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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.
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Ein
derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise
als Gassteuerventil bei einer Brennstoffzelle eines Kraftfahrzeuges
oder auch bei einem Gasmotor einsetzbar.
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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.
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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.
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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.
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Vorteile der
Erfindung
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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.
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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.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
eines Ventils nach der Erfindung umfaßt der Verschleißschutz
eine Beschichtung des Magnetankers.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausführungen
des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung
und den Patentansprüchen
entnehmbar.
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Zeichnung
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Zwei
Ausführungsbeispiele
eines Ventils nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen
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1 einen vereinfachten Längsschnitt durch
ein Gasventil mit einem verschleißbeständigen Magnetanker;
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2 eine vergrößerte Darstellung
des Magnetankers des Gasventils nach 1;
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3 eine vergrößerte, abstrahierte
Darstellung des Bereichs III in 2;
und
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4 einen schematischen Schnitt
durch einen Magnetanker einer alternativen Ausführungsform eines Ventils nach
der Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusätzlich ist
die Halteeinrichtung 19 im Bereich des abströmseitigen
Führungsbunds 34 und der
Chromschicht 35 mit einer Verschleißschutzschicht versehen, die
kohlenstoffhaltig ist.
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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.
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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.