DE102021208249A1 - Solenoid valve and hydrogen tank system with solenoid valve - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil (1), insbesondere Absperrventil für Wasserstofftanksysteme, umfassend einen in einem Ankerraum (2) aufgenommenen Magnetanker (3) sowie eine den Magnetanker (3) zumindest abschnittsweise umgebende Magnetspule (4), wobei der Magnetanker (3) über eine den Ankerraum (2) begrenzende ferromagnetische Hülse (5) hubbeweglich geführt ist. Erfindungsgemäß weist der Magnetanker (3) zur Ausbildung eines definierten radialen Luftspalts (6) radial vorstehende steg- und/oder stiftartige Führungselemente (7) auf.Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil (1).The invention relates to a solenoid valve (1), in particular a shut-off valve for hydrogen tank systems, comprising a magnet armature (3) accommodated in an armature chamber (2) and a magnet coil (4) surrounding the magnet armature (3) at least in sections, the magnet armature (3) having a the armature space (2) delimiting ferromagnetic sleeve (5) is guided in a lifting manner. According to the invention, the magnet armature (3) has radially projecting web and/or pin-like guide elements (7) to form a defined radial air gap (6). The invention also relates to a hydrogen tank system with a magnet valve (1) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil, insbesondere ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme. Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil als Absperrventil.The invention relates to a solenoid valve, in particular a shut-off valve for hydrogen tank systems. Furthermore, the invention relates to a hydrogen tank system with a solenoid valve according to the invention as a shut-off valve.

Stand der TechnikState of the art

Bei Magnetventilen mit großen Hüben, wie dies beispielsweise bei Absperrventilen für Wasserstofftanksysteme der Fall ist, kommen üblicherweise Magnetaktoren mit Tauchanker zum Einsatz. Denn bei diesen geht die Magnetkraft mit zunehmendem Abstand zwischen Anker und dessen feststehendem Anschlag weniger stark zurück als bei Flachankerkonstruktionen.In the case of solenoid valves with large strokes, as is the case, for example, with shut-off valves for hydrogen tank systems, solenoid actuators with plunger plungers are usually used. Because with these, the magnetic force decreases less with increasing distance between the armature and its fixed stop than with flat armature designs.

Aus der DE 10 2018 221 602 A1 geht beispielhaft eine Tankvorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff mit einer elektromagnetisch betätigbaren Ventileinrichtung hervor, die ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes bewegliches Ventilelement zum Öffnen und Schließen einer Auslassöffnung aufweist. Das Ventilelement ist in Richtung des Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt, so dass bei unbestromter Magnetspule die Ventileinrichtung geschlossen ist. In Offenstellung gibt das Ventilelement eine Auslassöffnung mit einem Durchmesser sowie einen hieran anschließenden Durchlasskanal frei. Das Ventilelement bildet zugleich einen Magnetanker aus oder ist mit einem Magnetanker verbunden, der nach dem Tauchankerprinzip arbeitet. Wird die Magnetspule bestromt, bildet sich ein die Spule umschließendes Magnetfeld aus, dessen Feldlinien sich über einen Polkörper, ein Ventilgehäuse und den Magnetanker erstrecken. In der DE 10 2018 221 602 A1 sind die Außenhülse und der Innenpol im Polkörper einstückig ausgeführt. Der Polkörper beinhaltet sowohl einen hülsenförmigen Abschnitt, der die Magnetspule außen umschließt und so das Magnetfeld außerhalb der Magnetspule führt als auch einen Deckelabschnitt, der das Magnetventil oberhalb des Magnetankers abschließt und so den Innenpol und gleichzeitig den Hubanschlag für den Magnetanker ausbildet. Die Feldlinien verlaufen dabei über einen axialen Luftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Deckelabschnitt des Polkörpers, so dass im Luftspalt eine Kraft entsteht, die den Magnetanker bzw. das Ventilelement gegen die Federkraft der Feder aus dem Dichtsitz erhebt und axial in Richtung des Polkörpers bewegt.From the DE 10 2018 221 602 A1 discloses, by way of example, a tank device for storing hydrogen with an electromagnetically actuable valve device which has a movable valve element which interacts with a valve seat for opening and closing an outlet opening. The valve element is acted upon by the spring force of a spring in the direction of the valve seat, so that the valve device is closed when the magnet coil is de-energized. In the open position, the valve element releases an outlet opening with a diameter and a through-channel adjoining it. At the same time, the valve element forms a magnet armature or is connected to a magnet armature that works according to the plunger principle. If the magnetic coil is energized, a magnetic field is formed which encloses the coil and whose field lines extend over a pole body, a valve housing and the magnet armature. In the DE 10 2018 221 602 A1 the outer sleeve and the inner pole are made in one piece in the pole body. The pole body includes both a sleeve-shaped section, which encloses the magnetic coil on the outside and thus guides the magnetic field outside of the magnetic coil, and a cover section, which closes the magnetic valve above the magnet armature and thus forms the inner pole and at the same time the stroke stop for the magnet armature. The field lines run across an axial air gap between the magnet armature and the cover section of the pole body, so that a force is generated in the air gap that lifts the magnet armature or the valve element out of the sealing seat against the spring force of the spring and moves it axially in the direction of the pole body.

