-
Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, wie sie insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung Verwendung findet, insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung für die Zuführung von Gas zu einer Brennstoffzelle.
-
Stand der Technik
-
Brennstoffzellen sind Vorrichtungen, die aus gasförmigem Sauerstoff und Wasserstoff unter Synthese von Wasser elektrische Spannung erzeugen und damit zur Versorgung verschiedener Verbraucher mit elektrischer Energie Verwendung finden können, beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Der Brennstoffzelle muss dabei auf der Kathodenseite und auf der Anodenseite jeweils getrennt das entsprechende Gas zugeführt werden, wobei entweder reiner Wasserstoff bzw. Sauerstoff zum Einsatz kommt oder Gasgemische, die Wasserstoff bzw. Sauerstoff enthalten. In der Gaszuführung für Sauerstoff bzw. das sauerstoffhaltige Gas ist ein Absperrventil vorgesehen, damit die Brennstoffzelle von der Zuführung von weiterem Sauerstoff abgeschnitten wird, wenn diese nicht in Betrieb ist und die Synthese von Wasser innerhalb der Brennstoffzelle zum Erliegen kommt. Zur Steuerung dieses Gasstroms sind Ventile aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise zeigt die
DE 10 2016 224 273 A1 ein Ventil zur Steuerung eines Gasstroms, das mittels eines elektromagnetischen Aktors gesteuert wird. Der elektromagnetische Aktor bewegt dabei ein Ventilelement zum Öffnen und Schließen eines Durchströmungsquerschnitts, das mit einem Dichtsitz zusammenwirkt.
-
Zur Führung und Abdichtung im Bereich des Ventils sind verschiedene Vorrichtungen und Maßnahmen aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise die Verwendung einer Membran. So ist aus der
DE 10 2006 061 690 A1 ein Druckhalteventil bekannt, bei dem eine Membran einerseits zur Abdichtung und andererseits zur Führung des eigentlichen Ventilelements dient. Der Einsatz einer solchen Membran ist jedoch nicht unproblematisch, da die Elastizität der Membran zum einen beschränkt ist, was insbesondere bei einem Ventil von Nachteil ist, das einen großen Strömungsquerschnitt öffnen und schließen soll und einen entsprechend großen Hub des Ventilelements aufweist. Zum anderen darf die Membran nicht mit einer zu hohen Druckdifferenz belastet werden, da dies zu einer zu großen mechanischen Belastung und damit zum Versagen des Membranelements führen kann.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung zur Steuerung einer Gasströmung, insbesondere einer Gasströmung zu einer Brennstoffzelle, weist den Vorteil auf, dass sich das Ventilelement über einen großen Hub bewegen lässt bei gleichzeitig guten Abdichtungsmöglichkeiten, die den Erfordernissen angepasst werden können. Dazu weist die Ventilvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung und ein die beiden Öffnungen verbindender Strömungskanal ausgebildet sind. Innerhalb des Gehäuse ist ein Ventilelement beweglich angeordnet, an dem eine erste Dichtfläche ausgebildet ist, mit der das Ventilelement in einer Schließstellung an einem ersten Ventilsitz anliegt, wobei das Ventilelement in dieser Schließstellung den Strömungskanal verschließt. Weiter ist ein Betätigungselement vorhanden, welches durch eine Aussparung im Gehäuse greift und durch welches das Ventilelement bewegbar ist. Dabei umfasst das Betätigungselement eine drehbare gelagerte Welle, die ein Außen- oder Innengewinde aufweist, das in ein entsprechendes Außen- oder Innengewinde im Ventilelement eingreift und dieses dadurch bewegen kann.
-
Da Schraubgewinde in praktisch beliebiger Höhe herstellbar sind, lassen sich große Hübe des Ventilelements einfach realisieren. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn große Gasströme unter einer relativ geringen Druckdifferenz einer Brennstoffzelle zugeführt werden sollen. Die Welle wird vorzugsweise mittels eines elektrischen Antriebs gedreht und das Ventilelement dadurch geöffnet und geschlossen.
