DE102018200314A1 - Metering valve and jet pump unit for controlling a gaseous medium - Google Patents

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Abstract

Dosierventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (12), in dem ein Innenraum (26) ausgebildet ist. In dem Innenraum (26) ist entlang einer Längsachse (18) des Dosierventils (100) ein bewegbares Schließelement (2) angeordnet, das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungsquerschnitts von einem Zulaufbereich (7) in eine Durchlassöffnung (21) mit einem Ventilsitz (4) zusammenwirkt. Darüber hinaus weist das Dosierventil (100) eine Düse (1) auf, in welcher die Durchlassöffnung (21) ausgebildet ist. Die Durchlassöffnung (21) geht dabei in einen Umlenkstutzen (30) über und ist mit der Düse (1) fest verbunden, so dass das aus der Durchlassöffnung (21) austretende gasförmige Medium durch den Umlenkstutzen (30) von der Längsachse (18) des Dosierventils (100) umgelenkt wird.Dosing valve (100) for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, with a valve housing (12), in which an interior space (26) is formed. A movable closure element (2) is arranged in the interior space (26) along a longitudinal axis (18) of the metering valve (100), which opening or closing an opening cross section from an inlet region (7) into a passage opening (21) with a valve seat (4 ) cooperates. In addition, the metering valve (100) has a nozzle (1), in which the passage opening (21) is formed. The passage opening (21) passes into a deflection connection (30) and is firmly connected to the nozzle (1), so that the gaseous medium emerging from the passage opening (21) passes through the deflection connection (30) from the longitudinal axis (18) of the Dosing valve (100) is deflected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dosierventil und eine Strahlpumpeneinheit zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.The invention relates to a metering valve and a jet pump unit for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.

Stand der TechnikState of the art

Die DE 10 2010 043 618 A1 beschreibt ein Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Dosierventil ein Ventilgehäuse, eine Ejektoreinheit, einen Aktor und ein Schließelement umfasst. In dem Ventilgehäuse ist eine Durchgangsöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Die Ejektoreinheit umfasst einen Zuströmbereich, welchem ein erstes gasförmiges Medium unter Druck zugeführt wird, einem Ansaugbereich, an welchem ein zweites Medium ansteht und einen Mischrohrbereich, aus welchem ein Gemisch des ersten und des zweiten gasförmigen Mediums austritt. Die Durchgangsöffnung ist zwischen dem Zuströmbereich und dem Ansaugbereich der Ejektoreinheit angeordnet.The DE 10 2010 043 618 A1 describes a metering valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, wherein the metering valve comprises a valve housing, an ejector unit, an actuator and a closing element. In the valve housing, a passage opening is formed, which can be released or closed by the closing element on a valve seat. The ejector unit comprises an inflow region, to which a first gaseous medium is supplied under pressure, a suction region, at which a second medium is present, and a mixing tube region, from which a mixture of the first and second gaseous medium emerges. The passage opening is arranged between the inflow region and the suction region of the ejector unit.

Optimierungen von Spülvorgängen in einem Anodenpfad einer Brennstoffzellenanordnung kann durch eine Kombination aus einem Dosierventil und einer Strahlpumpe erzielt werden. Die Einbaulage des Dosierventils in die Strahlpumpe ist jedoch aufgrund der bevorzugt horizontalen Montierung der Strahlpumpe an einem Brennstoffzellenstack der Brennstoffzellenanordnung eingeschränkt. Eine ebenfalls horizontale Einbaulage des Dosierventils kann zu Ablagerungen von Schmutz und Kondenswasser und darüber hinaus zu Funktionsbeeinträchtigungen führen.Optimizations of rinses in an anode path of a fuel cell assembly can be achieved by a combination of a metering valve and a jet pump. However, the installation position of the metering valve in the jet pump is limited due to the preferably horizontal mounting of the jet pump on a fuel cell stack of the fuel cell assembly. A likewise horizontal installation position of the metering valve can lead to deposits of dirt and condensation and beyond to functional impairments.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Dosierventil und die Strahlpumpeneinheit zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass trotz vorbestimmter Einbaulage der Strahlpumpe das Dosierventil variabel an der Strahlpumpe montiert werden kann.The metering valve according to the invention and the jet pump unit for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, has the advantage that despite predetermined installation position of the jet pump, the metering valve can be variably mounted on the jet pump.

Dazu weist das Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in dem ein Innenraum ausgebildet ist. In dem Innenraum ist entlang einer Längsachse des Dosierventils ein bewegbares Schließelement angeordnet, das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungsquerschnitts von einem Zulaufbereich in eine Durchlassöffnung mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Darüber hinaus weist das Dosierventil eine Düse auf, in welcher die Durchlassöffnung ausgebildet ist. Dabei geht die Durchlassöffnung in einen Umlenkstutzen über und ist mit der Düse verbunden, so dass das aus der Durchlassöffnung austretende gasförmige Medium durch den Umlenkstutzen von der Längsachse des Dosierventils umgelenkt wird.For this purpose, the metering valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, a valve housing, in which an interior space is formed. In the interior, a movable closing element is arranged along a longitudinal axis of the metering valve, which cooperates with a valve seat for opening or closing an opening cross section from an inlet region into a passage opening. In addition, the metering valve has a nozzle in which the passage opening is formed. In this case, the passage opening passes into a Umlenkstutzen and is connected to the nozzle, so that the emerging from the passage opening gaseous medium is deflected by the Umlenkstutzen of the longitudinal axis of the metering valve.

