DE102019208943A1 - Valve - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Ventil (1) mit einem Ventilschließkörper (5), der zum Verschließen oder Freigeben eines Mediumdurchlasses (2) betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb (10) verbunden ist, der eine Ventilantriebswelle (8) umfasst, die zur Betätigung des Ventils (1) um eine Drehachse (13) drehbar ist.Um das Betätigen eines Ventils (1) zu vereinfachen, ist der Verschließkörper (5) so in dem Mediumdurchlass (2) angeordnet und mit der Ventilantriebswelle (8) verbunden, dass der Ventilschließkörper (5) in dem Mediumdurchlass (2) um die Drehachse (13) der Ventilantriebswelle (8) drehbar ist.The invention relates to a valve (1) with a valve closing body (5) which, in order to close or open a medium passage (2), is operatively connected to an electromotive valve drive (10) which comprises a valve drive shaft (8) which is used to actuate the valve ( 1) is rotatable about an axis of rotation (13). In order to simplify the actuation of a valve (1), the closing element (5) is arranged in the medium passage (2) and connected to the valve drive shaft (8) that the valve closing element (5 ) is rotatable in the medium passage (2) about the axis of rotation (13) of the valve drive shaft (8).
Description
Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilschließkörper, der zum Verschließen oder Freigeben eines Mediumdurchlasses betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb verbunden ist, der eine Ventilantriebswelle umfasst, die zur Betätigung des Ventils um eine Drehachse drehbar ist.The invention relates to a valve with a valve closing body which, in order to close or open a medium passage, is operatively connected to an electromotive valve drive which comprises a valve drive shaft which is rotatable about an axis of rotation to actuate the valve.
Stand der TechnikState of the art
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, das Betätigen eines Ventils mit einem Ventilschließkörper, der zum Verschließen oder Freigeben eines Mediumdurchlasses betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb verbunden ist, der eine Ventilantriebswelle umfasst, die zur Betätigung des Ventils um eine Drehachse drehbar ist, zu vereinfachen.The object of the invention is to simplify the actuation of a valve with a valve closing body, which is operatively connected to an electromotive valve drive for closing or opening a medium passage, which valve drive comprises a valve drive shaft which can be rotated about an axis of rotation to actuate the valve.
Die Aufgabe ist bei einem Ventil mit einem Ventilschließkörper, der zum Verschließen oder Freigeben eines Mediumdurchlasses betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb verbunden ist, der eine Ventilantriebswelle umfasst, die zur Betätigung des Ventils um eine Drehachse drehbar ist, dadurch gelöst, dass der Verschließkörper so in dem Mediumdurchlass angeordnet und mit der Ventilantriebswelle verbunden ist, dass der Ventilschließkörper in dem Mediumdurchlass um die Drehachse der Ventilantriebswelle drehbar ist. Durch den Ventilschließkörper kann der Mediumdurchlass ganz oder teilweise verschlossen beziehungsweise freigegeben werden. In einer Schließstellung verschließt der Ventilschließkörper den Mediumdurchlass vollständig. In einer Öffnungsstellung gibt der Ventilschließkörper den Mediumdurchlass frei. Der Verschließkörper ist in ein und derselben Drehrichtung sowohl von der Schließstellung in die Öffnungsstellung als auch von der Öffnungsstellung in die Schließstellung drehbar. Der Mediumdurchlass ist vorzugsweise auf einer Kathodenseite in einem Brennstoffzellensystem angeordnet, wie es zum Beispiel in der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen des Ventils ohne eine Drehrichtungsumkehr des Ventilantriebs möglich ist. Dadurch können die Herstellkosten deutlich reduziert werden.A preferred exemplary embodiment of the valve is characterized in that the valve can be opened and closed without reversing the direction of rotation of the valve drive. This can significantly reduce the manufacturing costs.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper als Ventilteller ausgeführt ist. Der Ventilteller hat vorzugsweise im Wesentlichen die Gestalt einer Kreisscheibe, mit welcher der vorzugsweise im Wesentlichen ebenfalls kreisförmige Mediumdurchlass, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer entsprechenden Dichtung, auf einfache Art und Weise vollständig verschlossen werden. Die Dichtung kann am Ventilteller oder im Mediumdurchlass angebracht sein.Another preferred embodiment of the valve is characterized in that the valve closing body is designed as a valve disk. The valve disk preferably has essentially the shape of a circular disk, with which the medium passage, which is preferably also essentially circular, can be completely closed in a simple manner, possibly with the interposition of a corresponding seal. The seal can be attached to the valve disk or in the medium passage.