-
Am Ventilelement ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung eine zweite Dichtfläche ausgebildet, mit der das Ventilelement mit einem zweiten Ventilsitz zur Abdichtung der Aussparung gegenüber dem Strömungskanal zusammenwirkt. Durch die Ausbildung der zweiten Dichtfläche, die die Aussparung im Gehäuse abdichtet, kann das Ventil bzw. die Ventilvorrichtung in seiner bzw. in ihrer Öffnungsstellung die Aussparung und damit die Öffnung des Gehäuses zur Außenseite wirksam abdichten. Eine solche Aussparung mit einer Durchführung, die notwendig ist, um das Ventilelement innerhalb des Strömungskanals zu bewegen, lässt sich sonst nur mit relativ großem Aufwand abdichten. Durch die Verwendung eines Ventilelements zur Abdichtung dieser Aussparung ergibt sich eine ausreichende Dichtheit des Ventils bzw. der Ventilvorrichtung, insbesondere in den Betriebszuständen, in denen im Strömungskanal ein relativ hoher Druck anliegt. Wird die Ventilvorrichtung jedoch geschlossen, so ergibt sich keine weitere Strömung des Gases innerhalb des Strömungskanals, und der Druck ist - insbesondere in einer Zuleitung zu einer Brennstoffzelle - relativ moderat, so dass die dann noch notwendige Abdichtung der Aussparung über andere Maßnahmen problemlos erreichbar ist.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Ventilelement einen Ventilteller, an dem der erste Dichtsitz ausgebildet ist. Dadurch lässt sich ebenfalls in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung am Ventilteller auch der zweite Dichtsitz ausbilden, der auf der dem ersten Dichtsitz gegenüberliegenden Seite des Ventiltellers ausgebildet ist. Ein Ventilelement kann so in einfacher Weise ausbildet sein und beide Dichtsitze umfassen, die die gewünschte Dichtfunktion übernehmen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist am Ventilteller ein elastisches Dichtelement angeordnet, das den äußeren Rand des Ventiltellers umgreift und die erste und die zweite Dichtfläche ausbildet. Ein solches Dichtelement lässt sich einfach herstellen und das elastische Dichtelement an die gewünschten Anforderungen anpassen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Gehäuse eine Überdruckleitung ausgebildet mit einem darin angeordneten Rückschlagventil, das innerhalb des zweiten Ventilsitzes in den Strömungskanal mündet. Eine solche Überdruckleitung erlaubt einen eventuell vorhandenen Gasüberdruck innerhalb des zweiten Ventilsitzes abzuführen, also innerhalb des Ventilsitzes, der die Aussparung abdichtet. Über die Vorspannung des Überdruckventils kann der Druck eingestellt werden, bei dem die Überdruckleitung öffnet.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Ventilelement einen Schaftabschnitt auf, mit dem es in einer Bohrung des Gehäuses geführt ist. Am Schaftabschnitt lässt sich darüber hinaus in vorteilhafter Weise ein Dichtring anordnen, der mit der Innenwand der Bohrung eine Dichtung bildet. Durch den Schaftabschnitt lässt sich das Ventilelement in einfacher Art und Weise führen und erleichtert die Ausbildung der Dichtung, die auch einer Abdichtung der Aussparung dient.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Ventilelement eine Längsachse auf und eine Verdrehsicherung, die eine Drehung des Ventilelements um seine Längsachse blockiert. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Betätigungselement durch seine Rotation eine Bewegung des Ventilelements herbeiführt und auf die Weise verhindert wird, dass das Ventilelement sich innerhalb des Strömungskanals dreht.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Verdrehsicherung umfasst diese einen Führungsstift, der in einer Nut in Längsrichtung des Ventilelements geführt ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Ventilelement zur Ausbildung der Verdrehsicherung auch dadurch ausgezeichnet sein, dass es mit einer Abflachung in eine Führungsfläche des Gehäuses eingreift und so eine Drehung um die Längsachse des Ventilelements blockiert wird, was ebenfalls zu einer Verdrehsicherung führt.