Weiterhin umfasst eine Strahlpumpeneinheit das Dosierventil, ein Strahlpumpengehäuse, einen Mischrohrbereich, einen Ansaugkanal, einen Ansaugbereich und einen Ablaufbereich. Das Strahlpumpengehäuse umfasst das Ventilgehäuse des Dosierventils und ein Pumpengehäuse.Furthermore, a jet pump unit comprises the metering valve, a jet pump housing, a mixing tube area, an intake passage, a suction area and a drain area. The jet pump housing comprises the valve housing of the metering valve and a pump housing.

So kann der Austritt des gasförmigen Mediums aus dem Dosierventil immer an die Einbaulage des Dosierventils in das Pumpengehäuse angepasst und optimiert werden.Thus, the exit of the gaseous medium from the metering valve can always be adapted to the installation position of the metering valve in the pump housing and optimized.

In vorteilhafter Weiterbildung weist das Pumpengehäuse eine zumindest abschnittsweise stufenförmig und abschnittsweise konisch ausgebildete Durchgangsbohrung auf, wobei das Dosierventil mit dem Pumpengehäuse fest verbunden ist, beispielsweise durch Verschraubung oder Verpressung. Weiterhin ist der Zulaufkanal des Dosierventils radial zu der Längsachse des Dosierventils zumindest teilweise in dem Pumpengehäuse ausgebildet, so dass der Zulaufbereich des Dosierventils in der Durchgangsbohrung angeordnet ist. Der Umlenkstutzen ist so vorteilhaftweise in der Durchgangsbohrung des Pumpengehäuses angeordnet, dass bei aktivem Dosierventil das gasförmige Medium aus dem Dosierventil über den Umlenkstutzen entlang der Längsachse des Pumpengehäuses in den Ansaugbereich geleitet wird.In an advantageous embodiment, the pump housing has an at least partially stepped and partially conically formed through hole, wherein the metering valve is fixedly connected to the pump housing, for example by screwing or pressing. Furthermore, the inlet channel of the metering valve is at least partially formed in the pump housing radially to the longitudinal axis of the metering valve, so that the inlet region of the metering valve is arranged in the through hole. The Umlenkstutzen is advantageously arranged in the through hole of the pump housing, that when the metering valve is active, the gaseous medium from the metering valve via the Umlenkstutzen along the longitudinal axis of the pump housing is passed into the intake.

Durch die Integration der Düse mit dem Umlenkstutzen in das Dosierventil ist es möglich, die Strömung des gasförmigen Mediums nach dem Ventilsitz direkt in die Strahlpumpeneinheit zu führen. Dadurch kann eine optimierte Auslegung von Dosierventil und Pumpengehäuse der Strahlpumpeneinheit erzielt werden. Darüber hinaus ist durch den Umlenkstutzen ein optimaler Strömungsfluss des gasförmigen Mediums in das Pumpengehäuse möglich, unabhängig von der Einbaulage des Dosierventils in das Pumpengehäuse.By integrating the nozzle with the Umlenkstutzen in the metering valve, it is possible to direct the flow of the gaseous medium to the valve seat directly into the jet pump unit. As a result, an optimized design of metering valve and pump housing of the jet pump unit can be achieved. In addition, an optimal flow flow of the gaseous medium into the pump housing is possible by the Umlenkstutzen, regardless of the mounting position of the metering valve in the pump housing.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Umlenkstutzen als zumindest abschnittsweise bogenförmiges Rohrelement ausgebildet ist. Vorteilhafterweise lenkt das bogenförmige Rohrelement das gasförmige Medium aus dem Dosierventil um 90 Grad von der Längsachse des Dosierventils um, wobei in vorteilhafter Weiterbildung das Rohrelement einen Innendurchmesser D2 aufweist, der einem Durchmesser D1 der Durchlassöffnung entspricht.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the Umlenkstutzen is formed as at least partially arcuate tubular element. Advantageously, the arcuate tubular element deflects the gaseous medium from the metering valve by 90 degrees from the longitudinal axis of the metering valve, wherein in an advantageous embodiment, the tubular element has an inner diameter D 2 , which corresponds to a diameter D 1 of the passage opening.

So kann in konstruktiv einfacher Weise das gasförmige Medium richtungsveränderlich aus dem Dosierventil geleitet werden. Thus, the gaseous medium can be directed directionally variable out of the metering valve in a structurally simple manner.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Umlenkstutzen als Anformung der Durchlassöffnung der Düse ausgebildet ist, wobei die Anformung eine Längsachse aufweist, und wobei diese Längsachse einen Winkel α mit der Längsachse des Dosierventils einschließt. Vorteilhafterweise liegt der Winkel α in einem Wertebereich zwischen 30 Grad und 90 Grad. Weiterhin vorteilhaft ist die Anformung hohlzylinderförmig ausgebildet und der Durchmesser D1 der Durchlassöffnung entspricht einem Durchmesser D3 der Anformung.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the Umlenkstutzen is formed as Anformung the passage opening of the nozzle, wherein the Anformung has a longitudinal axis, and wherein said longitudinal axis forms an angle α with the longitudinal axis of the metering valve. Advantageously, the angle α is in a value range between 30 degrees and 90 degrees. Further advantageously, the Anformung is hollow cylinder-shaped and the diameter D 1 of the passage opening corresponds to a diameter D 3 of Anformung.