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumdurchlass die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist. Das liefert den Vorteil, dass der vorzugsweise als Ventilteller ausgeführte Ventilschließkörper ungehindert in dem Mediumdurchlass um die Drehachse der Ventilantriebswelle verdreht werden kann, insbesondere um mehr als dreihundertsechzig Grad. Das wiederum liefert den Vorteil, dass der Mediumdurchlass durch Verdrehen der Ventilantriebswelle in nur einer Richtung um ihre Drehachse wiederholt geöffnet und verschlossen werden kann. Eine Drehrichtungsumkehr ist beim Verdrehen der Ventilantriebswelle zum Öffnen und Schließen des Ventils besonders vorteilhaft nicht notwendig.Another preferred embodiment of the valve is characterized in that the medium passage has the shape of a straight circular cylinder jacket. This provides the advantage that the valve closing body, preferably designed as a valve disk, can be rotated unhindered in the medium passage around the axis of rotation of the valve drive shaft, in particular by more than three hundred and sixty degrees. This in turn provides the advantage that the medium passage can be repeatedly opened and closed by rotating the valve drive shaft in only one direction about its axis of rotation. A reversal of the direction of rotation is particularly advantageously not necessary when rotating the valve drive shaft to open and close the valve.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Ventilantriebswelle in einem spitzen Winkel zu einer Längsachse des Mediumdurchlasses angeordnet ist. Die Längsachse des Mediumdurchlasses wird auch als Zylinderachse bezeichnet, wenn der Mediumdurchlass, wie vorab beschrieben ist, die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist. Die Drehachse der Ventilantriebswelle ist besonders vorteilhaft in einem Winkel von fünfundvierzig Grad zur Längsachse des Mediumdurchlasses angeordnet.Another preferred embodiment of the valve is characterized in that the axis of rotation of the valve drive shaft is arranged at an acute angle to a longitudinal axis of the medium passage. The longitudinal axis of the medium passage is also referred to as the cylinder axis if the medium passage, as described above, has the shape of a straight circular cylinder jacket. The axis of rotation of the valve drive shaft is particularly advantageously arranged at an angle of forty-five degrees to the longitudinal axis of the medium passage.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilkörperebene in einem spitzen Winkel zur Drehachse der Ventilantriebswelle angeordnet ist. Als Ventilkörperebene wird vorzugsweise die Ebene bezeichnet, in welcher sich der Ventilkörper, der insbesondere als Ventilteller ausgeführt ist, flächig ausbreitet. Der Winkel zwischen der Ventilkörperebene und der Drehachse der Ventilantriebswelle ist vorteilhaft genauso groß wie der Winkel zwischen der Drehachse der Ventilantriebswelle und der Längsachse des Mediumdurchlasses.Another preferred embodiment of the valve is characterized in that a valve body plane is arranged at an acute angle to the axis of rotation of the valve drive shaft. The valve body plane is preferably the plane in which the valve body, which is designed in particular as a valve disk, spreads out flat. The angle between the valve body plane and the axis of rotation of the valve drive shaft is advantageously just as large as the angle between the axis of rotation of the valve drive shaft and the longitudinal axis of the medium passage.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper an einem ersten Ende der Ventilantriebswelle angebracht ist. Das erste Ende der Ventilantriebswelle ragt vorzugsweise in den Mediumdurchlass hinein. Das erste Ende der Ventilantriebswelle ist vorzugsweise fest mit dem Ventilschließkörper verbunden. Je nach Ausführung kann der Ventilschließkörper auch einstückig mit dem ersten Ende der Ventilantriebswelle verbunden sein.Another preferred embodiment of the valve is characterized in that the valve closing body is attached to a first end of the valve drive shaft. The first end of the valve drive shaft preferably protrudes into the medium passage. The first end of the valve drive shaft is preferably firmly connected to the valve closing body. Depending on the design, the valve closing body can also be connected in one piece to the first end of the valve drive shaft.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Betätigungskörper an einem zweiten Ende der Ventilantriebswelle angebracht ist. Der Betätigungskörper ist vorzugsweise fest mit dem zweiten Ende der Ventilantriebswelle verbunden. Das zweite Ende der Ventilantriebswelle ist vorzugsweise mittig an den Betätigungskörper angebunden. Über den Betätigungskörper kann auf einfache Art und Weise eine Betätigungskraft, insbesondere eine Drehbewegung, zur Betätigung des Ventils auf die Ventilantriebswelle übertragen werden.Another preferred embodiment of the valve is characterized in that an actuating body is attached to a second end of the valve drive shaft. The actuating body is preferably firmly connected to the second end of the valve drive shaft. The second end of the valve drive shaft is preferably connected centrally to the actuating body. An actuating force, in particular a rotary movement, for actuating the valve can be transmitted to the valve drive shaft in a simple manner via the actuating body.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungskörper als Schneckenrad ausgeführt ist, das mit einer Schneckenspindel zusammenwirkt. Über die Schneckenspindel kann, vorzugsweise mit Hilfe eines Elektromotors, auf einfache Art und Weise eine Betätigungsbewegung zum Betätigen des Ventils dargestellt werden.Another preferred embodiment of the valve is characterized in that the actuating body is designed as a worm wheel which interacts with a worm spindle. An actuating movement for actuating the valve can be represented in a simple manner via the worm spindle, preferably with the aid of an electric motor.