DE10322915B4

DE10322915B4 - Ventil zum Steuern eines Fluids

Info

Publication number: DE10322915B4
Application number: DE10322915.9A
Authority: DE
Inventors: Udo Hafner; Ferdinand Reiter; Waldemar Hans; Frank Miller; Heinz-Martin Krause; Günther Bantleon; Thanh-Hung Nguyen-Schäfer; Franz Thoemmes; Martin Möller; Norbert Krapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2023-05-22
Also published as: FR2855231A1; DE10322915A1; FR2855231B1

Abstract

Ventil zum Steuern eines Fluids umfassend ein Ventilgehäuse (13), eine elektromagnetische Betätigungseinheit (14) für einen Magnetanker (18, 40, 70), der axial verschiebbar geführt ist und der mit einem Ventilsitz (21) zusammenwirkt, so daß ein Fluidstrom von einer Zuströmseite (11) zu einer Abströmseite (12) des Ventils steuerbar ist, wobei der Magnetanker (18, 40, 70) ein als separates Bauteil ausgebildetes Ventilschließglied (21, 50, 60, 65, 71) umfaßt, das in einer stirnseitigen Aufnahme (20) einer Halteeinrichtung (19) des Magnetankers (18, 40, 70) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (21, 60, 65, 71) an seiner freien Stirnseite mindestens eine Elastomerdichtung (27, 66) aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise als Gassteuerventil bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor einsetzbar.
Ein bekanntes Ventil der einleitend genannten Art ist mit einem Ventilgehäuse ausgestattet, in dem eine elektromagnetische Betätigungseinheit für einen Magnetanker angeordnet ist, der axial verschiebbar geführt ist. Der Magnetanker ist als Ventilschließglied ausgeführt und wirkt mit einem Ventilsitz zusammen, so daß ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite des Ventils steuerbar ist.
Der Ventilsitz kann als Flachsitz ausgebildet sein, welcher beim Einsatz zur Steuerung eines trockenen Erdgases gegenüber einem herkömmlichen Kugel- bzw. Kegelsitz Vorteile hinsichtlich großer Querschnitte bei geringer pneumatischer Kraft sowie hinsichtlich Dichtheit, Dauerlaufbeständigkeit, Verschleiß und Geräuschentwicklung bietet.
Ventile aus dem Stand der Technik sind beispielsweise aus der DE 44 26 006 A1 , der DE 101 22 941 A1 und der DE 33 06 304 A1 bekannt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil der Magnetanker ein als separates Bauteil ausgebildetes Ventilschließglied umfaßt, das in einer stirnseitigen Aufnahme einer Halteeinrichtung des Magnetankers befestigt ist, hat den Vorteil, daß der mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Bereich des Magnetankers unabhängig von dem zwingend aus einem weichmagnetischen Material bestehenden Haltebereich des Magnetankers formoptimiert ausgebildet werden kann, und zwar zum einen hinsichtlich seiner Stirnseite, die vorzugsweise mit einem als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt, und zum anderen hinsichtlich von im wesentlichen radial und gegebenenfalls auch axial ausgerichteten Abströmöffnungen des Ventilschließglieds, über die das betreffende Fluid aus einem mit der Zuströmseite des Ventils in Verbindung stehenden Innenraum des Ventilschließglieds in einen das Ventilschließglied radial bzw. axial begrenzenden Hochdruckraum abströmt. Beim Öffnen des Ventilschließglieds strömt das Fluid aus dem Hochdruckraum beispielsweise über düsenartige Öffnungen eines Ventilplatte zu der Abströmseite des Ventils ab.
Das Ventil nach der Erfindung ist insbesondere zur Massenstromregelung von Gasen wie Wasserstoff und Erdgas geeignet und kann beispielsweise bei einer Brennstoffzelle oder auch bei einem Gasmotor eingesetzt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung ist das Ventilschließglied aus einem Tiefziehteil gebildet, das mit Abströmlöchern versehen ist. Ein derartiges Tiefziehteil ist auf einfache Weise aus einem entsprechend zugeschnittenen Blech herstellbar und in die stirnseitige Aufnahme des Haltebereichs des Magnetankers einschiebbar. Die Abströmlöcher werden zweckmäßigerweise vor dem Tiefziehen in das Blech eingestanzt.
Alternativ kann das Ventilschließglied des Magnetankers auch aus einem Vollmaterial hergestellt sein, das mit Abströmbohrungen versehen ist. Ein derartiges Ventilschließglied kann ein Drehteil sein, das in den Haltebereich des Magnetankers eingesetzt ist und ebenfalls einen Innenraum hat, von dem die Abströmbohrungen abzweigen, die zu dem Hochdruckraum führen, der das Ventilschließglied umgibt und üblicherweise von einer Führungshülse für Magnetanker begrenzt ist.
Um die auf das Ventilschließglied wirkende Aufprallenergie beim Schließen des Ventilschließglieds zu reduzieren und damit den Verschleiß des Ventilsitzes und des Ventilschließglieds gering zu halten, kann das Ventilschließglied an der freien Stirnseite eine vorzugsweise aus einem Blech gebildete Dämpfungseinrichtung aufweisen. Dieses Blech kann bei einem tiefgezogenen Ventilschließglied einstückig mit dem Ventilschließglied hergestellt sein, kann aber auch als separates Bauteil ausgelegt sein, das beispielsweise an einer Elastomerdichtung, die an der freien Stirnseite des Ventilschließglieds angeordnet ist, befestigt ist.
Das Ventilschließglied weist an seiner freien Stirnseite bevorzugt mindestens eine Elastomerdichtung auf. Diese ist beispielsweise als Elastomerdichtring ausgebildet, der in Schließstellung des Ventilschließglieds mehrere Düsen in einer als Spritzlochplatte ausgebildeten Ventilplatte abdichtet. Alternativ kann für jede dieser Düsen, die zu der Abströmseite des Ventils führen, eine eigene Elastomerdichtscheibe vorgesehen sein. Diese Elastomerdichtscheiben sind dann bevorzugt entlang einer Kreislinie angeordnet, die sich mit einer Kreislinie deckt, entlang der die Düsen angeordnet sind.
Des weiteren kann an dem Ventilschließglied ein Führungsbund für den Magnetanker ausgebildet sein. Dieser Führungsbund, der bei einer gestuften Führungshülse für den Magnetanker mit einem geringeren Durchmesser als ein zweiter Führungsbund des Magnetankers ausgebildet ist, kann ein Ring sein, der auf das Ventilschließglied aufgepreßt ist. Die Umfangsfläche des Rings bildet in diesem Fall eine Führungsfläche, die mit der Führungshülse für den Magnetanker zusammenwirkt.
Alternativ können aber auch zwei Führungsbünde an dem Haltebereich des Magnetankers ausgebildet sein, wobei diese beiden Fuhrungsbunde bei einer gestuften Führungshülse unterschiedliche Durchmesser und bei einer ungestuften Führungshülse gleiche Durchmesser aufweisen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Figurenliste
Sechs Ausführungsbeispiele des Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erlautert. Es zeigen