-
Figurenliste
-
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung dargestellt. Es zeigt die
- 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung,
- 2 einen Querschnitt durch eine alternative Ausgestaltung des Ventilelements,
- 3 eine Draufsicht auf die Ventilvorrichtung mit einer weiteren Ausgestaltung des Ventilelements,
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Längsschnitt, analog zu der Darstellung in 1, und
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in gleicher Darstellung wie 4.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung im Längsschnitt dargestellt, die zur Steuerung eines Gasstromes, beispielsweise zur Zuführung von Gas zu einer Brennstoffzelle, dient. Die Ventilvorrichtung umfasst dabei ein Gehäuse 1, in dem ein Strömungskanal 2 ausgebildet ist. Der Strömungskanal 2 verbindet eine Einlassöffnung 4 mit einer Auslassöffnung 5 und ist dazu ausgebildet, den Strömungskanal zu öffnen und zu schließen. Dazu ist im Gehäuse 1 ein Ventilelement 7 angeordnet, das einen Ventilteller 8 umfasst. Am Ventilteller 8 ist ein Dichtring 40 angeordnet, der eine erste Dichtfläche 18 ausbildet. Das Ventilelement 7 bzw. der Ventilteller 8 wirkt mit der ersten Dichtfläche 18 mit einem ersten Ventilsitz 19 zusammen, der im Gehäuse 1 ausgebildet ist, so dass bei Anlage des Ventiltellers 8 auf dem ersten Ventilsitz 19 die Verbindung der Einlassöffnung 4 mit der Auslassöffnung 5 unterbrochen wird. Zur Bewegung des scheibenförmigen Ventiltellers 8 bzw. des Ventilelements 7 dient ein Betätigungselement 10. Das Betätigungselement 10 umfasst eine Welle 11, die drehbar innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet ist. Dabei durchgreift die Welle 11 eine Aussparung 3, die im Gehäuse 1 ausgebildet ist und reicht bis zu einem elektrischen Antrieb 12, der an der Außenseite des Gehäuses 1 angeordnet ist. Der elektrische Antrieb 12 ist dabei beispielsweise ein Elektromotor oder ein Schrittmotor und dazu ausgebildet, die Welle 11 um ihre Längsachse 16 zu drehen. Die Welle 11 weist an ihrem dem Ventilelement 7 zugewandten Endbereich ein Außengewinde 14 auf, mit dem die Welle 11 in ein Innengewinde 13 am Ventilelement 7 eingreift, so dass sich die Welle 11 durch ein Drehen mittels des elektrischen Antriebs 12 in das Ventilelement 7 einschraubt bzw. aus diesem herausbewegt und dadurch das Ventilelement 7 innerhalb des Strömungskanals 2 bewegt.
-
Um zu verhindern, dass sich das Ventilelement 7 innerhalb des Gehäuses 1 durch die Drehung der Welle 11 mit dreht, ist eine Verdrehsicherung 22 vorgesehen. Die Verdrehsicherung 22 umfasst einen Führungsstift 23, der an der Außenseite des scheibenförmigen Ventiltellers 8 angeordnet ist. Der Führungsstift 23 greift dabei in eine Längsnut 24 ein, die an der Innenseite des Gehäuses 1 ausgebildet ist und in Richtung der Längsachse 16 weist.
-
Zur Abdichtung der Aussparung 3, d.h. um zu verhindern, dass Gas aus dem Strömungskanal 2 zwischen der Welle 11 und der Aussparung 3 in den Bereich des elektrischen Antriebs 12 bzw. bis an die Außenseite des Gehäuses 1 austritt, ist an der Aussparung 3 ein Kolbendichtring 15 vorgesehen. Da die Welle 11 drehbar gelagert ist und so ein gewisses Spiel zwischen der Kolbendichtung 15 und der Welle 11 vorhanden sein muss, dichtet der Kolbendichtring 15 nicht völlig gasdicht. Zur Abdichtung der Aussparung 3 dient, wenn die Ventilvorrichtung offen ist, eine weitere, zweite Dichtfläche 20, die an der der ersten Dichtfläche 18 gegenüberliegenden Seite des Ventiltellers 8 ausgebildet ist. Die zweite Dichtfläche 20 ist ebenfalls an einen zweiten Dichtring 42 gebildet und wirkt mit einem im Gehäuse ausgebildeten zweiten Ventilsitz 21 zusammen. Wird das Ventilelement 7 durch Drehung der Welle 11 vom ersten Ventilsitz 19 wegbewegt, bis das Ventilelement 7 mit der zweiten Dichtfläche 20 am zweiten Ventilsitz 21 anliegt, so wird durch das Ventilelement 7 die Aussparung 3 vollständig gegen den Strömungskanal 2 verschlossen, so dass kein Gas aus dem Strömungskanal 2 über die Aussparung 3 in den Bereich des elektrischen Antriebs 12 und weiter an die Außenseite des Gehäuses 1 gelangen kann.