Bei der Ventileinrichtung der DE 10 2018 221 602 A1 bewegt sich der Magnetanker bzw. das Ventilelement in Wasserstoff. Das heißt, dass der Magnetanker von einem anderen Medium als Luft umgeben ist, so dass der den Magnetanker aufnehmende Ankerraum gegenüber dem Spulenraum, in dem die Magnetspule aufgenommen ist, abgedichtet werden muss. Auch hier bietet die Tauchankerkonstruktion Vorteile, da beispielsweise - wie in der DE 10 2018 221 602 A1 ausgeführt - ein hülsenförmiger Abschnitt des Ventilgehäuses zur Abdichtung genutzt werden kann. Dieser Abschnitt bildet zugleich den Außenpol und dient der Führung des Magnetankers. Alternativ kann eine separate Hülse zur Abdichtung sowie zur Führung des Magnetankers eingesetzt werden. Diese ist dann üblicherweise aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt, da sie andernfalls einen den Luftspalt überbrückenden Bypass für das Magnetfeld ausbildet. Die Magnetkraft wäre demnach stark reduziert. Bei Verwendung einer Hülse aus einem nichtmagnetischen Material kann die Hülse als radialer Luftspalt für das Magnetfeld betrachtet werden, der auch dann noch besteht, wenn der Magnetanker in seiner oberen Ruheposition am Außenpolkörper anliegt. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass ein magnetisches Kleben des Magnetankers sowohl am Außenpol als auch an seinem Hubanschlag vermieden wird. Zudem werden auf den Magnetanker aufgrund von Asymmetrien wirkende Querkräfte so deutlich reduziert.When setting up the valve DE 10 2018 221 602 A1 the magnet armature or the valve element moves in hydrogen. This means that the magnet armature is surrounded by a medium other than air, so that the armature space accommodating the magnet armature must be sealed off from the coil space in which the magnet coil is accommodated. Here, too, the plunger construction offers advantages, for example - as in the DE 10 2018 221 602 A1 executed - a sleeve-shaped section of the valve housing can be used for sealing. This section also forms the outer pole and is used to guide the magnet armature. Alternatively, a separate sleeve can be used to seal and guide the magnet armature. This is then usually made of a non-magnetic material, since otherwise it forms a bypass for the magnetic field that bridges the air gap. The magnetic force would therefore be greatly reduced. When using a sleeve made of a non-magnetic material, the sleeve can be regarded as a radial air gap for the magnetic field, which still exists when the magnet armature rests against the outer pole body in its upper rest position. This has the advantage that magnetic sticking of the magnet armature is avoided both on the outer pole and on its stroke stop. In addition, lateral forces acting on the magnet armature due to asymmetries are significantly reduced.

Die Realisierung der Abdichtung und Führung über eine separate, nicht magnetische Hülse erweist sich jedoch als problematisch, wenn im Ankerraum hohe Drücke herrschen. In diesem Fall muss die Wandstärke der Hülse so ausgelegt sein, dass sie den dadurch auf sie ausgeübten Kräften standhält. Die Hülse muss daher eine entsprechend hohe Wandstärke aufweisen. Mit der Wandstärke der Hülse steigt auch der von dem Magnetfeld zu überbrückende radiale Luftspalt, den die Hülse darstellt. Entsprechend erhöht sich der Strombedarf zur Erzeugung des Magnetfelds. Um dieses Problem zu lösen, kann die Hülse aus einem ferromagnetischen Material hergestellt werden, wobei dann zwischen der Hülse und dem Außenpolkörper zur magnetischen Trennung eine Scheibe aus einem nichtmagnetischen Material eingelegt wird. Diese Scheibe muss sich axial auf Höhe des Luftspalts zwischen dem Magnetanker und dem Außenpolkörper befinden, so dass das Magnetfeld diesen Luftspalt nicht über einen ferromagnetischen Hülsenabschnitt umgehen kann. Dient ein hülsenförmiger Abschnitt des Ventilgehäuses der Abdichtung und Führung sowie der Ausbildung des Außenpols, kann - wie beispielhaft in der DE 10 2018 221 602 A1 dargestellt - analog verfahren werden. Der mit dieser Lösung einhergehende Nachteil besteht jedoch darin, dass es in Ermangelung eines Luftspalts im angezogenen Zustand des Magnetankers zu einem massiven magnetischen Kleben des Magnetankers am Außenpolkörper sowie am Hubanschlag kommen kann. Ferner können selbst bei leichter Desachsierung des Magnetankers innerhalb seines Führungsspiels Querkräfte auf den Magnetanker wirken, die zu nennenswerten Reibungskräften und damit Verschleiß im Führungsbereich führen. Der Versuch, den radialen Luftspalt durch ein größeres Führungsspiel zwischen dem Magnetanker und der Hülse zu realisieren, führt nur zu einer noch größeren Desachsierung des Magnetankers und damit zu noch größeren Reibkräften im Führungsbereich.However, the realization of the sealing and guidance via a separate, non-magnetic sleeve proves to be problematic when high pressures prevail in the armature space. In this case, the wall thickness of the sleeve must be designed to withstand the forces thereby exerted on it. The sleeve must therefore have a correspondingly high wall thickness. With the wall thickness of the sleeve, the radial air gap to be bridged by the magnetic field, which the sleeve represents, also increases. The power requirement for generating the magnetic field increases accordingly. In order to solve this problem, the sleeve can be made of a ferromagnetic material, and then a disc of a non-magnetic material is inserted between the sleeve and the outer pole body for magnetic separation. This disc must be located axially at the level of the air gap between the magnet armature and the outer pole body, so that the magnetic field cannot bypass this air gap via a ferromagnetic sleeve section. If a sleeve-shaped section of the valve housing is used for sealing and guiding as well as for forming the outer pole, it can - as exemplified in DE 10 2018 221 602 A1 shown - proceed analogously. However, the disadvantage associated with this solution is that in the absence of an air gap when the magnet armature is in the attracted state, massive magnetic sticking of the magnet armature to the outer pole body and to the stroke stop can occur. Furthermore, even with a slight misalignment of the magnet armature within its leadership game cross Forces act on the magnet armature that lead to significant frictional forces and thus wear in the guide area. The attempt to realize the radial air gap through a larger guide play between the magnet armature and the sleeve only leads to an even greater offset of the magnet armature and thus to even greater frictional forces in the guide area.

