DE102017210351A1 - Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums und Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums und Brennstoffzellenanordnung Download PDF

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Andreas Gruenberger
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend
• ein bewegbares Schließelement (301) und eine an dem Schließelement (301) angeordnete erste Feder (302), wobei die erste Feder (302) dazu eingerichtet ist, eine erste Federkraft in eine Schließrichtung auf das Schließelement (301) auszuüben, und
• einen Aktor (200), wobei der Aktor (200) dazu eingerichtet ist, eine einstellbare Kraft, welche der ersten Federkraft entgegen gerichtet ist, bereitzustellen,
wobei das Schließelement (301) dazu eingerichtet ist, eine Durchlassöffnung (102) durch die Bewegung zu verschließen und zu öffnen, wobei das Proportionalventil (100)
• ein Verschlusselement (305) umfasst, welches an einem von der ersten Feder (302) abgewandten Ende des Schließelements (301) angeordnet ist, und
• eine zweite Feder (304) umfasst, wobei die zweite Feder (304) an dem Verschlusselement (305) angeordnet ist und wobei die zweite Feder (304) dazu eingerichtet ist, eine zweite Federkraft auf das Verschlusselement (305) auszuüben, wobei die zweite Federkraft der ersten Federkraft entgegenwirkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums und eine Brennstoffzellenanordnung.
  • Stand der Technik
  • In DE 102010043618 A1 ist ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, wie beispielsweise Wasserstoff, beschrieben. Das Schließelement, welches als Nadel ausgebildet ist, ist mit einer Schließfeder verbunden. Über einen Aktor, welcher eine Magnetspule und einen Anker umfasst, ist die Nadel zum Öffnen und Verschließen einer Durchlassöffnung bewegbar ausgebildet.
  • Kern und Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung geht von einem Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums und einer Brennstoffzellenanordnung aus.
  • Ein Vorteil eines Proportionalventils nach Anspruch 1 ist, dass eine kostengünstige Realisierung ermöglicht wird, da Toleranzanforderungen bei der Herstellung, ohne Einbußen bei der Dichtheit des Proportionalventils, reduziert werden können. Somit kann eine gute Sitzdichtheit und damit eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit bei der Gasdosierung sowie eine günstige Ventilfertigung ermöglicht werden.
  • Dies wird erreicht mit einem Proportionalventil nach Anspruch 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, welches ein bewegtes Schließelement und eine an dem Schließelement angeordnete erste Feder umfasst. Die erste Feder ist dazu eingerichtet, eine erste Federkraft in eine Schließrichtung auf das Schließelement auszuüben. Das Proportionalventil umfasst des Weiteren einen Aktor, wobei der Aktor dazu eingerichtet ist, eine einstellbare Kraft, welche der ersten Federkraft entgegen gerichtet ist, bereitzustellen. Das Schließelement ist dazu eingerichtet eine Durchlassöffnung durch die Bewegung zu verschließen und zu öffnen. Das Proportionalventil nach Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass es ein Verschlusselement umfasst, welches an einem Ende des Schließelements angeordnet ist. Des Weiteren zeichnet sich das Proportionalventil dadurch aus, dass es eine zweite Feder umfasst, wobei die zweite Feder an dem Verschlusselement angeordnet ist und wobei die zweite Feder dazu eingerichtet ist, eine zweite Federkraft auf das Verschlusselement auszuüben, wobei die zweite Federkraft der ersten Federkraft entgegenwirkt.
