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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Dosierventil, insbesondere für ein in Gasform vorliegendes Fluid, welches insbesondere als ein H2-Dosierventil für Brennstoffzellen eingesetzt wird.
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Stand der Technik
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Aus
US 7,687,171 B2 ist ein Mehrstufen-Ejektor für ein Brennstoffzellensystem bekannt, der zumindest einen Ejektorhauptkörper zur Bereitstellung von Wasserstoff umfasst, wobei ein jeder der Ejektorkörper eine Anzahl von Düsen umfasst, die hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei vorbestimmte Lücken gelassen sind, deren Durchmesser an den entsprechenden Düsen sich vergrößern gesehen von einer Einlassseite des Ejektorhauptkörpers zu einer auswärtigen Seite desselben. Des Weiteren ist eine Anzahl von Unter-Einlässen gebildet auf einer äußeren Oberfläche des Ejektorhauptkörpers, der mit der Lücke oder den Lücken zwischen den einzelnen Düsen verbunden ist. In einem Gehäuse ist der Ejektorhauptkörper aufgenommen und umfasst einen Haupteinlass für die Aufnahme von rezirkuliertem Wasserstoff. Der Mehrstufen-Ejektor verbessert eine Systemleistung durch die Steigerung des der Menge rezirkulierten Wasserstoffs. Weiterhin wird zumindest ein Sicherheitsventil an einer Einlassposition des Ejektors vorgesehen, um definitiv den Rückstrom rezirkulierten Wasserstoffgases zu verhindern. Es ist zumindest eine Heizeinrichtung vorgesehen, die sich um den Ejektor erstreckt, um die Kaltstartfähigkeit zu verbessern.
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US 8,999,593 B2 bezieht sich auf einen Ejektor für eine Brennstoffzelle. Der Ejektor wird an einer Brennstoffzelle eingesetzt und umfasst einen Ejektorhauptkörper mit einem Einlassanschluss, einem Auslassanschluss, einem Sauganschluss und einem Anschluss für ein oxidierendes Gas. Ferner sind drei Kammern im Körper vorgesehen, sowie eine Düse mit einem Düsenloch, über welche das Brennstoffgas ausströmt, ferner ein Diffusor, welcher das über die Düse zugeführte Brennstoffgas und das von der Brennstoffzelle abgegebene Gas mischt und zum Sauganschluss zurückführt. Ferner ist ein nadelförmiges Bauteil auf einer Seite des Körpers aufgenommen, welches sich axial entlang der Düse erstreckt in einen in dieser vorgesehenen Hohlraum. Es sind ein erstes und ein zweites Diaphragma angeordnet, die einander gegenüberliegen.
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Es hat sich herausgestellt, dass beispielsweise bei in Brennstoffzellenanwendung eingesetzten Dosierventilen, insbesondere für Wasserstoff, die bisherigen Ausführungsvarianten von Dosierventilen lediglich über eine geringe Massenstromspreizung verfügen. Eine größere Massenstromspreizung ist hingegen vorteilhaft für eine gute Anpassung des Dosierventils an unterschiedliche Betriebszustände, insbesondere dann, wenn gegensätzliche Anforderungen für den Teillastbetrieb des Dosierventils und dessen Volllastbetrieb vorliegen sollten.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Dosierventil für eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, welches einen Magnetanker aufweist, der geteilt ist. Der Magnetanker umfasst einen Tauchanker, der einen ersten Sitz des Dosierventils betätigt und darüber hinaus einen Plattenanker, der einen zweiten Ventilsitz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventils für eine Brennstoffzellenanordnung betätigt. Durch die Ausbildung des Magnetankers als in den Tauchanker und den Plattenanker geteilten Magnetanker, können zwei Sitze des Dosierventiles unabhängig voneinander betätigt werden, wodurch sich eine größere Massenstromspreizung des zu dosierenden Fluides, insbesondere von gasförmigem Wasserstoff erreichen lässt. Die beiden im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventil vorgesehenen Sitze werden vorzugsweise voneinander unabhängig geschaltet, wobei zunächst ein Sitz öffnet, da der Magnet mit zwei unterschiedlichen Strömen bestromt wird. Zunächst öffnet der durch den Plattenanker verschlossene Sitz, da der Plattenanker aufgrund seiner geringeren Masse über eine größere Dynamik verfügt. Durch die Verwendung zweier sequentiell nacheinander öffnender Sitze bestehen große Freiheiten in der Auslegung hinsichtlich der Massenströme, die durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Dosierventil realisiert werden können.