1 einen Längsschnitt durch ein Gasventil mit einem zweiteiligen Magnetanker;
2 eine vergrößerte Darstellung des Magnetankers des Ventils nach 1;
3 einen Längsschnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Magnetankers;
4 eine Aufsicht auf ein Ventilschließglied des Magnetankers nach 3 gemäß Pfeil IV in 3;
5 einen Schnitt durch ein Ventilschließglied eines Magnetankers mit einer Dämpfungseinrichtung;
6 eine Aufsicht auf das Ventilschließglied nach 5 gemäß Pfeil VI in 5;
7 einen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform eines Ventilschließglieds;
8 eine Aufsicht auf das Ventilschließglied nach 7 gemäß Pfeil VIII in 7;
9 eine 8 entsprechende Ansicht eines Ventilschließglieds, jedoch mit einem alternativen Dichtelement; und
10 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Magnetankers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Gasventil 10 dargestellt, das zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor ausgelegt ist und zur Regelung eines Wasserstoffstroms bzw. eines CNG(Compressed Natural Gas)-Stroms von einer Zuströmseite 11 zu einer Abströmseite 12 dient.
Das Ventil 10 hat ein mehrteiliges Gehäuse 13, in welchem eine Magnetspule 14 angeordnet ist, die eine tiefgezogene Führungshülse 15 umgreift. In der Führungshülse 15 ist ein im wesentlichen rohrförmiger Stopfen 16 fixiert, der zur Befestigung einer als Vorspannfeder wirkenden Spiralfeder 17 dient, an deren Stirnseite ein Magnetanker 18 befestigt ist.
Der Magnetanker 18, der in 2 in Alleinstellung dargestellt ist, umfaßt eine im wesentlichen rohrförmige Halteeinrichtung 19 mit einer stirnseitigen Aufnahme 20, die zylindrisch ausgebildet ist und in der ein topfformiges Ventilschließglied 21 angeordnet ist. Das Ventilschließglied 21 stellt ein Tiefziehteil dar, das an seiner Seitenwand über den Umfang verteilt im wesentlichen radial ausgerichtete Abströmlöcher 22 sowie an seinem Boden ein mittig angeordnetes, axiales Abströmloch 23 aufweist. Die Abströmlöcher 22 und 23 verbinden einen Innenraum 24 des Ventilschließglieds 21 mit einem Hochdruckraum 25, der in radialer Richtung von der Führungshülse 15 begrenzt ist. Der von dem Ventilschließglied 21 begrenzte Innenraum 24 ist über einen axialen Kanal 26 mit der Zuströmseite 11 des Gasventils 10 verbunden.
Das Ventilschließglied 21 des Magnetankers 18 wirkt über Elastomerdichtungen 27 mit einem Ventilsitz 28 zusammen, der an einer als Ventilplatte dienenden Bodenplatte eines weiteren topfformigen Tiefziehteils 29 ausgebildet ist. In der Bodenplatte des topfförmigen Tiefziehteils 29 sind entlang einer Kreislinie düsenartige Öffnungen 30 angeordnet, so daß bei geöffnetem Ventilschließglied 21 ein Gasstrom von dem Hochdruckraum 25 durch die Öffnungen 30 zu der Abströmseite 12 des Gasventils 10 erfolgt.
Den Öffnungen 30 in der Bodenplatte des Tiefziehteils 29 ist ein rohrförmiger Schalldämpfer 31 nachgeordnet, der von der Seitenwand des Tiefziehteils 29 gebildet ist. Zur besseren Schalldämpfung ist der Schalldämpfer 31 zusätzlich mit einer Kunststoffumspritzung 32 versehen.
Der Magnetanker 18 ist über zwei Führungsbünde 33 und 34 in der Führungshülse 15 verschiebbar geführt, wobei der Führungsbund 33 einstückig mit der Halteeinrichtung 19 ausgebildet ist und der Führungsbund 34 aus einem auf den Umfang des Ventilschließglieds 21 aufgepreßten Ring gebildet ist. Im vorliegenden Fall haben die Führungsbünde 33 und 34 den gleichen Durchmesser.
Denkbar ist es auch, daß der Führungsbund 34 einen geringeren Durchmesser als der Führungsbund 33 aufweist, was insbesondere bei Einsatz des Magnetankers bei einer gestuft ausgebildeten Führungshülse zweckmäßig ist. In diesem Falle ist der Führungsbund mit dem größeren Durchmesser in dem Bereich vergrößerten Durchmessers der Führungshülse und der Führungsbund mit dem geringeren Durchmesser in dem Bereich verringerten Durchmessers der Führungshülse geführt.