Eine bekannte Möglichkeit zur Reduzierung dieser Probleme ist das Einlegen einer dünnen, nichtmagnetischen Scheibe zwischen dem Magnetanker und dem Innenpol, die auch im angezogenen Zustand einen Restluftspalt gewährleistet. Auch kann die Geometrie des Hubanschlags so ausgelegt werden, dass ein mechanischer Kontakt zwischen dem Magnetanker und dem Innenpol nur auf einem sehr kleinen Teil der Innenpolfläche zustande kommt. Diese Lösungen haben aber jeweils den Nachteil, dass die Anschlagfläche zwischen dem Magnetanker und dem Innenpol sehr anfällig für Verschleiß wird, weil entweder der Anschlag an einem weichen zusätzlichen Bauteil erfolgt oder an einer stark reduzierten Anschlagfläche.A known way to reduce these problems is to insert a thin, non-magnetic disc between the magnet armature and the inner pole, which ensures a residual air gap even when attracted. The geometry of the stroke stop can also be designed in such a way that mechanical contact between the magnet armature and the inner pole only occurs on a very small part of the inner pole surface. However, these solutions each have the disadvantage that the contact surface between the magnet armature and the inner pole is very susceptible to wear, because either the contact takes place on a soft additional component or on a greatly reduced contact surface.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, hier Abhilfe zu schaffen, ohne die oben erwähnten Nachteile hervorzurufen. Insbesondere soll ein Magnetventil mit einem hubbeweglichen Magnetanker angegeben werden, der optimal geführt ist und nicht zum magnetischen Kleben neigt. Das Magnetventil soll insbesondere als Absperrventil für Wasserstofftanksysteme einsetzbar sein.The object of the present invention is to remedy this situation without causing the disadvantages mentioned above. In particular, a solenoid valve with a movable magnet armature is to be specified, which is optimally guided and does not tend to stick magnetically. The solenoid valve should be usable in particular as a shut-off valve for hydrogen tank systems.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil angegeben.To solve the problem, the solenoid valve with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. In addition, a hydrogen tank system with a magnetic valve according to the invention is specified.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Das vorgeschlagene Magnetventil umfasst einen in einem Ankerraum aufgenommenen Magnetanker sowie eine den Magnetanker zumindest abschnittsweise umgebende Magnetspule, wobei der Magnetanker über eine den Ankerraum begrenzende ferromagnetische Hülse hubbeweglich geführt ist. Erfindungsgemäß weist der Magnetanker zur Ausbildung eines definierten radialen Luftspalts radial vorstehende steg- und/oder stiftartige Führungselemente auf. Bei dem vorgeschlagenen Magnetventil kann es sich insbesondere um ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme handeln.The proposed solenoid valve comprises a magnet armature accommodated in an armature chamber and a magnet coil surrounding the magnet armature at least in sections, the magnet armature being guided in a lifting manner via a ferromagnetic sleeve delimiting the armature chamber. According to the invention, the magnet armature has radially protruding web- and/or pin-like guide elements to form a defined radial air gap. The proposed magnetic valve can in particular be a shut-off valve for hydrogen tank systems.

Da die Hülse aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, stellt sie für ein Magnetfeld keinen „radialen Luftspalt“ dar. Die Auslegung der Wandstärke der Hülse aufgrund der notwenigen Druckfestigkeit beeinflusst damit den Strombedarf für den Aufbau des Magnetfelds nicht nennenswert. Zugleich gilt es jedoch ein magnetisches Kleben des Magnetankers zu verhindern. Dies wird bei dem vorgeschlagenen Magnetventil dadurch erreicht, dass der „radiale Luftspalt“ nicht durch die Hülse, sondern durch die besondere Gestaltung des Magnetankers ausgebildet wird. Der Magnetanker weist hierzu steg- und/oder stiftartige Führungselemente auf, die in radialer Richtung über den eigentlichen Außenumfang des Magnetankers vorstehen, so dass einerseits der Magnetanker über die Führungselemente geführt ist, andererseits ein definierter radialer Luftspalt ausgebildet wird. Die Breite des Luftspalts in radialer Richtung entspricht dabei im Wesentlichen dem radialen Übermaß der Führungselemente gegenüber dem eigentlichen Außenumfang des Magnetankers. Abhängig von der dahinterliegenden Außenkontur des Magnetankers kann die Breite des Luftspalts über die gesamte axiale Länge des Magnetankers variieren.Since the sleeve is made of a ferromagnetic material, it does not represent a "radial air gap" for a magnetic field. The design of the wall thickness of the sleeve due to the necessary compressive strength does not significantly affect the power requirement for building up the magnetic field. At the same time, however, it is important to prevent the magnet armature from sticking magnetically. In the proposed solenoid valve, this is achieved in that the "radial air gap" is not formed by the sleeve but by the special design of the magnet armature. For this purpose, the magnet armature has web- and/or pin-like guide elements which protrude in the radial direction beyond the actual outer circumference of the magnet armature, so that on the one hand the magnet armature is guided over the guide elements and on the other hand a defined radial air gap is formed. The width of the air gap in the radial direction essentially corresponds to the radial oversize of the guide elements compared to the actual outer circumference of the magnet armature. Depending on the underlying outer contour of the magnet armature, the width of the air gap can vary over the entire axial length of the magnet armature.