So kann die Anformung in einfacher Weise an die Einbaulage des Dosierventils angepasst werden, so dass eine optimale Ausdüsung von gasförmigem Medium aus dem Dosierventil sichergestellt werden kann.Thus, the Anformung can be easily adapted to the mounting position of the metering valve, so that an optimal Ausdüsung of gaseous medium from the metering valve can be ensured.

In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das der Düse abgewandte Ende der Anformung konisch erweitert ist. Dadurch wird der Strömungsdurchlauf des gasförmigen Mediums durch die Anformung verbessert und mögliche Druckreflexionen vermindert.In an embodiment of the invention, it is advantageously provided that the nozzle facing away from the end of the Anformung is flared. As a result, the flow passage of the gaseous medium is improved by the Anformung and possible pressure reflections reduced.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Ventilsitz als Flachsitz ausgebildet und zwischen dem Ventilsitz und dem Schließelement ein elastisches Dichtelement angeordnet. Durch die Verwendung eines flachen Ventilsitzes in Kombination eines elastischen Dichtelements zur Abdichtung am Ventilsitz kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Dosierventils sichergestellt werden, so dass beispielsweise kein Wasserstoff aus dem Dosierventil austreten kann.In an advantageous embodiment of the invention, the valve seat is designed as a flat seat and arranged between the valve seat and the closing element, an elastic sealing element. By using a flat valve seat in combination with an elastic sealing element for sealing the valve seat, the tightness of the metering valve can be ensured in a simple manner and without major structural changes, so that, for example, no hydrogen can escape from the metering valve.

Die beschriebene Strahlpumpeneinheit eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb.The jet pump unit described is preferably suitable in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to an anode region of a fuel cell. Advantages are the low pressure fluctuations in the anode path and a quiet operation.

Figurenlistelist of figures

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Dosierventils und einer Strahlpumpeneinheit zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff, zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in

  • 1a ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierventils mit einem Umlenkstutzen im Längsschnitt,
  • 1b ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierventils mit einem Umlenkstutzen im Längsschnitt,
  • 2a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlpumpeneinheit mit dem in 1a gezeigten Dosierventil im Längsschnitt,
  • 2b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlpumpeneinheit mit dem in 1b gezeigten Dosierventil im Längsschnitt.
The drawing shows exemplary embodiments of a metering valve according to the invention and a jet pump unit for controlling a gas supply, in particular hydrogen, to a fuel cell. It shows in
  • 1a A first embodiment of a metering valve according to the invention with a Umlenkstutzen in longitudinal section,
  • 1b A second embodiment of a metering valve according to the invention with a Umlenkstutzen in longitudinal section,
  • 2a an embodiment of a jet pump unit according to the invention with the in 1a shown metering valve in longitudinal section,
  • 2 B a further embodiment of a jet pump unit according to the invention with the in 1b shown metering valve in longitudinal section.

Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet.Components with the same function have been designated by the same reference number.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierventils 100 im Längsschnitt. Das Dosierventil 100 weist ein Ventilgehäuse 12 auf, in dem ein Innenraum 26 ausgebildet ist. In dem Innenraum 26 ist ein Elektromagnet 130 angeordnet, welcher eine Magnetspule 13, einen Innenpol 10 und einen Außenpol 11 umfasst. Der Innenpol 10 ist dabei mit dem Ventilgehäuse 12 über ein Distanzbuchsenelement 14 aus nicht magnetischen Material verbunden. 1a shows a first embodiment of a metering valve according to the invention 100 in longitudinal section. The metering valve 100 has a valve housing 12 in which an interior 26 is trained. In the interior 26 is an electromagnet 130 arranged, which is a magnetic coil 13 , an inner pole 10 and a pole 11 includes. The inner pole 10 is with the valve body 12 via a spacer element 14 made of non-magnetic material.

Weiterhin ist in einem von dem Innenraum 26 umfassten Ankerraum 9 ein hubbeweglicher Magnetanker 6 mit einem stiftförmigen Element 5 angeordnet, wobei das stiftförmige Element 5 fest mit dem Magnetanker 6 verbunden ist und sowohl in einer Ausnehmung 27 des Innenpols 10 als auch in einer Ausnehmung 28 des Ventilgehäuses 12 aufgenommen und geführt ist. Der Magnetanker 6 ist als Tauchanker ausgebildet und wird bei dessen Hubbewegung in einer Ausnehmung 22 des Innenpols 10 aufgenommen.Furthermore, in one of the interior 26 covered anchor space 9 a lifting magnet armature 6 with a pin-shaped element 5 arranged, wherein the pin-shaped element 5 firmly with the magnet armature 6 is connected and both in a recess 27 of the inner pole 10 as well as in a recess 28 of the valve housing 12 recorded and conducted. The magnet armature 6 is designed as a plunger and is in its stroke in a recess 22 of the inner pole 10 added.

