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Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2012 204 565 A1 beschreibt ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Proportionalventil einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement umfasst. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtelement dichtet dabei am Ventilsitz ab und weist eine Ausnehmung mit einem Innenwandbereich auf. Der Innenwandbereich ist im geschlossenen Zustand des Proportionalventils mit Druck des gasförmigen Mediums beaufschlagt.
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In der
DE 10 2012 204 565 A1 ist eine Feder vorhanden, welche das Schließelement in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt. Die Federkraft der Feder ist dem Versorgungsdruck entgegengesetzt, so dass eine hohe Beanspruchung der Feder erfolgt, da diese auch bei hohem Versorgungsdruck die Dichtheit des Ventilsitzes gewährleisten muss.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auch bei hohem Versorgungsdruck eine Dichtheit des Ventilsitzes und damit die Dichtheit des gesamten Proportionalventils gewährleistet ist, ohne einen erhöhten Verschleiß eines oder mehrerer Bauteile zu erzeugen. Hierzu weist das Proportionalventil ein Ventilgehäuse auf, an welchem ein Düsenkörper ausgebildet ist, wobei in dem Ventilgehäuse ein Zuströmbereich und ein Abströmbereich ausgebildet sind. Ein in dem Ventilgehäuse angeordnetes Schließelement gibt mindestens eine an dem Düsenkörper ausgebildete Durchlassöffnung an einem an dem Düsenkörper ausgebildeten Ventilsitz frei oder versperrt die Durchlassöffnung. In dem Ventilgehäuse ist eine Magneteinrichtung angeordnet, durch welche Magneteinrichtung eine Magnetkraft auf das Schließelement erzeugbar und das Schließelement hubbewegbar ist. Darüber hinaus ist das Schließelement in dem Zuströmbereich angeordnet. Weiterhin ist in dem Zuströmbereich eine Schließfeder angeordnet, wobei die Federkraft der Schließfeder der Magnetkraft der Magneteinrichtung entgegengerichtet ist und das Schließelement durch die Federkraft der Schließfeder in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt ist. Die Magneteinrichtung ist in dem Abströmbereich angeordnet.
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Durch die Anordnung des Schließelements in dem Zuströmbereich des Proportionalventils ist auch bei steigendem Versorgungsdruck eine Dichtheit des Ventilsitzes gewährleistet, da der Versorgungsdruck zusätzlich zur Federkraft der Schließfeder eine optimale Dichtheit des Schließelements an dem Dichtsitz gewährleistet und so eine Absperrfunktion in die Funktion eines Proportionalventils integriert ist.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Schließelement bei Freigabe des Ventilsitzes in den Zuströmbereich hinein öffnet. Vorteilhafterweise umfasst die Magneteinrichtung eine Magnetspule, einen Außenpol und einen Innenpol.
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Die Magneteinrichtung erzeugt bei Öffnung des Proportionalventils eine magnetische Kraft, wodurch das Schließelement in den Zuströmbereich hinein öffnet und den Ventilsitz freigibt. Das Schließelement öffnet daher in eine Richtung, welche vom Aktorbereich wegführt. Zusätzlich ist die Magneteinrichtung im Gegensatz zum Schließelement in dem Abströmbereich angeordnet, so dass die Magneteinrichtung nicht dem hohen Versorgungsdruck ausgesetzt ist. Darüber hinaus wird eine Verschleißreduzierung erzielt, da die Materialien für die Magneteinrichtung, insbesondere für die Magnetspule, den Außenpol und den Innenpol, in ihren magnetischen Eigenschaften optimiert werden können, ohne eine hohe Beständigkeit gegenüber dem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, aufzuweisen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Zuströmbereich über die mindestens eine Durchlassöffnung mit dem Abströmbereich verbindbar ist. So kann ein Gasdurchfluss, insbesondere Wasserstoff-Gas-Durchfluss, über den Öffnungsquerschnitt des Proportionalventils gesteuert werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in dem Abströmbereich eine Magnetankervorrichtung, welche einen Magnetanker und ein Verbindungselement umfasst, angeordnet, wobei die Magnetankervorrichtung mit dem Schließelement wirkverbunden ist. Dabei können die Magnetankervorrichtung und das Schließelement fest miteinander verbunden sein, beispielsweise durch eine Schweißnaht. Eine feste Verbindung ist jedoch aufgrund der Öffnungsrichtung des Schließelements nicht erforderlich, so dass auch ein Aufliegen der Magnetankervorrichtung an dem Schließelement möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass insgesamt eine geringere Toleranzanforderung an den Gesamtaufbau des Proportionalventils erzielt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Abströmbereich einen Federraum und einen Magnetankerraum umfasst, wobei in dem Federraum eine weitere Feder angeordnet ist. Vorteilhafterweise beaufschlagt die weitere Feder die Magnetankervorrichtung und das Schließelement mit einer Kraft, welcher der Kraft der Schließfeder entgegengerichtet ist. Dadurch sind die Magnetankervorrichtung und das Schließelement dauerhaft aneinander angeordnet und wirkverbunden, so dass über die Magnetankervorrichtung eine magnetische Kraft auf das Schließelement übertragbar ist.