Bei einer Bestromung der Magnetspule baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Feldlinien zunächst vorrangig im Bereich der Führungselemente von der Hülse auf den Magnetanker übertreten. Vorzugsweise ist die axiale Ausdehnung der Führungselemente derart gewählt, dass bereits ein Bruchteil des magnetischen Gesamtflusses ausreicht, um diese in die magnetische Sättigung zu bringen. Der restliche magnetische Fluss tritt dann über die gesamte Magnetanker- bzw. Hülsenlänge gleichmäßig verteilt über. Auf diese Weise verbleibt stets ein radialer Luftspalt und die auf den Anker wirkenden Radialkräfte bleiben selbst im Fall einer Desachsierung innerhalb des Führungsspiels sehr gering.When the magnet coil is energized, a magnetic field builds up, the field lines of which primarily transfer from the sleeve to the magnet armature in the area of the guide elements. The axial extent of the guide elements is preferably selected in such a way that a fraction of the total magnetic flux is sufficient to bring them into magnetic saturation. The remaining magnetic flux then passes over the entire length of the magnet armature or sleeve, evenly distributed. In this way, a radial air gap always remains and the radial forces acting on the armature remain very small, even in the case of misalignment within the guide play.

Bei dem vorgeschlagenen Magnetventil kann die Hülse als separates Bauteil ausgeführt sein oder durch ein Gehäuseteil des Magnetventils ausgebildet werden. Ist letzteres der Fall, kann es sich bei dem Gehäuseteil sowohl um eine die Magnetspule umgebende Außenhülse als auch um eine in die Magnetspule eingreifende Hülse handeln, die dann den Außenpol des Magnetkreises ausbildet. Ferner kann das Gehäuseteil derart gestaltet sein, dass es sowohl die Außenhülse als auch den innerhalb der Magnetspule angeordnete Außenpol ausbildet. Durch Nutzung des Gehäuseteils zur Ausbildung des Außenpols ist sichergestellt, dass dieser aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist. Zudem kann eine separate Hülse zur Ausbildung des Außenpols und der Ankerführung entfallen. Damit fällt zugleich mindestens eine Dichtstelle weg.In the case of the proposed solenoid valve, the sleeve can be designed as a separate component or can be formed by a housing part of the solenoid valve. If the latter is the case, the housing part can be both an outer sleeve surrounding the magnetic coil and a sleeve which engages in the magnetic coil and which then forms the outer pole of the magnetic circuit. Furthermore, the housing part can be designed in such a way that it forms both the outer sleeve and the outer pole arranged inside the magnetic coil. By using the housing part to form the outer pole, it is ensured that this is made of a ferromagnetic material. In addition, a separate sleeve for forming the outer pole and the armature guide can be omitted. At the same time, this eliminates at least one sealing point.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Führungselemente in einem axialen Abstand zueinander, vorzugsweise im Bereich eines oberen und eines unteren Endabschnitts des Magnetankers, angeordnet. Diese Anordnung verhindert eine Kippbewegung des Magnetankers, so dass dieser optimal geführt ist.According to a preferred embodiment of the invention, the guide elements are at an axial distance from one another, preferably in the region of an upper and a lower end section of the magnet armature. This arrangement prevents the magnet armature from tilting, so that it is optimally guided.