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventils betätigt der Tauchanker einen ersten Sitz, der sich im unteren Bereich des Dosierventiles befindet. Der erste Sitz wird durch den Tauchanker entweder geöffnet oder verschlossen. Der Plattenanker öffnet oder verschließt den zweiten Sitz, der im Ventilgehäuse des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventiles ausgeführt ist.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Dosierventil weist einen Arbeitsluftspalt zwischen dem Tauchanker und einem Magnetkern auf, der größer ist, als ein Anfangsluftspalt, der zwischen dem Plattenanker und einer Luftspaltscheibe ausgeführt ist. Der Tauchanker, der einen Sitz öffnet sowie der Plattenanker, der einen Sitz öffnet, sind hinsichtlich ihrer Luftspalte unterschiedlich ausgelegt und öffnen sequentiell. Der Plattenanker, an dem ein kleinerer Luftspalt ausgeführt ist, ist aufgrund seiner verringerten Masse deutlich dynamischer und braucht zum Anziehen, d.h. zum Öffnen des diesem zugeordneten Sitzes weniger Strom.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Dosierventil umfasst ein Ventilgehäuse, welches im Bereich des zweiten Sitzes mindestens eine Erhebung aufweist. In der im Ventilgehäuse des Dosierventiles am zweiten Sitz ausgebildeten mindestens einen Erhebung, mündet ein Fluidkanal. Der Plattenanker, durch den der zweite Sitz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventils betätigt wird, weist mindestens einen Durchbruch auf. Der Durchbruch ermöglicht die Führung des Plattenankers unabhängig vom Tauchanker, dergestalt, dass der mindestens eine Durchbruch der im Plattenanker ausgeführt ist, von einem entsprechend in komplementärer Geometrie ausgeführten Vorsprung am Ventilgehäuse durchsetzt wird.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventiles ist der Plattenanker an einer Hülse abgestützt, die einerseits den Magnetkern und den Tauchanker und den Plattenanker magnetisch voneinander trennt und andererseits stationär im Ventilgehäuse zwischen einem Gehäuse, welches die Magnetspule umschließt, aufgenommen ist und sich andererseits oberhalb des Ventilgehäuses, an dem der Plattenanker geführt ist, befindet.
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Ein Innenraum am Dosierventil, in welchem die Magnetspule aufgenommen ist, wird durch ein an der Hülse aufgenommenes, insbesondere als O-Ring ausgebildetes Dichtelement gegen das zu dosierende Fluid abgedichtet.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Verwendung des Dosierventiles in einer Brennstoffzellenanordnung.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausbildung eines Dosierventiles mit einem ersten Sitz und einem zweiten Sitz kann eine stärkere Spreizung des Massenstroms des zu dosierenden Fluides, im vorliegenden Zusammenhang Wasserstoffgas, erreicht werden. Aufgrund des sequentiellen Öffnens der beiden Sitze, die durch den Tauchanker bzw. durch den Plattenanker geöffnet werden, lässt sich eine stärkere Massenstromspreizung beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventil erreichen. Die größere Massenstromspreizung erlaubt eine verbesserte Anpassung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventils an unterschiedliche Betriebszustände, insbesondere einander gegensätzliche Anforderungen des Dosierventiles bei Volllast und Leerlauf sowie bei einer Teillast entsprechenden Betriebszuständen. Unterschiedliche Massenströme, die sich darüber hinaus durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Dosierventil erreichen lassen, werden einerseits durch eine entsprechende Auslegung der Strömungsquerschnitte bestimmt hinsichtlich des Durchmessers der Bohrungen, beispielsweise durch den Durchmesser des am zweiten Sitz mündenden Fluidkanales, der durch das Ventilgehäuse des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventils verläuft.