Das Ventilgehäuse 12 und der Innenpol 10 begrenzen einen Federraum 8, in welchen ein tellerförmiges Ende 16 des stiftförmigen Elements 5 des Magnetankers 6 hineinragt. An dem tellerförmigen Ende 16 des stiftförmigen Elements 5 stützt sich eine Schließfeder 15 ab, durch welche der Magnetanker 6 mit dem stiftförmigen Element 5 vorgespannt ist. Das der Schließfeder 15 abgewandte Ende des stiftförmigen Elements 5 ist fest mit einem ebenen Schließelement 2 verbunden. Das Schließelement 2 weist an seinem dem stiftförmigen Element 5 abgewandten Ende ein elastisches Dichtelement 3 auf und ist in einem Zulaufbereich 7 des Dosierventils 100 angeordnet. Der Federraum 8 und der Ankerraum 9 sind über einen ersten Verbindungskanal 24 und der Ankerraum 9 und der Zulaufbereich 7 über einen zweiten Verbindungskanal 25 fluidisch miteinander verbunden.The valve housing 12 and the inner pole 10 limit a spring space 8th in which a plate-shaped end 16 of the pin-shaped element 5 of the magnet armature 6 protrudes. At the plate-shaped end 16 of the pin-shaped element 5 supports a closing spring 15 through which the armature 6 with the pin-shaped element 5 is biased. That of the closing spring 15 opposite end of the pin-shaped element 5 is fixed with a flat closing element 2 connected. The closing element 2 indicates at its the pin-shaped element 5 opposite end of an elastic sealing element 3 on and is in an inlet area 7 of the metering valve 100 arranged. The spring chamber 8th and the anchor room 9 are via a first connection channel 24 and the anchor room 9 and the inlet area 7 over one second connection channel 25 fluidly connected.

Radial zu einer Längsachse 18 des Dosierventils 100 sind Zulaufkanäle 31 ausgebildet, durch welche der Zulaufbereich 7 des Dosierventils 100 mit gasförmigem Medium befüllbar ist. Der Zulaufbereich 7 ist neben dem Ventilgehäuse 12 von einer Düse 1 begrenzt, in welcher eine stufenförmige Durchlassöffnung 21 ausgebildet ist. An einer dem elastischen Dichtelement 3 zugewandten radial zu der Längsachse 18 des Dosierventils 100 Sitzfläche 1a der Düse 1 ist eine umlaufende Dichtkante 20 ausgebildet, an der ein Ventilsitz 4 ausgebildet ist. In einer geschlossenen Position des Dosierventils 100 liegt das elastische Dichtelement 3 durch die Kraftbeaufschlagung der Schließfeder 15 an dem Ventilsitz 4 an, so dass eine Verbindung zwischen dem Zulaufbereich 7 und der Durchlassöffnung 21 geschlossen ist.Radial to a longitudinal axis 18 of the metering valve 100 are inlet channels 31 formed, through which the inlet area 7 of the metering valve 100 can be filled with gaseous medium. The inlet area 7 is next to the valve body 12 from a nozzle 1 limited, in which a stepped passage opening 21 is trained. At one of the elastic sealing element 3 facing radially to the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 seat 1a the nozzle 1 is a circumferential sealing edge 20 formed, at the a valve seat 4 is trained. In a closed position of the metering valve 100 lies the elastic sealing element 3 by the application of force to the closing spring 15 at the valve seat 4 on, allowing a connection between the inlet area 7 and the passage opening 21 closed is.

Weiterhin mündet die Durchlassöffnung 21 der Düse 1 in einen Umlenkstutzen 30, welcher mit der Düse 1 fest verbunden ist. Hier ist der Umlenkstutzen 30 als bogenförmiges Rohrelement 300 ausgebildet, welches gasförmiges Medium aus dem Dosierventil 100 um 90 Grad von der Längsachse 18 des Dosierventils 100 umlenkt. Darüber hinaus weist das Rohrelement einen Innendurchmesser D2 auf, der einem Durchmesser D1 der Durchlassöffnung entspricht.Furthermore, the passage opening opens 21 the nozzle 1 in a diverter 30 , which with the nozzle 1 is firmly connected. Here is the diverter 30 as an arcuate tubular element 300 formed, which gaseous medium from the metering valve 100 90 degrees from the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 deflects. In addition, the tube element has an inner diameter D 2 on, of a diameter D 1 corresponds to the passage opening.

Die Funktionsweise des Dosierventils ist wie folgt:The operation of the metering valve is as follows:

Das Dosierventil 100 ist hier als Proportionalventil ausgebildet. Bei nicht bestromter Magnetspule 13 wird das Schließelement 2 über die Schließfeder 15 an den Ventilsitz 4 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Zulaufbereich 7 und der Durchlassöffnung 21 unterbrochen ist und kein Gasdurchfluss erfolgt.The metering valve 100 is designed here as a proportional valve. When the solenoid is not energized 13 becomes the closing element 2 over the closing spring 15 to the valve seat 4 pressed so that the connection between the inlet area 7 and the passage opening 21 is interrupted and no gas flow occurs.

Wird die Magnetspule 13 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 6 erzeugt, welcher der Schließkraft der Schließfeder 15 entgegengerichtet ist. Diese magnetische Kraft wird über das stiftförmige Element 5 auf das Schließelement 2 übertragen, so dass die Schließkraft der Schließfeder 15 überkompensiert wird und das Schließelement 2 vom Ventilsitz 4 abhebt. Ein Gasdurchfluss aus dem Zulaufbereich 7 in Richtung der Durchlassöffnung 21 ist freigegeben.Will the solenoid coil 13 energized, then a magnetic force is applied to the armature 6 generates, which the closing force of the closing spring 15 is opposite. This magnetic force is transmitted through the pin-shaped element 5 on the closing element 2 transferred, so that the closing force of the closing spring 15 is overcompensated and the closing element 2 from the valve seat 4 takes off. A gas flow from the inlet area 7 in the direction of the passage opening 21 is released.