Zur Ausbildung der Führungselemente kann der Magnetanker Bereiche mit reduziertem Außendurchmesser, außenumfangsseitige Anschliffe und/oder außenumfangsseitige Nuten aufweisen. Die Führungselemente sind in diesem Fall einstückig mit dem Magnetanker ausgebildet bzw. Bestandteil des Magnetankers. Über Bereiche mit reduziertem Außendurchmesser können insbesondere stegartige Führungselemente ausgebildet werden, die sich über den Außenumfang des Magnetankers erstrecken. Zur Verringerung des Kontaktbereichs der stegartigen Führungselemente mit der Hülse können diese in Umfangsrichtung unterbrochen ausgeführt werden. Zur Unterbrechung können insbesondere Anschliffe und/oder Nuten vorgesehen werden.In order to form the guide elements, the magnet armature can have regions with a reduced outer diameter, bevelled edges on the outer circumference and/or grooves on the outer circumference. In this case, the guide elements are formed in one piece with the magnet armature or are part of the magnet armature. In particular, web-like guide elements can be formed over areas with a reduced outer diameter, which extend over the outer circumference of the magnet armature. In order to reduce the contact area of the web-like guide elements with the sleeve, these can be designed to be interrupted in the circumferential direction. Bevels and/or grooves in particular can be provided for the interruption.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Führungselemente als separate Ringe ausgebildet sind, die auf den Magnetanker aufgesetzt, insbesondere aufgepresst oder aufgeschrumpft, sind. Die Führungselemente bilden somit separate Bauteile aus und können demzufolge aus einem anderen Material als der Magnetanker gefertigt werden. Die Materialwahl kann insbesondere in Bezug auf die Funktion der Führungselemente getroffen werden. Besonders vorteilhaft ist es, die Führungselemente aus einem nichtmagnetischen Material zu fertigen. In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Magnetanker mindestens eine Eindrehung zur Aufnahme der Ringe aufweist. Die Eindrehung führt zu einem verringerten Außendurchmesser des Magnetankers, so dass Platz für die ringförmigen Führungselemente geschaffen wird. Die Tiefe der Eindrehung ist jedoch geringer als die Breite der ringförmigen Führungselemente in radialer Richtung gewählt, so dass die Führungselemente das zur Ausbildung des radialen Luftspalts notwendige radiale Übermaß gegenüber dem Magnetanker besitzen. Sofern jeweils ein ringförmiges Führungselement in einem Endabschnitt des Magnetankers angeordnet ist, kann jeder Endabschnitt mit einer Eindrehung versehen sein. Über den die Eindrehung begrenzenden radial verlaufenden Absatz kann das Führungselement in axialer Richtung abgestützt werden. Allerdings verringern die endseitig vorgesehenen Eindrehungen die Ankerpolfläche. Alternativ kann daher auch nur eine einzige Eindrehung vorgesehen werden, die sich über fast die gesamte axiale Länge des Magnetankers erstreckt, jedoch einen Abstand zur Ankerpolfläche einhält. Die ursprüngliche Größe der Ankerpolfläche bleibt somit erhalten. Zur Einhaltung eines definierten axialen Abstands zwischen den Führungselementen, kann eine zwischen liegende Hülse, vorzugsweise aus ferromagnetischem Material, vorgesehen werden, die zusammen mit den Führungselementen im Bereich der Eindrehung auf den Magnetanker aufgesetzt, vorzugsweise aufgepresst oder aufgeschrumpft, wird.Alternatively or additionally, it is proposed that the guide elements are designed as separate rings that are placed, in particular pressed or shrunk on, onto the magnet armature. The guide elements thus form separate components and can therefore be made from a different material than the magnet armature. The choice of material can be made in particular in relation to the function of the guide elements. It is particularly advantageous to manufacture the guide elements from a non-magnetic material. In a development of the invention, it is proposed that the magnet armature has at least one recess for receiving the rings. The turning leads to a reduced outer diameter of the magnet armature, so that space is created for the ring-shaped guide elements. However, the depth of the recess is selected to be less than the width of the ring-shaped guide elements in the radial direction, so that the guide elements have the radial oversize relative to the magnet armature that is necessary to form the radial air gap. If in each case an annular guide element is arranged in an end section of the magnet armature, each end section can be provided with a recess. The guide element can be supported in the axial direction via the radially extending shoulder that delimits the turning. However, the recesses provided at the ends reduce the armature pole area. Alternatively, therefore, only a single recess can be provided, which extends over almost the entire axial length of the magnet armature, but maintains a distance from the armature pole face. The original size of the armature pole area is therefore retained. To maintain a defined axial distance between the guide elements, an intermediate sleeve, preferably made of ferromagnetic material, can be provided, which is placed, preferably pressed or shrunk on, together with the guide elements in the region of the recess on the magnet armature.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Führungselemente als separate Stifte ausgebildet, die abschnittsweise in den Magnetanker eingesetzt, insbesondere eingepresst, sind. Über die Stifte kann der Kontaktbereich des Magnetankers mit der Hülse weiter reduziert werden. Da die Stifte separate Bauteile ausbilden, kann auch hier eine freie Materialwahl, insbesondere bezüglich deren magnetischen Eigenschaften, getroffen werden. Bevorzugt weist der Magnetanker mindestens eine Radialbohrung zur Aufnahme der Stifte auf. Die Radialbohrung kann als Durchgangsbohrung oder als Sackloch ausgeführt sein. Im letztgenannten Fall ist für jeden Stift ein Sackloch vorgesehen. In eine Durchgangsbohrung kann bzw. können entweder ein beidseits vorstehender Stift oder zwei einzelne Stifte eingesetzt, insbesondere eingepresst, werden. Sofern ein durchgehender Stift eingesetzt wird, kann dieser durch Überdrehen oder Überschleifen nachträglich auf Länge gebracht bzw. auf den genauen Führungsdurchmesser kalibriert werden. Vorzugsweise werden dabei die der Führung dienenden Stirnflächen mit einer Rundung versehen. Die Rundung kann insbesondere an den Innendurchmesser des Außenpols angepasst sein. Bei nur einseitig vorstehenden Stiften kann das Führungsspiel über die Einpresstiefe eingestellt werden. Bevorzugt sind die der Führung dienenden Stirnflächen der Stifte gerundet ausgeführt, wobei die Rundung insbesondere an den Innendurchmesser des Außenpols angepasst sein kann.According to a further preferred embodiment of the invention, the guide elements are designed as separate pins which are inserted, in particular pressed, in sections into the magnet armature. The contact area of the magnet armature with the sleeve can be further reduced via the pins. Since the pins form separate components, a free choice of materials can also be made here, in particular with regard to their magnetic properties. The magnet armature preferably has at least one radial bore for receiving the pins. The radial bore can be designed as a through bore or as a blind hole. In the latter case, a blind hole is provided for each pin. Either a pin protruding on both sides or two individual pins can be inserted, in particular pressed, into a through hole. If a continuous pin is used, it can be lengthened or calibrated to the exact guide diameter by turning or grinding. Preferably, the end faces used for guidance are rounded. The rounding can in particular be adapted to the inner diameter of the outer pole. If the pins only protrude on one side, the guide play can be adjusted via the offset. The end faces of the pins used for guidance are preferably rounded, it being possible in particular for the rounding to be adapted to the inside diameter of the outer pole.

Vorteilhafterweise sind die die Führungselemente in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt, insbesondere im gleichen Winkelabstand zueinander, angeordnet, so dass der Magnetanker gleichmäßig geführt ist. Die Anzahl der Führungselemente kann dabei variieren.Advantageously, the guide elements are distributed evenly in the circumferential direction, in particular at the same angular distance from one another, so that the magnet armature is guided evenly. The number of guide elements can vary.