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Durch die im Gehäuse des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventils angeordnete Magnetspule kann der erste Sitz durch den Tauchanker durch Bestromung der Magnetspule mit hohen Strömen und Anziehen des Tauchankers durch den Magnetkern geöffnet werden. Aufgrund des geringeren Luftspaltes zwischen Plattenanker und Luftspaltscheibe erfolgt eine Öffnung des zweiten Sitzes, der im Ventilgehäuse des Dosierventiles ausgeführt ist bei kleineren Strömen.
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Durch die Teilung des Magnetankers in einen an einer Lagerstange aufgenommenen Tauchanker und einen im Ventilgehäuse gelagerten Plattenanker ergibt sich eine sequentielle Betätigungsmöglichkeit, d.h. Öffnungsmöglichkeit des ersten und des zweiten Sitzes des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventiles in Bezug aufeinander. Der Plattenanker ist über eine Rückstellfeder beaufschlagt an einer stationär im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventil angeordneten, der magnetischen Trennung dienenden Hülse aufgenommen; es erfolgt eine Betätigung unabhängig von der Betätigung des Tauchankers ab Strömung der Magnetspule, die den Magnetkern umschließt.
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An der stationär im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventil aufgenommenen Hülse, befindet sich ein Dichtelement. Dieses Dichtelement ist in eine umlaufende in die Hülse eingebrachte Nut eingelassen und dichtet den Raum des Dosierventiles ab, in dem sich die Magnetspule befindet. Darüber erfüllt die Hülse in einer weiteren Funktionalität als magnetische Trennung zwischen dem Magnetkern einerseits und der Anker andererseits.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 ein Dosierventil, in dessen unterem Bereich sich ein erster Sitz befindet sowie einen zweiten Sitz, der im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventil ausgeführt ist,
- 2 eine Detaildarstellung des Ventilgehäuses im Bereich des Plattenankers,
- 3 einen Massenstrom/Zeit Kennlinienverlauf,
- 4 und 5 weitere Kennlinienverläufe.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dosierventil.
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Aus der Darstellung gemäß 1 geht ein Dosierventil 1 hervor, an dem im unteren Bereich ein Fluideinlass 2 sowie ein Fluidauslass 3 vorgesehen sind. Bei dem durch das Dosierventil 1 gemäß 1 zu dosierenden Fluid handelt es sich insbesondere um ein gasförmiges Fluid, beispielsweise Wasserstoff. Durch einen im unteren Bereich des Dosierventiles 1 gemäß 1 ausgeführten ersten Sitz 4, wird der Fluideinlass 2 vom Fluidauslass 3 getrennt. Das Öffnen und das Schließen des ersten Sitzes 4 im unteren Bereich des Dosierventiles 1 erfolgt durch Bestromung eines Tauchankers 10, der von einer ringförmigen Magnetspule umschlossen ist. Die Bestromung der Magnetspule erfolgt über einen Anschlussstecker; zwischen dem Fluideinlass 2 und dem Fluidauslass 3 befindet sich ein Dichtungselement 5. An einer in vertikale Richtung verschiebbaren Lagerstange 24 ist ein Tauchanker 10 aufgenommen. Dessen Stirnseite liegt - einen Arbeitsluftspalt 22 begrenzend - einem Magnetkern 12 gegenüber, der seinerseits in einer Hülse 16 geöffnet ist. Die Hülse 16 dient als magnetische Trennung zwischen dem Tauchanker 10 und einem Plattenanker 14. Die Magnetspule 42 ist von einem Gehäuse 26 umschlossen. Der Innenraum des Gehäuses 26, in dem sich die Magnetspule 42 befindet, ist durch ein beispielsweise als O-Ring konfigurierbares Dichtelement 18 abgedichtet. Das Dichtelement 18 ist in einer U-förmig verlaufenden Nut aufgenommen, die in der Hülse 16 aufgenommen ist. Mittels des in dieser Nut aufgenommenen, bevorzugt als O-Ring ausgebildeten Dichtelementes 18, ist der Innenraum des Gehäuses 26 des Dosierventiles gemäß der Darstellung in 1 gegen das zu dosierende Fluid abgedichtet.