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Betätigungskörper eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, die einen Betätigungswinkel oder Betätigungsweg des Betätigungskörpers erfasst. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist dem Ventilschließkörper eine Sensoreinrichtung zugeordnet, die einen Schließwinkel oder Schließweg des Ventilschließkörpers erfasst. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Ventilantriebswelle eine Sensoreinrichtung zugeordnet, die einen Betätigungswinkel oder Betätigungsweg der Ventilantriebswelle erfasst. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist einem Elektromotor des elektromotorischen Ventilantriebs eine Sensoreinrichtung zugeordnet, die einen Betätigungswinkel oder Betätigungsweg des Elektromotors, insbesondere einer Motorwelle des Elektromotors, erfasst. Die Sensoreinrichtung kann nach gängigen Messprinzipien arbeiten. Zur Bestimmung des Weges, insbesondere der Winkellage, kann zum Beispiel ein Potenziometer verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Betätigungsweg, insbesondere die Winkellage, induktiv oder optisch erfasst werden.Another preferred embodiment of the valve is characterized in that the actuating body is assigned a sensor device which detects an actuating angle or actuating path of the actuating body. According to a further exemplary embodiment, the valve closing body is assigned a sensor device which detects a closing angle or closing path of the valve closing body. According to a further exemplary embodiment, the valve drive shaft is assigned a sensor device which detects an actuation angle or actuation path of the valve drive shaft. According to a further exemplary embodiment, an electric motor of the electric motor valve drive is assigned a sensor device which detects an actuation angle or actuation travel of the electric motor, in particular a motor shaft of the electric motor. The sensor device can work according to common measuring principles. A potentiometer, for example, can be used to determine the path, in particular the angular position. Alternatively or additionally, the actuation path, in particular the angular position, can be detected inductively or optically.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Betätigen eines vorab beschriebenen Ventils.The invention optionally also relates to a method for actuating a valve described above.
Neben der vorab beschriebenen Funktion als Kathodenventil, insbesondere als Kathoden-Blockierventil, kann das vorgeschlagene Ventil auch zur Druckregelung und/oder als Bypassventil verwendet werden.In addition to the previously described function as a cathode valve, in particular as a cathode blocking valve, the proposed valve can also be used for pressure regulation and / or as a bypass valve.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einem vorab beschriebenen Ventil. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich zum Beispiel um ein Brennstoffzellensystem wie es in der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift
Bei Brennstoffzellen ist es üblich, im Stillstand die Kathodenseite mit Hilfe von Ventilen zu verschließen. Hierdurch soll verhindert werden, dass Sauerstoff aus der Umgebung über die Membran von der Kathode auf die Anode diffundiert. Je nachdem, ob und wenn ja, wie viele Ventile zum Einsatz kommen, kann dieser Prozess Stunden bis Tage dauern. Sobald sich Luft auf der Anode der Brennstoffzelle befindet, spricht man beim Wiederstart von einen Luft/Luft Start. Hierbei entstehen sehr hohe elektrische Potenzialunterschiede in der Brennstoffzelle. Diese führen zu einer großen Alterung an den Brennstoffzellen-Katalysatoren. Daher werden die Ventile mit dem Ziel verwendet, die Anzahl der Luft/Luft Starts über die Lebensdauer möglichst gering zu halten. Dieses gelingt vorzugsweise, wenn sich ein Ventil am Kathodeneingang und ein weiteres am Kathodenausgang der Brennstoffzelle befindet. Allerdings gibt es auch Spezialfälle, die nur sehr selten vorkommen, bei denen ein Luft/Luft Start gewünscht ist. In diesen Fällen werden die hohen Potenzialunterschiede dafür genutzt, um Vergiftungen durch zum Beispiel Kohlenstoffmonoxid der in der Brennstoffzelle befindlichen Katalysatoren rückgängig zu machen. Der Stand der Technik dokumentiert eine Fülle unterschiedlicher Ventile um diese Aufgabe zu lösen.In the case of fuel cells, it is usual to close the cathode side with the aid of valves when the vehicle is stationary close. This is to prevent oxygen from the environment from diffusing from the cathode to the anode via the membrane. Depending on whether and, if so, how many valves are used, this process can take hours to days. As soon as there is air on the anode of the fuel cell, it is called an air / air start when restarting. This creates very high electrical potential differences in the fuel cell. These lead to great aging of the fuel cell catalysts. Therefore, the valves are used with the aim of keeping the number of air / air starts as low as possible over their service life. This is preferably achieved if one valve is located at the cathode inlet and another is located at the cathode outlet of the fuel cell. However, there are also special cases, which only occur very rarely, in which an air / air start is desired. In these cases, the high potential differences are used to reverse poisoning caused by, for example, carbon monoxide in the catalysts in the fuel cell. The state of the art documents an abundance of different valves to solve this problem.