Ferner bevorzugt sind die Führungselemente aus einem nichtmagnetischen Material gefertigt, so dass die Führungselemente aus magnetischer Sicht nicht den radialen Luftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Außenpol überbrücken.Furthermore, the guide elements are preferably made of a non-magnetic material, so that the guide elements do not bridge the radial air gap between the magnet armature and the outer pole from a magnetic point of view.

Des Weiteren bevorzugt liegt an einer Stirnfläche der Hülse eine nichtmagnetische Scheibe an. Die nichtmagnetische Scheibe dient der magnetischen Trennung zwischen der Hülse und einem weiteren Teil des Magnetkreises, wobei es sich beispielsweise um einen topfartig gestalteten Polkörper oder einen den Ankerraum begrenzenden ferromagnetischen Deckel handeln kann, an denen dann jeweils der Innenpol des Magnetkreises ausgebildet ist. Die nichtmagnetische Scheibe ist vorzugsweise auf Höhe eines axialen Luftspalts angeordnet, so dass mit Hilfe der nichtmagnetischen Scheibe die Ausbildung eines den axialen Luftspalt umgebenden Bypasses verhindert wird.A non-magnetic disk is also preferably in contact with an end face of the sleeve. The non-magnetic disc is used for magnetic separation between the sleeve and another part of the magnetic circuit, which can be, for example, a pot-shaped pole body or a ferromagnetic cover delimiting the armature space, on which the inner pole of the magnetic circuit is then formed. The non-magnetic disk is preferably placed at the level of an axial air gap, so that the formation of a bypass surrounding the axial air gap is prevented with the aid of the non-magnetic disk.

Darüber hinaus wird ein Wasserstofftanksystem vorgeschlagen, das mindestens einen Druckgasbehälter und ein erfindungsgemäßes Magnetventil zum Absperren des Druckgasbehälters umfasst. In dieser Anwendung kommen die Vorteile eines erfindungsgemäßen Magnetventils besonders deutlich zum Tragen. Denn der definierte Radialspalt im Führungsbereich des Magnetankers wirkt einem magnetischen Kleben entgegen. Zugleich ist der Magnetanker optimal geführt, so dass es nicht zu einer Desachsierung des Magnetankers kommt. Der Ankerraum ist zudem durch den als ferromagnetische Hülse ausgebildeten Außenpol hermetisch abgedichtet, so dass er mit Wasserstoff beaufschlagt werden kann. Da die Hülse aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist, kann die Wandstärke der Hülse derart bemessen werden, dass hohe Innendrücke möglich sind, ohne dass dies den Strombedarf des Magnetkreises erhöht.In addition, a hydrogen tank system is proposed that includes at least one compressed gas tank and a solenoid valve according to the invention for shutting off the compressed gas tank. In this application, the advantages of a solenoid valve according to the invention are particularly evident. Because the defined radial gap in the guide area of the magnet armature counteracts magnetic sticking. At the same time, the magnet armature is optimally guided so that the magnet armature does not become misaligned. The armature space is also hermetically sealed by the outer pole, which is designed as a ferromagnetic sleeve, so that hydrogen can be applied to it. Since the sleeve is made of a ferromagnetic material, the wall thickness of the sleeve can be dimensioned in such a way that high internal pressures are possible without this increasing the current requirement of the magnetic circuit.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Magnetventil,
  • 2 einen schematischen Längsschnitt durch den Magnetanker des Magnetventils der 1,
  • 3 a)-c) mögliche Querschnitte des Magnetankers der 2,
  • 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen Magnetanker für ein erfindungsgemäßes Magnetventil,
  • 5 eine Draufsicht auf den Magnetanker der 4,
  • 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen Magnetanker für ein erfindungsgemäßes Magnetventil und
  • 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen weiteren Magnetanker für ein erfindungsgemäßes Magnetventil.
Preferred embodiments of the invention and their advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic longitudinal section through a solenoid valve according to the invention,
  • 2 a schematic longitudinal section through the magnet armature of the solenoid valve 1 ,
  • 3 a)-c) possible cross-sections of the magnet armature 2 ,
  • 4 a schematic longitudinal section through a magnet armature for a magnet valve according to the invention,
  • 5 a plan view of the armature of 4 ,
  • 6 a schematic longitudinal section through a magnet armature for a magnet valve according to the invention and
  • 7 a schematic longitudinal section through another magnet armature for a solenoid valve according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Das in der 1 dargestellte Magnetventil 1 weist eine ringförmige Magnetspule 4 zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Magnetanker 3 auf, der als Tauchanker ausgeführt ist. Der Magnetanker 3 ist in einem Ankerraum 2 aufgenommen, der in radialer Richtung durch ein Gehäuseteil 8 begrenzt wird. Zur Führung des Magnetankers 3 bildet das Gehäuseteil 8 eine Hülse 5 aus, die den Ankerraum 2 von einem Spulenaufnahmeraum 15 trennt, in dem die Magnetspule 4 aufgenommen ist. Die Hülse 5 bildet gleichzeitig den Außenpol des Tauchanker-Magnetkreises aus. In axialer Richtung wird der Ankerraum 2 durch einen Deckel 16 begrenzt, der wie das Gehäuseteil 8 aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist. Der Deckel 16 bildet den Innenpol des Magnetkreises sowie gleichzeitig einen Hubanschlag für den Magnetanker 3 aus. Zur magnetischen Trennung des Deckels 16 von der den Außenpol bildenden Hülse 5 ist zwischen diesen eine nichtmagnetische Scheibe 14 eingelegt.That in the 1 Solenoid valve 1 shown has an annular magnetic coil 4 for acting on a movable magnet armature 3, which is designed as a plunger. The magnet armature 3 is accommodated in an armature space 2 which is delimited by a housing part 8 in the radial direction. To guide the magnet armature 3, the housing part 8 forms a sleeve 5 which separates the armature space 2 from a coil receiving space 15 in which the magnet coil 4 is received. At the same time, the sleeve 5 forms the outer pole of the plunger magnetic circuit. The armature space 2 is delimited in the axial direction by a cover 16 which, like the housing part 8 , is made of a ferromagnetic material. The cover 16 forms the inner pole of the magnetic circuit and at the same time a stroke stop for the magnet armature 3 . For the magnetic separation of the cover 16 from the sleeve 5 forming the outer pole, a non-magnetic disc 14 is inserted between them.