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In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist der Ventilsitz als Flachsitz ausgebildet. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Schließelement und dem Ventilsitz ein elastisches Dichtelement angeordnet ist, welches am Ventilsitz abdichtet. Durch die Verwendung eines Flachsitzes in Kombination eines elastischen Dichtelements zur Abdichtung am Ventilsitz kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Proportionalventils sichergestellt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Schließfeder zwischen dem Ventilgehäuse und dem Schließelement angeordnet ist. Dadurch kann in einfacher Weise und mit effizienter Bauraumausnutzung das Schließelement durch die Schließfeder in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass das Schließelement in einer axialen Führung in dem Düsenkörper geführt ist. Dabei ist die Führung direkt in dem Düsenkörper ausgebildet, an dem auch der Ventilsitz ausgebildet ist, wodurch nicht nur eine Verschleißreduzierung, sondern auch eine Verbesserung der Dichtheit des Proportionalventils erzielt wird.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Zuströmraum durch das Schließelement in einen ersten Zuströmteilraum und einen zweiten Zuströmteilraum aufgeteilt ist, wobei der erste Zuströmteilraum und der zweite Zuströmteilraum über in dem Schließelement ausgebildete Bohrungen miteinander verbunden sind. Dadurch kann bei geöffnetem Schließelement ein Gasdurchfluss, insbesondere Wasserstoff-Gas-Durchfluss, durch das Proportionalventil gesteuert werden.
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Das beschriebene Proportionalventil eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle.
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Figurenliste
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Proportionalventils zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils im Längsschnitt,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils im Längsschnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Das Proportionalventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, wobei in einem Innenraum 40 des Ventilgehäuses 2 eine Magneteinrichtung 3 angeordnet ist. Die Magneteinrichtung 3 umfasst eine Magnetspule 6, einen Innenpol 8 und einen Außenpol 4. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 2 eine Magnetankervorrichtung 5 angeordnet, welche einen Magnetanker 10 und ein Verbindungselement 14 umfasst. In dem Innenpol 8 ist eine erste Durchlassbohrung 17 ausgebildet, durch welche das Verbindungselement 14 ragt und darin geführt ist. Das Verbindungselement 14 ist mit dem Magnetanker 10 fest verbunden, wobei der Magnetanker 10 in einem Führungsabschnitt 12 des Ventilgehäuses 2 aufgenommen ist.
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Der Innenpol 8 und das Ventilgehäuse 2 begrenzen einen Federraum 19, in welchem eine Feder 26 angeordnet ist. Diese Feder 26 stützt sich einerseits an dem Ventilgehäuse 2 und andererseits an dem tellerförmigen Ende 15 des ersten Verbindungselements 14 ab und beaufschlagt dieses mit einer Kraft in Richtung des Düsenkörpers 20. Zusätzlich begrenzen der Innenpol 8 und das Ventilgehäuse 2 einen Magnetankerraum 21, in welchem der mit dem ersten Verbindungselement 14 fest verbundene Magnetanker 10 angeordnet ist. Der Federraum 19 und der Magnetankerraum 21 sind über einen in dem Innenpol 8 ausgebildeten ersten Kanal 7 miteinander verbunden. Das Ventilgehäuse 2 und der Innenpol 8 sind über ein Distanzbuchsenelement 28, welches aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist, miteinander verbunden, wobei das Distanzbuchsenelement 28 als Abstandshalter ausgebildet ist. Das Distanzbuchsenelement 28 ist mit dem Innenpol 8 und dem Ventilgehäuse 2 über eine Schweißnaht 39 fest verbunden. Weiterhin dichtet das Distanzbuchsenelement 28 die Magnetspule 6 gegen den Innenraum 40 des Ventilkörpers 2 ab, so dass die Magnetspule 6 gegen das gasförmige Medium abgedichtet ist.
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In dem Innenraum 40 des Ventilkörpers 2 ist weiterhin ein Düsenkörper 20 angeordnet, welcher den Innenraum 40 in einen Zuströmbereich 34 und einen Abströmbereich 36 unterteilt. Der Abströmbereich 36 umfasst den Federraum 19 und den Magnetankerraum 21. Die Magneteinrichtung 3 und die Magnetankervorrichtung 5 sind dabei in dem Abströmbereich 36 angeordnet. Der Zuströmbereich 34 und der Abströmbereich 36 sind über eine an dem Düsenkörper 20 ausgebildete Durchlassöffnung 27 miteinander verbindbar.