  • Ein Vorteil ist, dass ein sicheres Verschließen der Durchlassöffnung von der Auslegung der ersten Federkraft und der zweiten Federkraft abhängt, wobei die Fertigung der Federn und damit die Auslegung der Federkräfte mit einer hohen Genauigkeit erfolgen können. Das sichere Verschließen hängt somit von einer Differenzkraft der Federn und nicht von einer absoluten Kraft ab. Ein weiterer Vorteil ist, dass die zweite Feder in Öffnungsrichtung wirkt und somit verhindert, dass das Schließelement und das Verschlusselement sich voneinander trennen, was insbesondere dann von Interesse ist, wenn das Schließelement und das Verschlusselement nicht fest miteinander verbunden sind sondern getrennt voneinander ausgeführt sind. Ein Vorteil der getrennten Auführung des Schließelements und des Verschlusselements ist, dass sich das Verschlusselement parallel zum Ventilsitz ausrichten kann, da eine Bewegung zwischen dem Verschlusselement und dem Schließelement möglich ist. Somit kann sich das Verschlusselement auch bei bestehenden Toleranzen zwischen dem Schließelement und dem Ventilsitz parallel ausrichten und man erreicht eine gute Dichtheit. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Anordnung der zweiten Feder ergibt, ist, dass ein Verschleiß des Proportionalventils reduziert wird und damit die Lebensdauer des Proportionalventils erhöht werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Schließelement dazu ausgebildet sein, einen im Bereich der Durchlassöffnung ausgebildeten Ventilsitz zu verschließen oder freizugeben. Ein Vorteil ist, dass somit bei steigendem Versorgungsdruck eine Dichtheit des Ventilsitzes gewährleistet werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind das Schließelement und das Verschlusselement durch die erste Federkraft und die zweite Federkraft aneinander angeordnet werden. Ein Vorteil ist, dass ein Verbinden des Schließelements und des Verschlusselements vereinfacht wird, da das Schließelement und das Verschlusselement als separate Bauteile ausgeführt werden können und nicht fest miteinander verbunden werden, sondern durch die erste Federkraft und die zweite Federkraft aneinander fixiert werden. Des Weiteren können dadurch die Toleranzanforderungen an den Aufbau des Proportionalventils reduziert werden, ohne dass die Genauigkeit zur Erreichung einer ausreichenden Dichtheit abnimmt. Ein weiterer Vorteil ist, dass somit eine bessere Einstellbarkeit der resultierenden Federkraft ermöglicht wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Federkraft betragsmäßig größer als die zweite Federkraft sein. Ein Vorteil ist, dass die Durchlassöffnung im Grundzustand, d.h. wenn der Aktor nicht bestromt wird, verschlossen ist und somit kein Gas die Durchlassöffnung passieren kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Federkraft größer als die maximal auftretende Schließkraft am Ventilsitz, welche sich durch den Versorgungsdruck und die Durchströmung ergibt, gewählt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass der Ventilsitz bei jeder Betriebsbedingung sicher öffnet.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Verschlusselement eine Abstützstruktur umfassen, wobei die zweite Feder über die Abstützstruktur mit dem Verschlusselement wirkverbunden ist. Ein Vorteil ist, dass somit auf einfache Weise ein Anordnen der zweiten Feder am Verschlusselement realisiert werden und des Weiteren ermöglicht werden kann, dass die zweite Federkraft der ersten Federkraft entgegenwirkt.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann das Verschlusselement topfförmig ausgebildet sein. Somit kann die zweite Feder vorteilhafterweise eine zweite Federkraft, welche der ersten Federkraft entgegenwirkt, auf das Verschlusselement ausüben. Ein Vorteil ist, dass die zweite Feder somit platzsparend angeordnet werden kann und somit die Kompaktheit des Proportionalventils erhöht werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann an einer der Durchlassöffnung zugewandten Fläche des Verschlusselements ein elastisches Element angeordnet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass im geschlossenen Zustand das Verschlusselement die Durchlassöffnung schon bei geringer Anpresskraft abdichtet, sodass kein Gas die Durchlassöffnung passieren kann. Somit kann eine genaue Gasdosierung ermöglicht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform können ein Zuströmraum und das Schließelement auf einer ersten Seite der Durchlassöffnung angeordnet sein und ein Abströmraum auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der Durchlassöffnung ausgebildet sein, wobei der Zuströmraum und der Abströmraum über die Durchlassöffnung miteinander verbindbar sind. Ein Vorteil ist, dass somit das Gas im Zuströmraum zur Schließkraft beiträgt und somit insbesondere im Grundzustand beim Abdichten der Durchlassöffnung durch das Verschlusselement unterstützend wirkt. Somit können die Dichtheit und Zuverlässigkeit des Proportionalventils erhöht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann eine Kontaktstelle des Schließelements mit dem Verschlusselement ballig ausgeführt werden. Ein Vorteil ist, dass dadurch ein Ausgleich von Winkeltoleranzen verbessert werden kann. Somit können die Dichtheit und die Zuverlässigkeit des Proportionalventils erhöht werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Aktor eine Magnetspule und einen Magnetanker umfassen, wobei der Magnetanker mit dem Schließelement fest verbunden ist und wobei der Magnetanker durch die Magnetspule hubbewegbar ist. Ein Vorteil ist, dass somit ein Öffnungshub stufenlos eingestellt werden, da die erste und zweite Federkraft gemäß Hook'schem Gesetz proportional zur Auslenkung der jeweiligen Feder sind und so die Gasdosierung eingestellt werden kann.