-
Zur Absicherung ist weiterhin eine Überdruckleitung 27 im Gehäuse 1 ausgebildet, die in den Raum, der innerhalb des zweiten Ventilsitzes 21 durch das Ventilelement 7 in seiner Öffnungsstellung begrenzt wird, mündet. Im Überdruckkanal 27 ist darüber hinaus ein Rückschlagventil 28 vorgesehen, das eine Gasströmung ausschließlich von der Innenseite des zweiten Ventilsitzes 21 hinaus ermöglicht. Durch den zweiten Dichtring 42 wird ein Raum zwischen dem Ventilelement 7 und dem Gehäuse 1 abgedichtet, der sich beim Schließen des zweiten Dichtsitzes 20 durch die elastische Verformung des zweiten Dichtrings 42 verkleinert. Dadurch entsteht eine Pumpwirkung, durch die die Kolbendichtung 15 undicht wird und das Gas und damit evt. auch Wasser in Richtung des elektrischen Antriebs 12 drückt. Durch die Überdruckleitung 27 mit dem Rückschlagventil 28 wird dies verhindert. Ist die Pumpwirkung nur gering, so kann die Überdruckleitung 27 auch entfallen.
-
2 zeigt in einem Querschnitt eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventilelements 7. Statt zweier getrennter Dichtringe, wie in 1 in Form des ersten Dichtrings 40 und des zweiten Dichtrings 42, ist hier ein elastisches Dichtelement 25 vorgesehen, das den Außenrand des Ventiltellers 8 umgreift und sowohl die erste Dichtfläche 18 als auch die zweite Dichtfläche 20 ausbildet. Ein solches Dichtelement 25 ist relativ einfach zu fertigen und lässt sich auf dem Ventilteller 8 auch ohne eine Klebe- oder sonstige formschlüssige Verbindung fixieren.
-
In 3 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventiltellers 7 dargestellt in einer Draufsicht der Ventilteller 8. Dieser ist hier nicht rotationssymmetrisch ausgebildet, sondern weist auf einer Seite eine Abflachung 30 auf. Diese Abflachung 30 ergreift in eine Führungsfläche 31 an der Innenseite des Gehäuses 1 ein und bildet dadurch eine Verdrehsicherung, die damit ohne einen Führungsstift in einer entsprechenden Nut auskommt.
-
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung. Das Ventilelement 7 weist hier einen Schaftabschnitt 9 auf, der in einer Bohrung 32 des Gehäuses 1 aufgenommen ist, wobei die Bohrung 32 auch die Aussparung 3 bildet. Zur Abdichtung ist hier ein Dichtring 33 am Schaftabschnitt 9 vorgesehen, der mit der Innenwand der Bohrung 32 zusammenwirkt und so eine weitgehende Dichtung erreicht, unabhängig von der Längsposition des Ventilelements 7 innerhalb des Gehäuses 1. Innerhalb des Schaftabschnitts 9 ist auch das Innengewinde 13 ausgebildet, in das das Außengewinde 14 der Welle 11 eingreift.
-
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung dargestellt in der gleichen Darstellung wie in 4. Zur Führung des Ventilelements 7 ist hier eine zylindrische Anformung 35 an der Innenseite des Gehäuses 1 vorgesehen, die in den Strömungskanal 2 hineinragt. Das Ventilelement 7 umgreift mit dem Ventilteller 8 die zylindrische Anformung 35, wobei an der Innenseite des Ventiltellers 8 ein Dichtring 33' vorgesehen ist, der eine Abdichtung zur zylindrischen Anformung 35 bewirkt und damit die gleiche Funktionalität wie die Kolbendichtung 15 aufweist. Die Bewegung des Ventilelements 7 erfolgt in gleicher Weise wie bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel.
-
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 102016224273 A1 [0002]
- DE 102006061690 A1 [0003]
