Klappe 8 mit der Achse 3 drehfest verbunden.
3 zeigt die Dichtung 11, welche aus einem Grundkörper 15 und der sich daran anschließenden Dichtlippe 16 besteht. Während die Dichtlippe 16 eine kreisförmige Außenkontur aufweist, ist die Innenkontur 17 des Grundkörpers 15 und damit der Dichtung 11 ellipsenförmig ausgebildet. Infolgedessen besitzt der Grundkörper 15 in Ausrichtung zur Hauptachse der ellipsenförmigen Innenkontur 17 Bereiche 18 eine geringere radiale Erstreckung als die Bereiche 19 in Ausrichtung zur Nebenachse. Die Bereiche 19 sind die Bereiche mit dem größten Winkelausschlag beim Verschwenken der Klappe 8. In diesen Bereichen sind jeweils drei Ausnehmungen 13 angeordnet, durch die das Material der Klappe 8 hindurchtritt, wenn die Dichtung 11 beim Herstellen der Klappe 8 mit dem Klappenmaterial umspritzt wird.
4 zeigt eine Dichtung 11, die eine kreisförmige Innenkontur 17 aufweist. Die Bereiche 19, 18 besitzen somit die gleiche radiale Erstreckung. Acht Ausnehmungen 13 mit kreisförmiger Kontur sind symmetrisch im Grundkörper 15 angeordnet. 6 zeigt eine Dichtung 11 mit gleicher Innenkontur 7, bei der eine ungerade Anzahl Ausnehmungen 13 symmetrisch am Umfang verteilt angeordnet sind.
Die Dichtung 11 in 5 unterscheidet sich von der Dichtung in 3 in den Ausnehmungen 13. Die vier kreisbogenförmigen Ausnehmungen 13 sind analog zu 3 angeordnet. Aufgrund der größeren Fläche der Ausnehmungen 13 sind jeweils nur zwei Ausnehmungen 13 je Bereich 19 vorgesehen.

Claims

Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung in einem Kraftfahrzeug mit einem in einem Gehäuse verlaufenden Strömungskanal, einer den Strömungsquerschnitt beeinflussenden Klappe und einem die Klappe antreibenden Antrieb, wobei die Klappe an einer Achse befestigt und die Achse drehbar in dem Gehäuse gelagert ist, einem im Strömungskanal angeordneten Ventilsitz und einer an einem radial umlaufenden Rand der Klappe angeordneten Dichtung, die in Schließstellung der Klappe mit dem Ventilsitz in Kontakt steht, so dass die Achse die Klappe in einem Winkel durchdringt, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (11) einen ringförmigen Grundkörper (15) besitzt, dass der Grundkörper (15) mindestens eine Ausnehmung (13) aufweist und dass die mindestens eine Ausnehmung (13) mit dem Material der Klappe (8) ausgefüllt ist.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (11) zwei bis zehn, vorzugsweise drei bis sechs, Ausnehmungen (13) besitzt.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (11) ungerade Anzahl von Ausnehmungen (13) besitzt und diese symmetrisch verteilt am Umfang der Dichtung (11) angeordnet sind.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung eine gerade Anzahl von Ausnehmungen (13) besitzt und dass die Ausnehmungen (13) auf den beiden Bereichen (19) angeordnet sind, die den größten Winkelausschlag beim Verdrehen der Klappe (8) aufweisen.
Ventilvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (13) kreisförmig sind.
Ventilvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (13) kreisbogenförmig sind.
Ventilvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (13) eine geradlinige Erstreckung besitzen.
Ventilvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (17) der Dichtung (11) kreisrund ausgebildet ist.
Ventilvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (17) der Dichtung (11) ellipsenförmig ausgebildet ist.
Ventilvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (11) aus einem Elastomer oder aus PTFE besteht.
Ventilvorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klappe (8) ein Spritzgussteil ist.
Verfahren zum Herstellen einer eine Dichtung aufweisenden Klappe einer Ventilvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass – eine mindestens eine Ausnehmung aufweisende Dichtung in ein Formwerkzeug einer Spritzgussmaschine eingebracht wird, – das Formwerkzeug geschlossen wird, – ein Kunststoff in das Formwerkzeug eingespritzt wird, wobei der Kunststoff die Form ausfüllt und dabei die Ausnehmungen in der Dichtung ausfüllt und – das die Klappe dem Formwerkzeug entnommen wird.