  • Eine Brennstoffzellenanordnung mit dem Proportionalventil zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle kann vorteilhafterweise eine zuverlässige Einstellung der Gasdosierung ermöglichen und somit die Gasdosierung zuverlässig an den Bedarf der Brennstoffzelle anpassen. Weitere Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad der Brennstoffzelle und der leise Betrieb des Proportionalventils.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
  • Es zeigen
    • 1 einen Querschnitt eines Proportionalventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, umfassend eine erste Feder und eine zweite Feder,
    • 2 einen Querschnitt eines Proportionalventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer ballig ausgeführten Kontaktstelle zwischen Schließelement und Verschlusselement,
    • 3 einen vereinfachten Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung mit Proportionalventil,
    • 4 einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Proportionalventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
    • 5 einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Proportionalventils gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist ein Querschnitt eines Proportionalventils 100 zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Proportionalventil 100 umfasst ein bewegbares Schließelement 301 und eine an dem Schließelement 301 angeordnete erste Feder 302, wobei die erste Feder 302 eine erste Federkraft in eine Schließrichtung 409 auf das Schließelement 301 ausübt. Die erste Feder 302 ist hier als Schraubendruckfeder ausgebildet. Die erste Feder 302 ist an einem ersten Ende des Schließelements 301 angeordnet, wobei sich die erste Feder 302 mit dem anderen Ende an einem Ventilgehäuse 104 abstützt. Das Ventilgehäuse 104 umgibt hier das gesamte Proportionalventil 100. An einem von dem ersten Ende abgewandten Ende des Schließelements 301 ist ein Verschlusselement 305 angeordnet. Des Weiteren umfasst das Proportionalventil 100 einen Aktor 200. Der Aktor 200 und das Schließelement 301 sind in dem Ventilgehäuse 104 angeordnet. Der Aktor 200 ist dazu eingerichtet, eine einstellbare Kraft, welche der ersten Federkraft entgegen gerichtet ist, auf das Schließelement 301 bereitzustellen. Das Schließelement 301 ist dazu eingerichtet, eine Durchlassöffnung 102 durch die Bewegung zu verschließen und zu öffnen.
  • Der Aktor 200 umfasst in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Magnetanker 202, welcher mit dem Schließelement 301 fest verbunden ist, und eine Magnetspule 201. Der Magnetanker 202 ist durch die Magnetspule 201 hubbewegbar. Der Magnetanker 202 ist zumindest teilweise im Inneren der Magnetspule 201 angeordnet. Der Magnetanker 202 ist hier zylinderförmig ausgebildet. Das Schließelement 301 ist hier stabförmig ausgebildet, wobei das stabförmige Schließelement 301 durch den Magnetanker 202 entlang einer Symmetrieachse 411 des Magnetankers 202 verläuft und parallel zur Symmetrieachse 411 hubbewegbar ist.