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Im Bereich eines Arbeitsluftspaltes 22, der durch die angeschrägten Stirnseiten des Magnetkerns 12 und des Tauchankers 10 gebildet wird, ist eine mit Bezugszeichen 20 bezeichnete Durchdringungsfläche ausgebildet. Zwischen dem Umfang der Lagerstange 24 und dem Umfang des Magnetkerns 12 wird ein Spalt gebildet.
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An der Unterseite des Gehäuses 26, in dem die Magnetspule 42 aufgenommen ist, befindet sich eine Luftspaltscheibe 30. Zwischen dieser und der oberen Stirnseite des Plattenankers 14 ist durch die Dicke dieser einen Anfangsluftspalt 28 begrenzenden Luftspaltscheibe 30 ein Anfangsluftspalt 28 begrenzt, der kleiner ist als der Arbeitsluftspalt 22 zwischen dem Magnetkern 12 und dem Tauchanker 10. Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht, ist der Plattenanker 14 durch eine Rückstellfeder 32 beaufschlagt. Der Plattenanker wird durch die Rückstellfeder 32 an der Hülse 16 abgestützt. Der Plattenanker 14 weist auf seiner sich in horizontale Richtung rotationssymmetrisch um die Lagerstange 24 erstreckenden plattenförmigen Fläche eine Anzahl von Durchbrüchen 36 auf. Durch diese Durchbrüche 36 des Plattenankers 14 ragen entsprechende Vorsprünge 44, die an dem Ventilgehäuse 34 ausgeführt sind. Die Vorsprünge 44 am Ventilgehäuse 34 stützen sich ebenfalls an der Hülse 16 ab. Somit ist der Plattenanker 14, der nicht mit dem Tauchanker 10 und nicht mit der Lagerstange 24 verbunden ist, relativ zum Tauchanker 10 beweglich.
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Durch den Plattenanker 14 gemäß der Darstellung in 2 wird ein zweiter Sitz 40, der sich im Ventilgehäuse 34 befindet, geöffnet oder geschlossen. Der zweite Sitz 40 ist einerseits durch die untere Stirnseite des Plattenankers 14 gebildet und andererseits durch mindestens eine Erhebung 38 (vergleiche Darstellung gemäß 3), die im Ventilgehäuse 34 ausgeführt ist. Im Bereich der mindestens einen Erhebung 38 im Ventilgehäuse 34 mündet ein entsprechender Fluidkanal 46. Befindet sich der Plattenanker 14 - der durch die Rückstellfeder 32 beaufschlagt ist - im geschlossenen Zustand, so ist der Fluidkanal 46, der im Bereich der mindestens einen Erhebung 38 mündet, verschlossen und über den Fluidkanal 46 kann kein Fluid austreten. Der Öffnungsgrad des zweiten Sitzes 40 wird durch die Gehäuse des Anfangsluftspaltes 28 bestimmt, dessen Höhe durch die Dicke der Luftspaltscheibe 30 definiert ist. Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht, ist der Arbeitsluftspalt 22 zwischen dem Magnetkern 12 und der oberen angeschrägten Stirnseite des Tauchankers 10 größer als der Anfangsluftspalt 28 oberhalb des zweiten Sitzes 40.