In den 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform eines Magnetankers 40 dargestellt, der eine Halteeinrichtung 19 mit einer stirnseitigen Aufnahme 20 umfaßt, in der ein Ventilschließglied 21 der in 2 dargestellten Art angeordnet ist. Der Magnetanker 40 entspricht im wesentlichen dem Magnetanker nach 2, unterscheidet sich von diesem aber dadurch, daß an der Halteeinrichtung 19 zwei Führungsbünde 33 und 34 ausgebildet sind, wobei der Führungsbund 34 einen geringeren Durchmesser als der Führungsbund 33 aufweist, so daß der Magnetanker 40 für eine gestufte Führungshülse ausgelegt ist.
Wie 4 zu entnehmen ist, weist das Ventilschließglied 21 stirnseitig acht entlang einer Kreislinie angeordnete kreisförmige Elastomerdichtungen 27 auf, die jeweils mit einer Öffnung 30 der als Ventilplatte ausgebildeten Bodenplatte des Tiefziehteils 29 zusammenwirken.
In den 5 und 6 ist eine weitere alternative Ausführungsform eines Ventilschließglieds 50 dargestellt, das in eine stirnseitige Ausnehmung einer Halteeinrichtung eines Magnetankers der in den 2 und 3 dargestellten Art einsetzbar ist. Das Ventilschließglied 50 ist ein Tiefziehteil, das topfförmig ausgebildet ist und in dem seitlich Abströmlöcher 22 und stirnseitig vier linsenformige Abstromlöcher 51 eingestanzt sind. Die linsenförmigen Abströmlöcher 51 sind in einem tellerförmigen Bereich 52 angeordnet, der einstückig mit dem Tiefziehteil 21 hergestellt ist und als Dämpfungseinrichtung beim Aufprall des betreffenden Magnetankers auf den Ventilsitz dient.
In den 7 und 8 ist eine weitere Ausführungsform eines Ventilschließglieds 60 dargestellt, das zur Anordnung in einer stirnseitigen Ausnehmung einer Halteeinrichtung eines Magnetankers der in den 2 und 3 dargestellten Art dient.
Das Ventilschließglied 60 unterscheidet sich von demjenigen nach den 5 und 6 dadurch, daß es eine tellerartige Dämpfungsscheibe 61 aufweist, die als Dämpfungseinrichtung beim Aufprall des betreffenden Magnetankers auf dem zugehörigen Ventilsitz dient und die als separates Bauteil ausgebildet ist. Die Befestigung der Dämpfungsscheibe 61 an dem Ventilschließglied 60 erfolgt durch Einbettung in Elastomerdichtungen 27, die an der Stirnseite des Ventilschließglieds 60 angespritzt sind. Entsprechend der Dämpfungseinrichtung des Ventilschließglieds nach den 5 und 6 weist die Dämpfungsscheibe 61 linsenförmige Öffnungen 51 auf, die innen von einem kreuzförmigen Bereich der Dämpfungsscheibe 61 begrenzt sind. Stromauf der Dämfungsscheibe ist ein Abströmloch 23 in das Ventilschließglied 60 eingestanzt.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform eines Ventilschließglieds 65 dargestellt, das im wesentlichen demjenigen nach den 7 und 8 entspricht, sich von diesem aber dadurch unterscheidet, daß es nicht mit kreisförmigen Dichtscheiben sondern mit einem Elastomerdichtring 66 versehen ist, der sämtliche Öffnungen der als Ventilplatte dienenden Bodenplatte eines Ventils der in 1 dargestellten Art abdichtet.
In 10 ist ein Magnetanker 70 dargestellt, der entsprechend der Ausführungsform nach 3 als Halteeinrichtung 19 einen rohrförmigen Bereicht mit einer stirnseitigen Aufnahme 20 sowie zwei Fuhrungsbünde 33 und 34 unterschiedlichen Durchmessers aufweist.
In der stirnseitigen Aufnahme 20 der Halteeinrichtung 19 ist ein aus einem metallischen Vollmaterial hergestelltes Ventilschließglied 71 angeordnet, das mit einer an die Stirnseite führende Abströmbohrung 72 sowie vier an den Umfang des Ventilschließglieds 71 führenden Abströmbohrungen 73 versehen ist. Stirnseitig weist das Ventilschließglied 71 entsprechend dem Ventilschließglied nach den 3 und 4 Elastomerdichtungen 27 auf, die entlang einer Kreislinie angeordnet sind und in Schließstellung des Magnetankers 70 jeweils eine zu der Abströmseite des betreffenden Ventils führende Öffnung einer Ventilplatte abdichten.
Die Funktion des Ventilschließglieds 71 entspricht der Funktion des Ventilschließglieds des Magnetankers nach 3.