Wird die Magnetspule 4 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Magnetanker 3 in Richtung des Deckels 16 bewegt, um einen axialen Luftspalt 19 zu schließen. Die Rückstellung des Magnetankers 3 nach der Beendigung der Bestromung der Magnetspule 4 wird mit Hilfe einer Feder 17 bewerkstelligt.If the magnet coil 4 is energized, a magnetic field is formed, the magnetic force of which moves the magnet armature 3 in the direction of the cover 16 in order to close an axial air gap 19 . The resetting of the magnet armature 3 after the end of the energization of the magnet coil 4 is accomplished with the aid of a spring 17 .

Zur Ausbildung eines definierten radialen Luftspalts 6 weist der in der 1 dargestellte Magnetanker 3 stegartige Führungselemente 7 auf, die in einem axialen Abstand zueinander angeordnet sind, so dass diese jeweils in einem Endabschnitt des Magnetankers 3 zu liegen kommen. Die Führungselemente 7 sind einstückig mit dem Magnetanker 3 ausgebildet (siehe 2). Die Führung des Magnetankers 3 wird damit allein über die stegartigen Führungselemente 7 bewirkt. Entsprechend reduziert sich der Kontaktbereich zwischen dem Magnetanker 3 und der Hülse 5.To form a defined radial air gap 6 in the 1 shown magnet armature 3 web-like guide elements 7, which are arranged at an axial distance from each other, so that they each come to rest in an end portion of the magnet armature 3. The guide elements 7 are designed in one piece with the magnet armature 3 (see 2 ). The guidance of the magnet armature 3 is thus effected solely via the web-like guide elements 7 . The contact area between the magnet armature 3 and the sleeve 5 is reduced accordingly.

Die stegartigen Führungselemente 7 können umlaufend ausgebildet sein oder in Umfangsrichtung Unterbrechungen aufweisen. Wie beispielhaft in der 3a) dargestellt, können die stegartigen Führungselemente 7 durch Bereiche 9 mit reduziertem Außendurchmesser unterbrochen sein, so dass sich die stegartigen Führungselemente 7 jeweils nur über einen Teilumfangsbereich des Magnetankers 3 erstrecken. Der Winkelabstand der Führungselemente 7 zueinander ist dabei gleich gewählt. Alternativ können die Unterbrechungen durch Anschliffe 10 hergestellt werden. Diese Ausführungsform ist beispielhaft in der 3b) dargestellt. Eine weitere Ausführungsform zeigt die 3c).The web-like guide elements 7 can be formed circumferentially or have interruptions in the circumferential direction. As exemplified in the 3a) shown, the web-like guide elements 7 can be interrupted by areas 9 with a reduced outer diameter, so that the web-like guide elements 7 each only extend over a partial peripheral area of the magnet armature 3 . The angular spacing of the guide elements 7 to one another is chosen to be the same. Alternatively, the interruptions can be produced by ground sections 10. This embodiment is exemplified in FIG 3b) shown. Another embodiment shows the 3c ).

Die Führungselemente 7 können zudem durch Stifte ausgebildet werden, die in mindestens eine Radialbohrung 13 des Magnetankers 3 eingesetzt, insbesondere eingepresst, werden. Diese Ausführungsform kann den 4 und 5 entnommen werden. Die dargestellten Radialbohrungen 13 sind jeweils als durchgehende Bohrungen ausgeführt und nehmen jeweils einen Stift auf, der gegenüber der Radialbohrung 13 eine Überlänge aufweist, so dass er mit beidseitigem Überstand in die Radialbohrung 13 einsetzbar, insbesondere einpressbar, ist. Anstelle eines Stifts können auch zwei Stifte von beiden Seiten in eine Radialbohrung 13 eingesetzt, insbesondere eingepresst, werden. Über die Einpresstiefe kann dann der radiale Überstand der Stifte und damit der radiale Luftspalt 6 eingestellt werden.The guide elements 7 can also be formed by pins that are inserted, in particular pressed, into at least one radial bore 13 of the magnet armature 3 . This embodiment can 4 and 5 be removed. The radial bores 13 shown are each designed as continuous bores and each accommodate a pin which is longer than the radial bore 13 so that it can be inserted, in particular pressed, into the radial bore 13 with a projection on both sides. Instead of one pen, you can also use two pens from bei used the sides in a radial bore 13, in particular pressed, are. The radial overhang of the pins and thus the radial air gap 6 can then be set via the press-in depth.