  • Des Weiteren ist ein Innenpol 204 teilweise im Inneren der Magnetspule 201 aufgenommen und ein Außenpol 205 zwischen dem Ventilgehäuse 104 und der Magnetspule 201 angeordnet und bildet dadurch einen Tauchanker. Es sind Distanzbuchsenelemente 203 im Inneren der Magnetspule 201 angeordnet, mittels derer der Innenpol 204 mit einem sich ins Innere der Magnetspule 201 erstreckenden Ventilgehäuseabschnitts 104' verbunden ist. Der Ventilgehäuseabschnitt 104' ist in 1 hohlzylinderförmig ausgebildet. Der Innenpol 204 und der sich ins Innere der Magnetspule 201 erstreckende Ventilgehäuseabschnitt 104' dienen als Führung für den Magnetanker 202. Die Distanzbuchsenelemente 203 sind vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem nicht magnetischen Metall, ausgebildet sein. Das Ventilgehäuse 104 und der Innenpol 204 begrenzen zusammen mit den Distanzbuchsenelementen 203 einen Ankerraum 405, in welchem der Magnetanker 202 angeordnet ist. Der Innenpol 204 schließt auf einer von dem Ankerraum 405 abgewandten Seite zusammen mit dem Ventilgehäuse 104 einen Federraum 401 ein, in dem die erste Feder 302 angeordnet ist. Der Federraum 400 ist über einen ersten Kanal 406 mit dem Ankerraum 405 verbunden und der Ankerraum 405 ist über einen zweiten Kanal 407 mit einem Zuströmraum 401 verbunden. Der erste Kanal 406 und der zweite Kanal 407 ermöglichen einen Druckausgleich zwischen dem Federraum 400, dem Ankerraum 405 und dem Zuströmraum 401.
  • Das Proportionalventil 100 in 1 umfasst eine zweite Feder 304, welche an dem Verschlusselement 305 angeordnet ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Verschlusselement 305 eine Abstützstruktur 303, wobei die zweite Feder 304 über die Abstützstruktur 303 mit dem Verschlusselement 305 wirkverbunden ist. Das Verschlusselement 305 ist in 1 topfförmig ausgebildet, wobei die Abstützstruktur 303 einen ringförmigen Überstand des Verschlusselements 305 bildet, an dem sich die zweite Feder 304 abstützt. Die Symmetrieachse 411 des Schließelements 301 und des Verschlusselements 305 sind identisch. Das Verschlusselement 305 und die zweite Feder 304 sind in 1 in dem Zuströmraum 401 des Proportionalventils 100 angeordnet, wobei der Zuströmraum 401 in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel von dem Ventilgehäuse 104 und einem Düsenkörper 101 begrenzt ist. Der Zuströmraum 401 ist über die Durchlassöffnung 102 mit einem Abströmraum 402 verbindbar. Über einen Zuströmkanal 408, welcher als eine Öffnung zwischen einer Umgebung des Proportionalventils 100 und dem Zuströmraum 401 ausgebildet ist, kann ein Gas, beispielsweise Wasserstoff, in einer Zuströmrichtung 403 von der Umgebung in den Zuströmraum 401 eingebracht werden. Gibt das Verschlusselement 305 die Durchlassöffnung 102 frei, so kann das Gas in Abströmrichtung 404 vom Zuströmraum 401 in den Abströmraum 402 fließen. In 1 ist der Abströmraum 402 durch den Düsenkörper 101 begrenzt, welcher teilweise vom Ventilgehäuse 104 aufgenommen ist. Alternativ oder ergänzend kann der Abströmraum 402 zumindest teilweise von dem Ventilgehäuse 104 begrenzt sein. Auf einer dem Zuströmraum 401 zugewandten Seite der Durchlassöffnung 102 ist ein Ventilsitz 103 ausgebildet. In 1 ist der Ventilsitz 103 als Flachsitz an dem Düsenkörper 101 vorgesehen, wobei zwischen dem Verschlusselement 305 und dem Düsenkörper 101 in 1 ein elastisches Element 306 angeordnet ist. In weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 4 in einer Detailzeichnung dargestellt ist, ist zur Erhöhung der Dichtheit eine erhöhte Dichtkante am elastischen Element 306 vorgesehen.