Claims

Ventil zum Steuern eines Fluids umfassend ein Ventilgehäuse (13), eine elektromagnetische Betätigungseinheit (14) für einen Magnetanker (18, 40, 70), der axial verschiebbar geführt ist und der mit einem Ventilsitz (21) zusammenwirkt, so daß ein Fluidstrom von einer Zuströmseite (11) zu einer Abströmseite (12) des Ventils steuerbar ist, wobei der Magnetanker (18, 40, 70) ein als separates Bauteil ausgebildetes Ventilschließglied (21, 50, 60, 65, 71) umfaßt, das in einer stirnseitigen Aufnahme (20) einer Halteeinrichtung (19) des Magnetankers (18, 40, 70) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (21, 60, 65, 71) an seiner freien Stirnseite mindestens eine Elastomerdichtung (27, 66) aufweist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (21, 50, 60, 65) ein Tiefziehteil ist, das mit Abströmlöchern (22, 23) versehen ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (71) aus einem Vollmaterial hergestellt ist, das mit Abströmbohrungen (72, 73) versehen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilschließglied (50, 60, 65) an seiner freien Stirnseite eine aus einem Blech gebildete Dämpfungseinrichtung (52, 61) aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ventilschließglied (21) mindestens ein Führungsbund (34) für den Magnetanker (18) ausgebildet ist.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbund (34) aus einem Ring gebildet ist, der auf das Ventilschließglied (21) aufgepreßt ist.