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Aus der Detaildarstellung gemäß 2 geht hervor, dass der Plattenanker 14 einen beispielsweise bogenförmig ausgebildeten Durchbruch 36 umfasst. Dieser Durchbruch 36, der sich im plattenförmigen Bereich des Plattenankers 14 befindet, wird von einem im Ventilgehäuse 34 ausgebildeten Vorsprung 44 durchsetzt. Der Plattenanker 14 kann eine Anzahl von bogenförmig ausgebildeten Durchbrüchen 36 umfassen, beispielsweise drei Durchbrüche 36, die in einem Winkel von 120° in Bezug aufeinander ausgebildet sind oder auch vier Durchbrüche 36, die in einem Winkel von 90° zueinander in der Fläche des Plattenankers 14 ausgeführt sind. Da der Plattenanker 14 lediglich durch die Rückstellfeder 32 beaufschlagt ist, die sich ihrerseits an der stationären Hülse 16 abstützt, ergibt sich eine unabhängige Lagerung des Plattenankers 14 zur Betätigung des zweiten Sitzes 40 in Bezug auf den Tauchanker 10 der an der Lagerstange 24 aufgenommen ist.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene anhand der 1 und 2 näher beschriebene Dosierventil 1 für Wasserstoff, wird bevorzugt in einer Brennstoffzellenanordnung eingesetzt. Das Dosierventil 1 verfügt über den Arbeitsluftspalt 22, der zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Magnetkerns 12 und des Tauchankers 10 vorliegt. Die Rückstellung des Tauchankers 10 erfolgt über ein in den 1 und 2 nicht dargestellte Rückstellfeder mit geringer Kraft. Der Plattenanker 14 des geteilten Magnetankers verfügt demgegenüber über einen kleinen Anfangsluftspalt 28. Dadurch kann eine hohe Magnetkraft mit einem relativ kleinen Ansteuerstrom erzeugt werden. Die Rückstellung des Plattenankers 14 erfolgt über die Rückstellfeder 32, die am zweiten Sitz 40 eine hohe Dichtkraft erzeugt. Ein magnetisches Kleben wird über die Luftspaltscheibe 30 verhindert, die gegenüber der Stirnseite des Plattenankers 14 an der Unterseite des Gehäuses 26, welches die Magnetspule 42 aufnimmt, angeordnet ist. Zudem wird durch die Luftspaltscheibe 30 ein magnetisches Kleben des Plattenankers 14 am Gehäuse 26 verhindert. Eine magnetische Trennung erfolgt über die Hülse 16. Die Hülse 16 hat ferner die Aufgabe, das Ventilgehäuse 34 zu halten. Der Plattenanker 14 ist mit Durchbrüchen 36 versehen; ferner weist das Ventilgehäuse 34 Erhebungen 38 auf. Der Tauchanker 10 ist mit der Lagerstange 24 verbunden und durchdringt den Magnetkern 12 im Bereich der Durchdringungsfläche 20. Die steckerseitige Lagerung des Tauchankers 10 erfolgt über ein zweites in der Darstellung gemäß 2 und 3 nicht dargestelltes Lager. Der Magnetkreis wird außen durch das Gehäuse 26 geschlossen.
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Der zweite Sitz 40 ermöglicht einen weiteren Freiheitsgrad hinsichtlich der Auslegung des Massenstromes des zu dosierenden Fluides hier Wasserstoff. Je nach Auslegung der Sitzflächen des ersten Sitzes 4 und des zweiten Sitzes 40 können unterschiedliche Ventilkennlinien abgebildet werden (vergleiche 3 bis 5).
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3 zeigt einen Massenstrom/Zeit-Kennlinienverlauf.