  • Die erste Feder 302 ist dazu eingerichtet, eine erste Federkraft in Schließrichtung 409 auf das Schließelement 301 auszuüben. Die erste Feder 302 stützt sich einerseits mit einem ersten Ende am Ventilgehäuse 104 ab und überträgt die erste Federkraft auf das Schließelement 301. Andererseits stützt sich die erste Feder 302 mit ihrem zweiten Ende am Schließelement 301 ab. In 1 ist zwischen dem Schließelement 301 und der ersten Feder 302 zusätzlich ein Federteller 300 angeordnet. Der Federteller 300 kann die erste Federkraft von der ersten Feder 302 auf das Schließelement 301 übertragen. Die erste Feder 302 beaufschlagt das Schließelement 301 und damit das Verschlusselement 305 mit der ersten Federkraft, welche in Schließrichtung 409, d.h. in Richtung auf den Ventilsitz 103, wirkt. Das Verschlusselement 305 wird durch das durch den Zuströmkanal 408 einströmende Gas mit einer weiteren Kraft ebenfalls in Schließrichtung 409 beaufschlagt. Die zweite Feder 304 übt eine zweite Federkraft auf das Verschlusselement 305 aus, welche der ersten Federkraft entgegenwirkt. Die erste Federkraft der ersten Feder 302 und die zweite Federkraft der zweiten Feder 304 sind gemäß Hooke'schem Gesetz hubabhängig. Auf das Schließelement 301 wirkt eine Kraft, welche von der Differenz der ersten Federkraft und der zweiten Federkraft abhängt, wobei diese Differenzkraft linear zur Auslenkung der Federn ist. Die zweite Feder 304 beaufschlagt in 1 das Verschlusselement 305 mit einer Kraft in Öffnungsrichtung 410. Die erste Feder 302 und die zweite Feder 304 sorgen für eine Verbindung zwischen dem Schließelement 301 und dem Verschlusselement 305, indem sie das Schließelement 301 und das Verschlusselement 305 gegeneinander drücken. Somit ist es beispielsweise möglich, das Schließelement 301 und das Verschlusselement 305 separat herzustellen und auf eine feste Verbindung zwischen dem Schließelement 301 und dem Verschlusselement 305 zu verzichten. Bei entsprechender Auslegung der Federkräfte und der Ventildynamik kann ein Trennen der Bauteile im Betrieb des Proportionalventils 100 vermieden werden, was Verschleißprobleme verhindert. Beispielsweise kann die erste Federkraft betragsmäßig größer als die zweite Federkraft sein, sodass in einem Grundzustand des Proportionalventils 100 die Durchlassöffnung 102 verschlossen ist und sich erst bei Bestromen der Magnetspule 201 öffnet. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Federkraft größer als die maximal auftretenden Schließkräfte am Ventilsitz 103, welche sich durch den Versorgungsdruck und die Durchströmung ergeben, gewählt werden. Der Versorgungsdruck entspricht dem Druck im Zuströmraum 401. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Ventilsitz 103 bei jeder Betriebsbedingung sicher öffnet.
  • Das Dosieren eines Gases mittels des Proportionalventils 100 erfolgt durch Bestromen der Magnetspule 201. Im Grundzustand, d.h. einem unbestromten Zustand der Magnetspule 201, wird der Ventilsitz 103 von der zweiten Feder 304 mit der zweiten Federkraft in Öffnungsrichtung 410 beaufschlagt und über das Schließelement 301 mit der ersten Federkraft in Schließrichtung 409 beaufschlagt. Ist die erste Federkraft der ersten Feder 302 zusammen mit weiteren in Schließrichtung 409 wirkenden pneumatischen Kräften größer als die zweite Federkraft, welche in Öffnungsrichtung 410 wirkt, so bleibt der Ventilsitz 103 verschlossen. Beim Bestromen der Magnetspule 201 wird der Magnetanker 202 durch das Magnetfeld der Magnetspule 201 in Öffnungsrichtung 410 bewegt. Die Kraft auf den Magnetanker 202 und damit auf das Schließelement 301 wirkt der ersten Federkraft entgegen in Öffnungsrichtung 410, sodass am Verschlusselement 305 die Kraft in Öffnungsrichtung 410 überwiegt und somit die Durchlassöffnung 102 und der Ventilsitz 103 freigegeben werden. Die Hubbewegung des Magnetankers 202 kann mittels Einstellung der elektrischen Stromstärke der Magnetspule 201 gesteuert werden. Bei ansteigender Stromstärke wird dabei ein ansteigender Öffnungshub erreicht und mehr Gas vom Zuströmraum 401 durch die Durchlassöffnung 102 in den Abströmraum 402 geleitet. Bei einem Reduzieren der elektrischen Stromstärke reduziert sich auch der Öffnungshub. Wird die Bestromung beendet, schließt der Ventilsitz 103 aufgrund der ersten Feder 302 und des Versorgungsdrucks im Zuströmraum 401.