Der Hub des Schließelements 2 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 13 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 13, desto größer ist der Hub des Schließelements 2 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss im Dosierventil 100, da die Kraft der Schließfeder 15 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 13 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 2 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt.The stroke of the closing element 2 can be about the amount of amperage at the solenoid coil 13 be set. The higher the current at the solenoid 13 , the larger the stroke of the closing element 2 and the higher the gas flow in the metering valve 100 because the force of the closing spring 15 is stroke-dependent. Is the current at the solenoid coil 13 also reduces the stroke of the closing element 2 reduced and thus throttled the gas flow.

Wird der Strom an der Magnetspule 13 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 6 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 2 mittels des stiftförmigen Elements 5 reduziert wird. Das Schließelement 2 bewegt sich in Richtung der Durchlassöffnung 21 und dichtet mit dem elastischen Dichtelement 3 an dem Ventilsitz 4 ab. Der Gasdurchfluss im Dosierventil 100 ist unterbrochen.Is the current at the solenoid coil 13 interrupted, the magnetic force is applied to the armature 6 degraded, leaving the force on the closing element 2 by means of the pin-shaped element 5 is reduced. The closing element 2 moves in the direction of the passage opening 21 and seals with the elastic sealing element 3 at the valve seat 4 from. The gas flow in the metering valve 100 is interrupted.

1b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierventils 100 im Längsschnitt. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht dabei in Aufbau und Funktionsweise bis auf die Ausgestaltung des Umlenkstutzens 30 weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Umlenkstutzen 30 ist hier als Anformung 3000 der Durchlassöffnung 21 der Düse 1 ausgebildet. Dabei weist die Anformung 3000 eine Längsachse 3001 auf, welche mit der Längsachse 18 des Dosierventils 100 einen Winkel α einschließt. Der Winkel α liegt in einem Wertebereich zwischen 30 Grad und 90 Grad. Weiterhin ist die Anformung 3000 hohlzylinderförmig ausgebildet und der Durchmesser D1 der Durchlassöffnung 21 entspricht einem Durchmesser D3 der Anformung 3000. Darüber hinaus ist das der Düse 1 abgewandte Ende der Anformung 3000 konisch erweitert, so dass ein optimaler Strömungsaustritt des gasförmiges Mediums erzielt wird. 1b shows a second embodiment of a metering valve according to the invention 100 in longitudinal section. The second embodiment corresponds in structure and operation except for the design of the Umlenkstutzens 30 as far as possible the first embodiment. The deflector 30 is here as Anformung 3000 the passage opening 21 the nozzle 1 educated. In this case, the Anformung 3000 a longitudinal axis 3001 on, which with the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 includes an angle α. The angle α is in a value range between 30 degrees and 90 degrees. Furthermore, the Anformung 3000 hollow cylindrical and the diameter D 1 the passage opening 21 corresponds to a diameter D 3 the formation 3000 , In addition, this is the nozzle 1 opposite end of the Anformung 3000 extended conically, so that an optimal flow outlet of the gaseous medium is achieved.

Ebenso wie das erste Ausführungsbeispiel ermöglicht das zweite Ausführungsbeispiel eine Ablenkung des gasförmigen Mediums aus der Längsachse 18 des Dosierventils 100.Like the first embodiment, the second embodiment enables a deflection of the gaseous medium from the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 ,

Das erfindungsgemäße Dosierventil 100 kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung Verwendung finden. Mittels des Dosierventils 100 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden. Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 13 des Dosierventils 100, durch welche der Hub des Schließelements 2 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt an der Durchlassöffnung 21 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt.The metering valve according to the invention 100 For example, it can be used in a fuel cell arrangement. By means of the metering valve 100 For example, hydrogen can be supplied from a tank to an anode region of the fuel cell. Depending on the amount of current at the solenoid coil 13 of the metering valve 100 through which the stroke of the closing element 2 is actuated, thus becomes a flow cross-section at the passage opening 21 changed so that a demand-adjusted adjustment of the gas flow supplied to the fuel cell continuously takes place.

Das Dosierventil 100 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 21 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.The metering valve 100 for controlling a gaseous medium thus has the advantage that in this case the supply of the first gaseous medium and the metered addition of hydrogen into the anode region of the fuel cell by means of electronically controlled adjustment of the flow cross section of the passage opening 21 can be done much more precisely with simultaneous control of the anode pressure. As a result, the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion. In addition, consequential damage, such as damage to a downstream catalyst can be prevented.

2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Strahlpumpeneinheit 46 mit dem erfindungsgemäßen Dosierventil 100 aus der 1a im Längsschnitt. Die Strahlpumpeneinheit 46 weist ein Strahlpumpengehäuse 41 auf, das das Ventilgehäuse 12 des Dosierventils 100 und ein Pumpengehäuse 49 umfasst. Das Pumpengehäuse 49 weist dabei eine Längsachse 48 auf, welche mit der Längsachse 18 des Dosierventils 100 einen Winkel von 90 Grad einschließt. 2a shows a first embodiment of a jet pump unit 46 with the metering valve according to the invention 100 from the 1a in longitudinal section. The jet pump unit 46 has a jet pump housing 41 on that the valve body 12 of the metering valve 100 and a pump housing 49 includes. The pump housing 49 has a longitudinal axis 48 on, which with the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 includes an angle of 90 degrees.