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Der Düsenkörper 20 ist fest mit dem Ventilkörper 2 verbunden. In einer Ausnehmung 25 des Düsenkörpers 20 in dem Zuströmbereich 34 ist ein Schließelement 18 mit einem elastischen Dichtelement 22 angeordnet. An dem Düsenkörper 20 ist in dem Zuströmbereich 34 ein flacher Ventilsitz 30 ausgebildet, welcher mit dem elastischen Dichtelement 22 des Schließelements 18 zusammenwirkt, so dass beim Aufliegen des Schließelements 18 mit dem elastischen Dichtelement 22 auf dem flachen Ventilsitz 30 die Durchlassöffnung 27 geschlossen ist. In dem Zuströmbereich 34 ist eine Schließfeder 24 angeordnet, welche sich einerseits an dem Ventilkörper 2 und andererseits an dem Schließelement 18 abstützt und das Schließelement 18 in Richtung des Ventilsitzes 30 drückt.
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In dem Ventilkörper 2 sind Eintrittsöffnungen 23 ausgebildet, durch welche gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, in das Proportionalventil 1 einströmen kann.
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In dem Abströmbereich 36 ist ein Abströmraum 41 ausgebildet, welcher über einen in dem Ventilgehäuse 2 ausgebildeten zweiten Kanal 9 mit dem Magnetankerraum 21 verbunden ist. In dem Ventilgehäuse 2 sind Austrittsöffnungen 13 ausgebildet, über welche das gasförmige Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Proportionalventil 1 ausströmen kann. Das Verbindungselement 14 ragt über eine in dem Ventilkörper 2 ausgebildete zweite Durchlassbohrung 29 von dem Magnetankerraum 21 in den Abströmraum 41 hinein und sitzt mit seinem dem Schließelement 18 zugewandeten Ende 33 aufgrund der Federkraft der Feder 26 an dem Schließelement 18 auf und ist mit diesem wirkverbunden. Um einen besseren Ausgleich von Winkeltoleranzen zu erzielen, kann das Ende 33 des Verbindungselements 14 auch ballig ausgeführt sein.
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Funktionsweise des Proportionalventils 1 im ersten Ausführungsbeispiel
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Bei nicht bestromter Magnetspule 6 wird das Schließelement 18 über die Schließfeder 24 an den Ventilsitz 30 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Zuströmbereich 34 und dem Abströmbereich 36 unterbrochen ist und kein Gasdurchfluss erfolgt.
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Wird die Magnetspule 6 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 10 erzeugt, welcher der Schließkraft der Schließfeder 24 entgegengerichtet ist. Diese magnetische Kraft wird über das Verbindungselement 14 auf das Schließelement 18 übertragen, so dass die Schließkraft der Schließfeder 24 und die pneumatischen Kräfte überkompensiert werden und das Schließelement 18 vom Ventilsitz 30 abhebt und in den Zuströmbereich 34 hineingedrückt wird. Ein Gasdurchfluss vom Zuströmbereich 34 über die Durchlassöffnung 27 in den Abströmbereich 36 ist freigegeben.
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Der Hub des Schließelements 18 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 6 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 6, desto größer ist der Hub des Schließelements 18 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1, da die Kraft der Schließfeder 24 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 6 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 18 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt.
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Wird der Strom an der Magnetspule 6 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 10 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 18 mittels des Verbindungselements 14 reduziert wird. Das Schließelement 18 bewegt sich in Richtung der Durchlassöffnung 27 und dichtet mit dem elastischen Dichtelement 22 an dem Ventilsitz 30 ab. Der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1 ist unterbrochen.
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Fis.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet wie in 1. 2 zeigt eine etwas andere Ausführung des Schließelements 18. Das Schließelement 18 wird hier in einer axialen Führung 16 in dem Düsenkörper 20 geführt. Der Zuströmbereich 34 wird dadurch in einen ersten Zuströmteilraum 37 und einen zweiten Zuströmteilraum 38 unterteilt. Der erste Zuströmteilraum 37 und der zweite Zuströmteilraum 38 sind über in dem Schließelement 18 ausgebildete Bohrungen 35, hier Längsbohrungen, miteinander verbunden.
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Der restliche Aufbau und die Funktionsweise des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels entsprechen dem Ausführungsbeispiel aus der 1.
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Das in 1 und 2 gezeigte Ventilgehäuse ist mehrteilig ausgebildet, um eine Montierung des Düsenkörpers 20 und des Schließelements 18 in das Proportionalventil 1 zu ermöglichen.
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Das erfindungsgemäße Proportionalventil 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung Verwendung finden. Mittels des Proportionalventils 1 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden. Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 6 des Proportionalventils 1, durch welche der Hub des Schließelements 18 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 27 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt.
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Das Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums weist somit den Vorteil auf, dass hierbei die Zuführung des ersten gasförmigen Mediums und die Zudosierung von Wasserstoff in den Anodenbereich der Brennstoffzelle mittels elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchlassöffnung 27 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter erfolgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folgeschäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012204565 A1 [0002, 0003]