Alternativ oder ergänzend können ringförmige Führungselemente 7 vorgesehen sein. In diesem Fall weist der Magnetanker 3 bevorzugt mindestens eine Eindrehung 12 zur Aufnahme der ringförmigen Führungselemente 7 auf (siehe 6 und 7). In dem Ausführungsbeispiel der 6 ist an beiden Enden des Magnetankers 3 jeweils eine Eindrehung 12 vorgesehen. In dem Ausführungsbeispiel der 7 weist der Magnetanker 3 lediglich eine Eindrehung 12 auf, die sich jedoch über eine größere Länge des Magnetankers 3 erstreckt. Auf diese Weise bleibt eine möglichst große Ankerpolfläche 18 erhalten. Um die im Bereich der Eindrehung 12 auf den Magnetanker 3 aufgesetzten, insbesondere aufgepressten, ringförmigen Führungselemente 7 in einem axialen Abstand zueinander zu halten, ist zwischen diesen eine Hülse 11 angeordnet. Die ringförmigen Führungselemente 7 sind vorzugsweise aus nichtmagnetischem Material gefertigt. Die Hülse 11 ist vorzugsweise aus ferromagnetischem Material gefertigt. Über deren Außendurchmesser kann dann der radiale Luftspalt unabhängig vom Durchmesser des Magnetankers 3 im Bereich seiner Eindrehung 12 eingestellt werden.Alternatively or additionally, ring-shaped guide elements 7 can be provided. In this case, the magnet armature 3 preferably has at least one recess 12 for receiving the ring-shaped guide elements 7 (see FIG 6 and 7 ). In the embodiment of 6 a recess 12 is provided at each end of the magnet armature 3 . In the embodiment of 7 the magnet armature 3 has only one recess 12 which, however, extends over a greater length of the magnet armature 3 . In this way, the largest possible armature pole surface 18 is retained. In order to keep the ring-shaped guide elements 7 placed, in particular pressed, on the magnet armature 3 in the region of the recess 12 at an axial distance from one another, a sleeve 11 is arranged between them. The annular guide elements 7 are preferably made of non-magnetic material. The sleeve 11 is preferably made of ferromagnetic material. The radial air gap can then be set independently of the diameter of the magnet armature 3 in the region of its recess 12 via its outer diameter.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (10)

Magnetventil (1), insbesondere Absperrventil für Wasserstofftanksysteme, umfassend einen in einem Ankerraum (2) aufgenommenen Magnetanker (3) sowie eine den Magnetanker (3) zumindest abschnittsweise umgebende Magnetspule (4), wobei der Magnetanker (3) über eine den Ankerraum (2) begrenzende ferromagnetische Hülse (5) hubbeweglich geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (3) zur Ausbildung eines definierten radialen Luftspalts (6) radial vorstehende steg- und/oder stiftartige Führungselemente (7) aufweist.Solenoid valve (1), in particular shut-off valve for hydrogen tank systems, comprising a magnet armature (3) accommodated in an armature space (2) and a magnet coil (4) surrounding the magnet armature (3) at least in sections, the magnet armature (3) being connected to the armature space (2 ) limiting ferromagnetic sleeve (5) is guided such that it can be lifted, characterized in that the magnet armature (3) has radially projecting web-like and/or pin-like guide elements (7) to form a defined radial air gap (6). Magnetventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (5) durch ein Gehäuseteil (8) ausgebildet wird.Solenoid valve (1) after claim 1 , characterized in that the sleeve (5) is formed by a housing part (8). Magnetventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (7) in einem axialen Abstand zueinander, vorzugsweise im Bereich eines oberen und eines unteren Endabschnitts des Magnetankers (3), angeordnet sind.Solenoid valve (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the guide elements (7) are arranged at an axial distance from one another, preferably in the region of an upper and a lower end section of the magnet armature (3). Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (3) zur Ausbildung der Führungselemente (7) Bereiche (9) mit reduziertem Außendurchmesser, außenumfangsseitige Anschliffe (10) und/oder außenumfangsseitige Nuten aufweist.Solenoid valve (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the magnet armature (3) for forming the guide elements (7) has areas (9) with a reduced outside diameter, bevelled edges (10) on the outside circumference and/or grooves on the outside circumference. Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (7) als separate Ringe ausgebildet sind, die auf den Magnetanker (3) aufgesetzt, insbesondere aufgepresst oder aufgeschrumpft, sind, wobei vorzugsweise der Magnetanker (3) mindestens eine Eindrehung (12) zur Aufnahme der Ringe aufweist.Solenoid valve (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the guide elements (7) are designed as separate rings which are placed on the magnet armature (3), in particular pressed or shrunk on, with the magnet armature (3) preferably having at least one Recess (12) for receiving the rings. Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (7) als separate Stifte ausgebildet sind, die abschnittsweise in den Magnetanker (3) eingesetzt, insbesondere eingepresst, sind, wobei vorzugsweise der Magnetanker (3) mindestens eine Radialbohrung (13) zur Aufnahme der Stifte aufweist.Solenoid valve (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the guide elements (7) are designed as separate pins which are inserted, in particular pressed, in sections into the magnet armature (3), the magnet armature (3) preferably having at least one radial bore (13) for receiving the pins. Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (7) in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt, insbesondere im gleichen Winkelabstand zueinander, angeordnet sind.Solenoid valve (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the guide elements (7) are distributed uniformly in the circumferential direction, in particular are arranged at the same angular distance from one another. Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente (7) aus einem nicht magnetischen Material gefertigt sind.Solenoid valve (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the guide elements (7) are made of a non-magnetic material. Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stirnfläche der Hülse (5) eine nichtmagnetische Scheibe (14) anliegt.Solenoid valve (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a non-magnetic disc (14) bears against an end face of the sleeve (5). Wasserstofftanksystem, umfassend mindestens einen Druckgasbehälter und Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Absperren des Druckgasbehälters.Hydrogen tank system, comprising at least one compressed gas tank and solenoid valve (1) according to one of the preceding claims for shutting off the compressed gas tank.
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