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3 zeigt einen Massenstrom/Zeit-Kennlinienverlauf 50, in welchen der Massenstrom ṁ über die Zeitachse 58 aufgetragen ist. Sobald der zweite Sitz 40 durch den Plattenanker 14 geöffnet wird, stellt sich ein Massenstrom 52 ein. Entsprechend der Dimensionierung des Fluidkanales 46, der sich durch das Ventilgehäuse 34 zum zweiten Sitz 40 einstellt, strömt bei dessen Öffnen der Massenstrom 52. Bei einer höheren Bestromung der Magnetspule 42 öffnet zusätzlich zum geöffneten zweiten Sitz 40 der erste Sitz 4, da der Tauchanker 10 angezogen wird. Entsprechend der Auslegung der Strömungsquerschnitte stellt sich in diesem Fall ein Massenstrom 54 ein, entsprechend des Massenstromes, der durch den bereits offenstehenden zweiten Sitz 40 strömt zudem beim Öffnen des ersten Sitzes 4 durch entsprechende Bestromung des Tauchankers 10 der Massenstrom hinzutritt, der bei geöffnetem ersten Sitz 4 in Richtung Fluidauslass 3 (vergleiche 1) strömt. Je nach Strömungsgeometrie ergibt sich eine Massenstromspreizung 56 als Funktion der geometrischen Parameter. Eine Massenstromspreizung 56 ist auch bereits dadurch gegeben, dass entsprechend der Bestromung der Magnetspule 42 der Massenstrom 52 nur bei geöffnetem zweiten Sitz 40 strömt und eine weitere Steigerung des Massenstroms in Richtung des Fluidauslass 3 herbeigeführt werden kann. Zusätzlich zum offenstehenden zweiten Sitz 40, d.h. bei angezogenem Plattenanker 14, entsprechende Bestromung vorausgesetzt, öffnet der erste Sitz 4 durch entsprechende Bestromung des Tauchankers 10 und es stellt sich der Massenstrom 54 ein, der wesentlich größer ist, als der Massenstrom 52, der sich bei lediglich geöffnetem zweiten Sitz 40 einstellt. Aus dem Massenstrom/Zeit-Kennlinienverlauf 50 gemäß 3 lässt sich entnehmen, dass zunächst der zweite Sitz 40 aufgrund der größeren Dynamik des Plattenankers 14 bei einem ersten Bestromungsniveau öffnet und bei einer weiteren Steigerung des Bestromungsniveaus der erste Sitz 4 sequentiell bei bereits geöffnetem zweiten Sitz 40 öffnet. Während der Zeitspanne t1 ist der zweite Sitz 40 offen, während t2 sind beide Sitze 4, 40 geöffnet.
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4 zeigt sich einstellende mittlere Massenströme 62, 64 in einem Massenstrom/Zeit-Kennlinienverlauf 50, aufgetragen über die Zeitachse 58. Die eingezeichneten Massenströme 62 bzw. 64 stellen mittlere Massenströme dar. Während t1 ist der zweite Sitz 40 offen, während t2 stehen beide Sitze 4, 40 offen.
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In einer weiteren Variante, die in 5 schematisch dargestellt ist, kann ein Massenstrom/Zeit-Kennlinienverlauf 50 eingestellt werden, bei dem bei entsprechender Bestromung der Magnetspule 42 der zweite Sitz 40 lediglich kurze Zeitspannen geöffnet wird, so dass gemäß der in 5 dargestellten Kennliniencharakteristik einzelne Mengenpulse 60 in Richtung des gasförmigen Mediums im Fluidauslass 3 erzeugt werden können. In diesem Falle wird eine Bestromung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Dosierventils 1 so vorgenommen, dass der erste Sitz 4 im Wesentlichen geschlossen bleibt und die kurz hintereinander sequentiell abgegebenen Mengenpulse 60 ausschließlich durch eine entsprechende Bestromungsdauer erzeugt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7687171 B2 [0002]
- US 8999593 B2 [0003]