Für den Antrieb solcher Ventile, die auch Kathodenventile genannt werden, können drei unterschiedliche Prinzipien verwendet werden.Three different principles can be used to drive such valves, which are also called cathode valves.
Passive Ventile werden über einen Druckunterschied betätigt. Der hierfür notwendige Druckunterschied bewirkt einen zusätzlichen Druckabfall auf der Kathodenseite und muss vom Luftmodul der Brennstoffzelle überwunden werden. Bei sogenannten Gefrierstarts besteht die Gefahr, dass der durch das Luftmodul zu erzeugende Druckunterschied nicht ausreicht, um ein festgefrorenes Ventil zu öffnen. Wenn ausnahmsweise ein Luft/Luft Start gewünscht ist, gibt es keine Möglichkeit, die Ventile direkt anzusteuern.Passive valves are operated via a pressure difference. The pressure difference required for this causes an additional pressure drop on the cathode side and must be overcome by the air module of the fuel cell. With so-called freezing starts, there is a risk that the pressure difference to be generated by the air module will not be sufficient to open a frozen valve. If, as an exception, an air / air start is required, there is no way to control the valves directly.
Ventile, die elektrisch geöffnet oder geschlossen werden, haben in der Regel eine Position, die sich im stromlosen Zustand einstellt. Um Luft/Luft Starts zu verhindern, sollten die Ventile vorzugsweise stromlos geschlossen sein. Im seltenen Fall, dass ein Luft/Luft Start gewünscht ist, müssen die Ventile dann aktiv mit Strom offengehalten werden.Valves that are electrically opened or closed usually have a position that occurs when the power is off. To prevent air / air starts, the valves should preferably be closed when de-energized. In the rare case that an air / air start is desired, the valves must then be actively kept open with electricity.
Bei Ventilen mit einem Spindel- beziehungsweise Schneckenantrieb, der von einem Gleichstrom-Elektromotor angetrieben wird, muss zum Öffnen und Schließen die Drehrichtung des Motors geändert werden. Um eine Drehrichtungsänderung zu ermöglichen, benötigt das Steuergerät, welches das Ventil ansteuert, eine sogenannte H-Brücke. Mit Hilfe dieser H-Brücke ist es möglich, die Drehrichtung des Elektromotors durch Umpolen des Stromflusses umzukehren. Eine H-Brücke erhöht die Kosten im Steuergerät. Das beanspruchte Ventil kann stromlos sowohl in der offenen als auch in der geschlossenen Position gehalten werden.In the case of valves with a spindle or worm drive that is driven by a direct current electric motor, the direction of rotation of the motor must be changed to open and close. To enable a change in the direction of rotation, the control unit that controls the valve needs a so-called H-bridge. With the help of this H-bridge it is possible to reverse the direction of rotation of the electric motor by reversing the polarity of the current flow. An H-bridge increases the costs in the control unit. The claimed valve can be held in the de-energized state both in the open and in the closed position.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ventils mit einem Ventilschließkörper, der zum Verschließen oder Freigeben eines Mediumdurchlasses betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb verbunden ist, im Längsschnitt; -
2 das Ventil aus 1 in einer Seitenansicht; und die -
3 bis 6 Darstellungen des Ventilschließkörpers mit einer Ventilantriebswelle des elektromotorischen Ventilantriebs in vier verschiedenen Stellungen.
-
1 a schematic representation of a valve with a valve closing body, which is operatively connected to an electromotive valve drive for closing or opening a medium passage, in longitudinal section; -
2 the valve off1 in a side view; and the -
3 to6th Representations of the valve closing body with a valve drive shaft of the electromotive valve drive in four different positions.
Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments
In den
Das Ventil
An dem Ventilteller
Die Ventilantriebswelle
Der Ventilschließkörper
Die Drehachse
Der Elektromotor
In den
In
In
In
Zur Bestimmung der Winkellage der Ventilantriebswelle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102017204253 A1 [0002]DE 102017204253 A1 [0002]
- DE 102011087912 A1 [0002, 0004, 0016]DE 102011087912 A1 [0002, 0004, 0016]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |