DE10322916A1 - Ventil zum Steuern eines Fluids - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, vorgeschlagen, umfassend ein Ventilgehäuse und eine elektromagnetische Betätigungseinheit für einen Magnetanker, der axial verschiebbar geführt ist und mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, so daß ein Fluidstrom von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite des Ventils steuerbar ist. Der Magnetanker ist an seiner dem Ventilsitz abgewandten Stirnseite mit einem Verschleißschutz versehen.

Description

  • 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 eines Kraftfahrzeuges oder auch bei einem Gasmotor einsetzbar.
  • Ein bekanntes Ventil der einleitend genannten Art umfaßt ein Ventilgehäuse, in dem eine elektromagnetische Betätigungseinheit für einen Magnetanker angeordnet ist. Der Magnetanker, der als Ventilschließglied dient und axial verschiebbar geführt ist, wirkt mit einem Ventilsitz zusammen, so daß ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite des Ventils steuerbar ist.
  • Der Magnetanker ist bei diesem bekannten Ventil in einer als Tiefziehteil ausgebildeten Führungshülse geführt, wobei er mit einem von einem Polkern gebildeten Anschlag zusammenwirkt, der auf der dem Ventilsitz abgewandten Stirnseite des Magnetankers angeordnet ist.
  • Problematisch ist bei diesem Ventil jedoch, daß der Magnetanker insbesondere bei der Steuerung trockener Gase im Anschlagbereich erhöhtem Verschleiß ausgesetzt ist, was zu einer Funktionsbeeinträchtigung führen kann.
  • 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 an seiner dem Ventilsitz abgewandten Stirnseite mit einem Verschleißschutz versehen ist, hat den Vorteil, daß der Magnetanker im Vergleich zu einem Magnetanker eines Ventils nach dem Stand der Technik mit einem Mittel versehen ist, das die Verschleißbeständigkeit erhöht und dem Risiko einer Funktionsbeeinträchtigung des Ventils entgegenwirkt. Der Verschleißschutz wirkt in der Regel beim Öffnen des Ventilschließglieds bzw. des Magnetankers mit einem Polkern der elektromagnetischen Betätigungseinheit zusammen.
  • Das Ventil gemäß der Erfindung ist insbesondere zur Massenstromregelung von Gasen wie Wasserstoff und Erdgas geeignet und kann beispielsweise bei einer Brennstoffzelle oder auch bei einem Gasmotor eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Ventils nach der Erfindung umfaßt der Verschleißschutz eine Beschichtung des Magnetankers.
  • Wenn der Verschleißschutz eine Beschichtung darstellt, kann diese eine Chromschicht und/oder eine Molybdänsulfid- oder Kohlenstoffschicht bzw. eine auf PTFE basierende Schicht umfassen. Die Beschichtung kann also ein Einschicht- oder auch ein Mehrschichtsystem sein.
  • Ein an der dem Ventilsitz abgewandten Stirnseite des Magnetankers ausgebildeter Verschleißschutz bildet bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils eine strukturierte Anschlagfläche. Die strukturierte Anschlagfläche weist beispielsweise eine Waffelstruktur auf, so daß beim Betrieb des Ventils eine einfach Einebnung der einzelnen Inseln der Waffelstruktur erfolgen kann, was im Vergleich zu einem Magnetanker eines Ventils nach dem Stand der Technik zu einer größeren Tragfläche führt. Die strukturierte Anschlagfläche mit der Waffelstruktur kann beispielsweise durch die Chromschicht gebildet sein.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Beschichtung kann an der dem Ventilsitz abgewandten Stirnseite des Magnetankers als Verschleißschutz auch eine vorzugsweise teilmagnetische Anschlagscheibe, insbesondere eine Wellscheibe, angeordnet sein. Diese Anschlagscheibe bzw. Wellscheibe bildet ein Dämpfungselement mit federelastischen Eigenschaften, das zur Verringerung der Aufprallenergie dient, welche auf den Magnetanker bzw. den Polkern wirkt. Die Anschlagscheibe kann entweder an dem Magnetanker oder auch an dem Polkern befestigt sein.
  • Die Beschichtung bzw. die Anschlagscheibe an der dem Ventilsitz abgewandten Stirnseite kann auch dazu dienen, ein sogenanntes magnetisches Kleben zwischen dem Magnetanker und dem im Bereich dieser Stirnseite benachbarten Bauteil, in der Regel dem Polkern, zu verhindern. Ferner führt ein als Dämpfungselement ausgebildeter Verschleißschutz zu einer Reduzierung der Geräusche, die beim Öffnen des durch den Magnetanker gebildeten Ventilschließglieds auftreten.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
  • Zeichnung
  • Zwei Ausführungsbeispiele eines Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
  • 1 einen vereinfachten Längsschnitt durch ein Gasventil mit einem verschleißbeständigen Magnetanker;
  • 2 eine vergrößerte Darstellung des Magnetankers des Gasventils nach 1;
  • 3 eine vergrößerte, abstrahierte Darstellung des Bereichs III in 2; und
  • 4 einen schematischen Schnitt durch einen Magnetanker einer alternativen Ausführungsform eines Ventils nach der Erfindung.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein Gasventil 10 dargestellt, das zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor eines Kraftfahrzeuges ausgelegt ist und zur Regelung eines Wasserstoffstroms bzw. eines CNG(Compressed Natural Gas)-Stroms von einer Zuströmseite 11 zu einer Abströmseite 12 dient.
  • Das Gasventil 10 umfaßt 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 als Polkern wirkt und zur Anlage einer als Vorspannfeder dienenden Spiralfeder 17 dient, an deren der Zuströmseite 11 abgewandten Seite ein Magnetanker 18 anliegt, der in der Führungshülse 15 axial verschiebbar geführt ist.
  • Der Magnetanker 18 umfaßt eine im wesentlichen rohrförmige Halteeinrichtung 19 mit einer stirnseitigen Aufnahme 20, die zylindrisch ausgebildet ist und in der ein topfförmiges Ventilschließglied 21 angeordnet ist. Das Ventilschließglied 21 stellt ein Tiefziehteil dar, das an seiner Seitenwand über den Umfang verteilt im wesentlichen radial ausge richtete Abströmlöcher 22A, 22B, 22C sowie an seinem Boden ein mittig angeordnetes, axiales Abströmloch 23 aufweist. Die Abströmlöcher 22A, 22B, 22C 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 der Halteeinrichtung 19 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 topfförmigen Tiefziehteils 29 ausgebildet ist. In der Bodenplatte des topfförmigen Tiefziehteils 29 sind entlang einer Kreislinie düsenartige Öffnungen 30A, 30B eingebracht, von denen in 2 zwei Öffnungen angedeutet sind und die jeweils mit einer der Elastomerdichtungen 27 zusammenwirken, so daß bei geöffnetem Ventilschließglied 21 ein Gasstrom von dem Hochdruckraum 25 durch die düsenartigen Öffnungen 30A, 30B zu der Abströmseite 12 des Gasventils 10 erfolgt und die Öffnungen 30A, 30B bei geschlossenem Ventilschließglied 21 mittels der Elastomerdichtungen 27 abgedichtet sind.
  • Das topfförmige Tiefziehteil 29 ist mittels einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Rastvorrichtung in der Führungshülse 15 fixiert, und zwar derart, daß ein Ringwulst der Führungshülse 15 in eine Ringnut eingreift, die am Umfang der Seitenwand des topfförmigen Tiefziehteils 29 eingearbeitet ist.
  • Die Seitenwand des Tiefziehteils 29 bildet einen Schalldämpfer 31, der den düsenartigen Öffnungen 30A, 30B in der Bodenplatte des Tiefziehteils 29 nachgeordnet ist und der zusätzlich mit einer Kunststoffumspritzung 32 versehen ist.
  • Zur Führung des Magnetankers 18 in der Führungshülse 15 ist dessen Halteeinrichtung 19 mit zwei in 2 näher ersichtlichen Führungsbünden 33 und 34 versehen, von denen ein Führungsbund 33 einen zuströmseitigen Endabschnitt und der weitere Führungsbund 34 einen abströmseitigen Endabschnitt der Halteeinrichtung 19 radial umgibt. Der abströmseitige Führungsbund 34 hat einen geringeren Durchmesser als der zuströmseitige Führungsbund 33, so daß der zuströmseitige Führungsbund 33 in einem Führungshülsenbereich vergrößerten Durchmessers und der abströmseitige Führungsbund 34 in einem Führungshülsenbereich verringerten Durchmessers geführt ist. Die Führungshülse 15 ist also gestuft ausgebildet.
  • Wie 2 zu entnehmen ist, weist die Halteeinrichtung 19 in ihrem der Ausnehmung 20 abgewandten Bereich an der Außenseite eine Verschleißschutzschicht 35 auf, die aus Chrom gebildet ist. Die Chromschicht 35 wirkt einem Reibverschleiß des Magnetankers 18 in dem Bereich des zuströmseitigen Führungsbunds 33 entgegen.
  • An der der Ausnehmung 20 abgewandten Stirnseite der Halteeinrichtung 19 ist die Chromschicht 35 strukturiert ausgebildet, und zwar derart, daß sie eine Waffelstruktur auf weist, so daß einzelne Inseln 36 durch Rinnen 37 voneinander getrennt sind, wie 3 zu entnehmen ist.
  • Zusätzlich ist die Halteeinrichtung 19 im Bereich des abströmseitigen Führungsbunds 34 und der Chromschicht 35 mit einer Verschleißschutzschicht versehen, die kohlenstoffhaltig ist.
  • In 4 ist eine alternative Ausführungsform einer Halteeinrichtung 40 eines Magnetankers dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit für funktionsgleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie in 3 verwendet sind. Dieser Magnetanker ist zum Einsatz bei einem Gasventil der in 1 dargestellten Art ausgelegt und weist eine Ausnehmung 20 für ein Ventilschließglied auf. Der Haltebereich 40 unterscheidet sich von demjenigen nach 2 dadurch, daß er an der der Ausnehmung 20 abgewandten Stirnseite zusätzlich mit einer teilmagnetischen Anschlagscheibe 41 verbunden ist, die an die Chromschicht 35 grenzt.
  • Die Anschlagscheibe 41 kann aus einer handelsüblichen Wellscheibe gebildet sein und dient zur Dämpfung der beim Öffnen des Magnetankers auf die betreffenden Bauteile wirkenden Aufprallenergie.

Claims (8)

  1. Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, umfassend ein Ventilgehäuse (13), eine elektromagnetische Betätigungseinheit (14) für einen Magnetanker (18), der axial verschiebbar geführt ist und mit einem Ventilsitz (28) zusammenwirkt, so daß ein Fluidstrom von einer Zuströmseite (11) zu einer Abströmseite (12) des Ventils steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetanker (18) an seiner dem Ventilsitz (28) abgewandten Stirnseite mit einem Verschleißschutz (35, 41) versehen ist.
  2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschleißschutz eine Beschichtung (35) des Magnetankers (18) umfaßt.
  3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (35) aus einer Chromschicht und/oder einer Molybdänsulfid- oder Kohlenstoffschicht besteht.
  4. Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Verschleißschutz bildende Beschichtung (35) eine strukturierte Anschlagfläche bildet.
  5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Anschlagfläche eine Waffelstruktur aufweist.
  6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschleißschutz eine vorzugsweise teilmagnetische Anschlagscheibe (41), insbesondere eine Wellscheibe, umfaßt.
  7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagscheibe (41) an dem Magnetanker befestigt ist.
  8. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagscheibe an einem mit dem Magnetanker zusammenwirkenden Polkern befestigt ist.
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