  • In 2 ist ein Querschnitt eines Proportionalventils 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Unterschied zu dem Proportionalventil 100 in 1 ist, dass die Kontaktstelle 307 zwischen dem Schließelement 301 und dem Verschlusselement 305 ballig ausgebildet ist.
  • In 3 ist ein vereinfachter Aufbau einer möglichen Brennstoffzellenanordnung 500 mit dem Proportionalventil 100 zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle 501 dargestellt. Die Brennstoffzellenanordnung 500 umfasst einen Anodenbereich 504 und einen Kathodenbereich 506. Die Brennstoffzellenanordnung 500 umfasst weiterhin einen Tank 502, in welchem ein gasförmiges Medium, hier Wasserstoff, gespeichert ist. Über eine Zuströmleitung 502 wird das gasförmige Medium vom Tank 502 durch den Zuströmkanal 408, welcher als Öffnung im Ventilgehäuse 104 realisiert ist, in den Zuströmraum 401 des Proportionalventils 100, wie es beispielsweise in den 1 und 2 dargestellt ist, geleitet. Über die Durchlassöffnung 102 kann das gasförmige Medium in den Düsenkörper 101 einer Einstrahlpumpe 503 geleitet werden und von dort einem Anodenbereich 504 der Brennstoffzelle 501 zugeführt werden.
  • Mittels des Proportionalventils 100 kann durch Einstellen des Öffnungshubs eine Durchflussrate des gasförmigen Mediums durch das Proportionalventil 100 gesteuert werden. Das Einstellen des Öffnungshubs kann von einer Steuereinheit 505 durch Einstellen der elektrischen Stromstärke an der Magnetspule 201 des Proportionalventils 100 erfolgen. Die Größe des Öffnungshubs hängt von der elektrischen Stromstärke ab. Dadurch kann eine bedarfsgerechte Einstellung der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 501 erfolgen.
  • 5 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Proportionalventils 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in der Anordnung der zweiten Feder 304. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Feder 304 abströmseitig, das heißt im Abströmraum 403, angeordnet. Die Abstützstruktur 303 umfasst hier ein scheibenförmiges Element 303" und einen Verbindungsstift 303'. Der Verbindungsstift 303' ist an einem ersten Ende an das Verschlusselement 305 angelegt und an einem zweiten Ende mit dem scheibenförmigen Element 303" verbunden. Der Verbindungsstift 303' liegt zentrisch am Verschlusselement 405 an. Die zweite Federkraft wirkt in Öffnungsrichtung 410. Die zweite Feder 304 stützt sich an einer Federscheibe 308, welche an einer von der Abstützstruktur 303 abgewandten Seite der zweiten Feder 304 angeordnet ist, ab und drückt auf das scheibenförmige Element 303" und somit auf den Verbindungsstift 303', der die Kraft in Öffnungsrichtung 410 auf das Verschlusselement 405 überträgt. Dadurch wird die Federkraft zentrisch in das Verschlusselement 305 eingeleitet, sodass ein Verschieben bzw. ein Verkippen des Verschlusselements 305 beim Öffnen vermieden werden kann. Die Federscheibe 308 ist auf einer vom Verschlusselement 305 abgewandten Seite des Düsenkörpers 101 angeordnet. Die Federscheibe 308 ermöglicht eine Einstellung der zweiten Federkraft. Hierfür kann die Federscheibe 308 mit einem Gewinde 308' versehen sein, wie dies in 5 gezeigt ist. Alternativ oder ergänzend kann die Federscheibe 308 auf Maß eingepresst werden. In der Federscheibe 308 ist dazu eine zentrische Bohrung angeordnet, um mit einem Messtaster zur Abstützstruktur 303 zu gelangen. Durch die gute Zugänglichkeit der zweiten Feder 304 kann für diese auf einfache Weise eine Einstellung der zweiten Feder 304, beispielsweise über das Gewinde 308' oder einen Pressvorgang auf Maß realisiert werden. Dadurch können Bauteiltoleranzen reduziert werden. Des Weiteren können somit Bauformen realisiert werden, bei denen die erste Feder 302, das heißt die schließende Feder nicht einstellbar ist. Da zum Ausgleich von Toleranzen mindestens eine der Federn einstellbar sein sollte, kann dies über die Einstellung der zweiten Feder 304 erfolgen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102010043618 A1 [0002]