In dem Pumpengehäuse 49 sind axial zu der Längsachse 48 eine teilweise stufenförmig und teilweise konisch ausgebildete Durchgangsbohrung 42 sowie der Zulaufkanal 31 des Dosierventils 100 und radial zu der Längsachse 48 ein Ansaugkanal 43 ausgebildet. Der Ansaugkanal 43 kann dabei auch, siehe gestrichelten Ansaugkanal 43', axial zu der Längsachse 48 ausgebildet sein, so dass keine Umlenkung des rezirkulierten Gases erfolgen muss. In der Durchgangsbohrung 42 sind ein Ansaugbereich 44, ein Mischrohrbereich 52 und ein Ablaufbereich 45 ausgebildet. Das Dosierventil 100 ist senkrecht zu dem Pumpengehäuse 49 abschnittsweise aufgenommen. Dabei ist das Ventilgehäuse 12 mit einer Stufe 37 an dem Pumpengehäuse 49 angeordnet und ist mit diesem fest verbunden, beispielsweise durch Verschraubung oder Verpressung. Weiterhin sind an dem Ventilgehäuse 12 Dichtungselemente 35 angeordnet, so dass das Ventilgehäuse 12 und das Pumpengehäuse 49 gegeneinander abgedichtet sind. Gasförmiges Medium aus dem Zulaufkanal 31 gelangt so nur über die Durchlassöffnung 21 in Richtung des Ansaugbereichs 44.In the pump housing 49 are axial to the longitudinal axis 48 a partially stepped and partially conical through hole 42 as well as the inlet channel 31 of the metering valve 100 and radial to the longitudinal axis 48 a suction channel 43 educated. The intake channel 43 can also, see dashed intake 43 ' , axial to the longitudinal axis 48 be formed so that no diversion of the recirculated gas must be done. In the through hole 42 are a suction area 44 , a mixing tube area 52 and a drain area 45 educated. The metering valve 100 is perpendicular to the pump housing 49 taken in sections. Here is the valve housing 12 with a step 37 on the pump housing 49 arranged and is firmly connected to this, for example by screwing or pressing. Furthermore, on the valve housing 12 sealing elements 35 arranged so that the valve body 12 and the pump housing 49 sealed against each other. Gaseous medium from the inlet channel 31 so only passes through the passage opening 21 in the direction of the intake area 44 ,

Die Düse 1 des Dosierventils 100 mit dem als bogenförmiges Rohrelement 300 ausgebildetem Umlenkstutzen 30 ist so in dem Pumpengehäuse 49 angeordnet, dass der Ansaugkanal 43 koaxial zur Längsachse 18 des Dosierventils 100 angeordnet und der Umlenkstutzen 30 unmittelbar vor dem Ansaugbereich 44 angeordnet sind.The nozzle 1 of the metering valve 100 with the as arcuate tubular element 300 trained diverter 30 is so in the pump housing 49 arranged that the intake duct 43 coaxial to the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 arranged and the Umlenkstutzen 30 immediately before the intake area 44 are arranged.

Die Funktionsweise der Strahlpumpeneinheit 46 ist wie folgt:The operation of the jet pump unit 46 is as follows:

Bei geöffnetem oder teilgeöffnetem Ventilsitz 4 des Dosierventils 100 strömt über den Ventilsitz 4 aus dem Zulaufkanal 31 des Dosierventils 100 gasförmiges Medium, hier Wasserstoff, aus dem Tank in die Durchlassöffnung 21 in der Düse 1. Dieser Wasserstoff strömt nach der Düse 1 in den Umlenkstutzen 30 ein und wird durch diesen um 90 Grad von der Längsachse 18 des Dosierventils 100 umgelenkt, so dass der Wasserstoff axial zu der Längsachse 48 des Pumpengehäuses 49 in die Durchgangsbohrung 42 eintritt. Nach Eintritt in die Durchgangsbohrung 42 trifft der Wasserstoff in dem Ansaugbereich 44 auf gasförmiges Medium, welches der Brennstoffzelle bereits zugeführt, jedoch nicht verbraucht wurde, und über den Ansaugkanal 43 zurück in die Strahlpumpeneinheit 46 geführt wurde. Das zurückgeführte gasförmige Medium umfasst hauptsächlich Wasserstoff, aber auch Wasserdampf und Stickstoff. In dem Mischrohrbereich 52 wird durch Impulsaustausch der gasförmigen Medien ein Massenstrom aus dem Ansaugbereich 44 angesaugt und in Richtung Ablaufbereich 45 und somit in Richtung dem Anodenbereich der Brennstoffzelle gefördert. Je nach Geometrie der Durchgangsbohrung 42 und dem Einsetzwinkel des Dosierventils 100 und damit der Düse 1 kann eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgen.With valve seat open or partially open 4 of the metering valve 100 flows over the valve seat 4 from the inlet channel 31 of the metering valve 100 gaseous medium, here hydrogen, from the tank into the passage opening 21 in the nozzle 1 , This hydrogen flows to the nozzle 1 in the deflection 30 one and is through this 90 degrees from the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 deflected so that the hydrogen is axial to the longitudinal axis 48 of the pump housing 49 into the through hole 42 entry. After entering the through hole 42 the hydrogen meets in the intake area 44 on gaseous medium, which has already been supplied to the fuel cell, but not consumed, and via the intake passage 43 back into the jet pump unit 46 was led. The recycled gaseous medium mainly comprises hydrogen, but also water vapor and nitrogen. In the mixing tube area 52 is by momentum exchange of the gaseous media, a mass flow from the intake 44 sucked in and towards the drainage area 45 and thus promoted toward the anode region of the fuel cell. Depending on the geometry of the through hole 42 and the insertion angle of the metering valve 100 and thus the nozzle 1 a demand-adjusted adjustment of the gas flow supplied to the fuel cell can take place.