Claims (12)

  1. Proportionalventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend • ein bewegbares Schließelement (301) und eine an dem Schließelement (301) angeordnete erste Feder (302), wobei die erste Feder (302) dazu eingerichtet ist, eine erste Federkraft in eine Schließrichtung auf das Schließelement (301) auszuüben, und • einen Aktor (200), wobei der Aktor (200) dazu eingerichtet ist, eine einstellbare Kraft auf das Schließelement (301), welche der ersten Federkraft entgegen gerichtet ist, bereitzustellen, wobei das Schließelement (301) dazu eingerichtet ist, eine Durchlassöffnung (102) durch die Bewegung zu verschließen und zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (100) • ein Verschlusselement (305) umfasst, welches an einem Ende des Schließelements (301) angeordnet ist, und • eine zweite Feder (304) umfasst, wobei die zweite Feder (304) an dem Verschlusselement (305) angeordnet ist und wobei die zweite Feder (304) dazu eingerichtet ist, eine zweite Federkraft auf das Verschlusselement (305) auszuüben, wobei die zweite Federkraft der ersten Federkraft entgegenwirkt.
  2. Proportionalventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (301) dazu ausgebildet ist, einen im Bereich der Durchlassöffnung (102) ausgebildeten Ventilsitz (103) zu verschließen oder freizugeben.
  3. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (301) und das Verschlusselement (305) durch die erste Federkraft und die zweite Federkraft aneinander angeordnet sind.
  4. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Federkraft betragsmäßig größer als die zweite Federkraft ist.
  5. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Federkraft größer als die maximal auftretende Schießkraft am Ventilsitz ist, wobei die maximal auftretende Schießkraft sich aus dem Versorgungsdruck und der Durchströmung ergibt.
  6. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (305) eine Abstützstruktur (303) umfasst, wobei die zweite Feder (304) über die Abstützstruktur (303) mit dem Verschlusselement (305) wirkverbunden ist.
  7. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (305) topfförmig ausgebildet ist.
  8. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Durchlassöffnung (102) zugewandten Fläche des Verschlusselements (305) ein elastisches Element (306) angeordnet ist.
  9. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuströmraum (401) und das Schließelement (301) auf einer ersten Seite der Durchlassöffnung (102) angeordnet sind und ein Abströmraum (402) auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der Durchlassöffnung (102) ausgebildet ist, wobei der Zuströmraum (401) und der Abströmraum (402) über die Durchlassöffnung (102) miteinander verbindbar sind.
  10. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktstelle (307) des Schließelements (301) mit dem Verschlusselement (305) ballig ausgeführt ist.
  11. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (200) eine Magnetspule (201) und einen Magnetanker (202) umfasst, wobei der Magnetanker (202) mit dem Schließelement (301) fest verbunden ist und wobei der Magnetanker (202) durch die Magnetspule (201) hubbewegbar ist.
  12. Brennstoffzellenanordnung mit einem Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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