2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Strahlpumpeneinheit 46 mit dem erfindungsgemäßen Dosierventil 100 aus der 1b im Längsschnitt. Das weitere Ausführungsbeispiel der Strahlpumpeneinheit entspricht dabei in Aufbau und Funktionsweise bis auf die Ausgestaltung des Umlenkstutzens 30 und der Einbaulage des Dosierventils 100 in dem Pumpengehäuse 49 weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Umlenkstutzen 30 ist hier als Anformung 3000 der Durchlassöffnung 21 der Düse 1 ausgebildet. Dabei ist das Dosierventil 100 in der 2b in schräger Einbaulage in dem Pumpengehäuse 49 montiert. Die Längsachse 18 des Dosierventils 100 und die Längsachse 48 des Pumpengehäuses 49, welche mit der Längsachse 3001 der Anformung 3000 identisch ist, schließen einen Winkel zwischen 30 Grad und 90 Grad ein, hier 45 Grad. Die Längsachse 3001 der Anformung 3000 der Durchlassöffnung 21 der Düse 1 schließt daher einen Winkel α von 45 Grad mit der Längsachse 18 des Dosierventils 100 ein, so dass der Wasserstoff axial zu der Längsachse 48 des Pumpengehäuses 49 in die Durchgangsbohrung 42 eintreten kann, so dass eine optimale Vermischung mit dem rezirkulierten Gas aus dem Ansaugkanal 43 erfolgt. 2 B shows a further embodiment of the jet pump unit 46 with the metering valve according to the invention 100 from the 1b in longitudinal section. The further embodiment of the jet pump unit corresponds in construction and operation except for the design of the Umlenkstutzens 30 and the installation position of the metering valve 100 in the pump housing 49 as far as possible the first embodiment. The deflector 30 is here as Anformung 3000 the passage opening 21 the nozzle 1 educated. Here is the metering valve 100 in the 2 B in an inclined mounting position in the pump housing 49 assembled. The longitudinal axis 18 of the metering valve 100 and the longitudinal axis 48 of the pump housing 49 , which with the longitudinal axis 3001 the formation 3000 is identical, include an angle between 30 degrees and 90 degrees, here 45 degrees. The longitudinal axis 3001 the formation 3000 the passage opening 21 the nozzle 1 therefore closes an angle α of 45 degrees with the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 one, so that the hydrogen is axial to the longitudinal axis 48 of the pump housing 49 into the through hole 42 can enter, allowing optimal mixing with the recirculated gas from the intake duct 43 he follows.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010043618 A1 [0002]DE 102010043618 A1 [0002]

Claims (14)

Dosierventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (12), wobei in dem Ventilgehäuse (12) ein Innenraum (26) ausgebildet ist, mit einem darin angeordneten entlang einer Längsachse (18) des Dosierventils (100) bewegbaren Schließelement (2), das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungsquerschnitts von einem Zulaufbereich (7) in eine Durchlassöffnung (21) mit einem Ventilsitz (4) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (100) eine Düse (1) aufweist, in welcher die Durchlassöffnung (21) ausgebildet ist, wobei die Durchlassöffnung (21) in einen Umlenkstutzen (30) übergeht und mit der Düse (1) verbunden ist, so dass das aus der Durchlassöffnung (21) austretende gasförmige Medium durch den Umlenkstutzen (30) von der Längsachse (18) des Dosierventils (100) umgelenkt wird.Dosing valve (100) for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, with a valve housing (12), wherein an interior space (26) is formed in the valve housing (12), with one disposed therein along a longitudinal axis (18) of the metering valve (100). movable closing element (2) which cooperates with a valve seat (4) for opening or closing an opening cross section from an inlet area (7) into a passage opening (21), characterized in that the metering valve (100) has a nozzle (1) wherein the passage opening (21) is formed, wherein the passage opening (21) merges into a deflection connection (30) and is connected to the nozzle (1), so that the gaseous medium emerging from the passage opening (21) passes through the deflection connection (30). from the longitudinal axis (18) of the metering valve (100) is deflected. Dosierventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkstutzen (30) als zumindest abschnittsweise bogenförmiges Rohrelement (300) ausgebildet ist.Dosing valve (100) after Claim 1 , characterized in that the Umlenkstutzen (30) is designed as at least partially arcuate tubular element (300). Dosierventil (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bogenförmige Rohrelement (300) das gasförmige Medium aus dem Dosierventil (100) um 90 Grad von der Längsachse (18) des Dosierventils (100) umlenkt.Dosing valve (100) after Claim 2 , characterized in that the arcuate tubular element (300) deflects the gaseous medium from the metering valve (100) by 90 degrees from the longitudinal axis (18) of the metering valve (100). Dosierventil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (300) einen Innendurchmesser D2 aufweist, der einem Durchmesser D1 der Durchlassöffnung (21) entspricht.Dosing valve (100) after Claim 1 or 2 , characterized in that the tubular element (300) has an inner diameter D 2 , which corresponds to a diameter D 1 of the passage opening (21). Dosierventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkstutzen (30) als Anformung (3000) der Durchlassöffnung (21) der Düse (1) ausgebildet ist, wobei die Anformung (3000) eine Längsachse (3001) aufweist, und wobei diese Längsachse (3001) einen Winkel α mit der Längsachse (18) des Dosierventils (100) einschließt.Dosing valve (100) after Claim 1 , characterized in that the Umlenkstutzen (30) as Anformung (3000) of the passage opening (21) of the nozzle (1) is formed, wherein the Anformung (3000) has a longitudinal axis (3001), and wherein said longitudinal axis (3001) an angle α with the longitudinal axis (18) of the metering valve (100) includes. Dosierventil (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α in einem Wertebereich zwischen 30 Grad und 90 Grad liegt.Dosing valve (100) after Claim 5 , characterized in that the angle α is in a range of values between 30 degrees and 90 degrees. Dosierventil (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anformung (3000) hohlzylinderförmig ausgebildet ist und der Durchmesser D1 der Durchlassöffnung (21) der Düse (1) einem Durchmesser D3 der Anformung (3000) entspricht.Dosing valve (100) after Claim 5 or 6 , characterized in that the Anformung (3000) is hollow cylindrical and the diameter D 1 of the passage opening (21) of the nozzle (1) corresponds to a diameter D 3 of the Anformung (3000). Dosierventil (100) nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das der Düse (1) abgewandtes Ende der Anformung (3000) konisch erweitert ist.Dosing valve (100) after Claim 5 . 6 or 7 , characterized in that the nozzle (1) facing away from the Anformung (3000) is flared. Dosierventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (4) als Flachsitz ausgebildet und zwischen dem Ventilsitz (4) und dem Schließelement (2) ein elastisches Dichtelement (3) angeordnet ist.Dosing valve (100) for controlling a gaseous medium according to one of the preceding claims, characterized in that the valve seat (4) is formed as a flat seat and between the valve seat (4) and the closing element (2) an elastic sealing element (3) is arranged. Strahlpumpeneinheit (46), umfassend ein Dosierventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Strahlpumpengehäuse (41), wobei das Strahlpumpengehäuse (41) das Ventilgehäuse (12) des Dosierventils (100) und ein Pumpengehäuse (49) umfasst, einem Mischrohrbereich (52), einem Ansaugkanal (43), einem Ansaugbereich (44) und einem Ablaufbereich (45).A jet pump unit (46) comprising a metering valve (100) according to one of the preceding claims with a jet pump housing (41), the jet pump housing (41) comprising the valve housing (12) of the metering valve (100) and a pump housing (49), 52), an intake passage (43), an intake area (44) and a drain area (45). Strahlpumpeneinheit (46) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (49) eine zumindest abschnittsweise stufenförmig und abschnittsweise konisch ausgebildete Durchgangsbohrung (42) aufweist, wobei das Dosierventil (100) mit dem Pumpengehäuse (49) fest verbunden ist, beispielsweise durch Verschraubung oder Verpressung.Jet pump unit (46) after Claim 10 , characterized in that the pump housing (49) has an at least partially stepped and partially conically formed through bore (42), wherein the metering valve (100) with the pump housing (49) is firmly connected, for example by screwing or pressing. Strahlpumpeneinheit (46) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (31) des Dosierventils (100) radial zu der Längsachse (18) des Dosierventils (100) zumindest teilweise in dem Pumpengehäuse (49) ausgebildet ist, so dass der Zulaufbereich (7) des Dosierventils (100) in der Durchgangsbohrung (42) angeordnet ist.Jet pump unit (46) after Claim 11 , characterized in that the inlet channel (31) of the metering valve (100) is formed at least partially radially in the pump housing (49) radially to the longitudinal axis (18) of the metering valve (100), so that the inlet region (7) of the metering valve (100) in the through hole (42) is arranged. Strahlpumpeneinheit (46) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkstutzen (30) so in der Durchgangsbohrung (42) des Pumpengehäuses (49) angeordnet ist, dass bei aktivem Dosierventil (100) das gasförmige Medium aus dem Dosierventil (100) über den Umlenkstutzen (30) entlang einer Längsachse (48) des Pumpengehäuses (49) in den Ansaugbereich (44) geleitet wird.Jet pump unit (46) after Claim 11 or 12 , characterized in that the Umlenkstutzen (30) in the through hole (42) of the pump housing (49) is arranged such that with active metering valve (100), the gaseous medium from the metering valve (100) via the Umlenkstutzen (30) along a longitudinal axis (48) of the pump housing (49) in the suction area (44) is passed. Brennstoffzellenanordnung mit einer Strahlpumpeneinheit (46) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 13.A fuel cell assembly having a jet pump unit (46) for controlling a hydrogen supply to a fuel cell according to any one of Claims 10 to 13 ,
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