DE10325196B3

DE10325196B3 - Bypassventil

Info

Publication number: DE10325196B3
Application number: DE2003125196
Authority: DE
Inventors: Björn RENTEMEISTER; Niels Fries; Rolf Lappan; Rolf Nowak
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: DE10325196B8

Abstract

Eine Schaltklappe, die insbesondere für ein Bypassventil zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug-Brennstoffaggregat geeignet ist, weist einen Klappenteller (10) auf. Der Klappenteller (10) ist mit einer außerhalb des Klappentellers angeordneten Welle (12) verbunden. Um die Dichtigkeit des Ventils zu erhöhen, ist erfindungsgemäß ein am Umfang des Klappentellers (10) angeordnetes Dichtelement (20) mit mindestens zwei zueinander parallel verlaufenden Dichtlippen (22, 24) vorgesehen. Auf Grund der hierdurch erzielbaren hohen Dichtigkeit ist ein Ventil, das eine erfindungsgemäße Schaltklappe aufweist, auch für Brennstoffzellen- und Reformeranwendungen geeignet, in denen auf Grund der verwendeten Medien eine sehr hohe Dichtigkeit erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bypassventil für Kraftfahrzeug-Brennstoffaggregate, die mit dünnflüssigen Medien, insbesondere dünnflüssigen Gasen, d.h. Medien mit sehr kleinen Molekülen, betrieben werden.

Brennstoffaggregate für Kraftfahrzeuge weisen eine Brennstoffzelle auf, in der üblicher Weise unter Einsatz von Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt wird. Ggf. ist der Brennstoffzelle ein Reformer vorgeschaltet. Mit Hilfe des Reformers kann aus herkömmlichen Kraftstoffen, wie Benzin, Diesel oder Methanol, Wasserstoff gewonnen werden, der sodann der Brennstoffzelle zugeführt wird. Durch das Vorschalten eines Reformers können Brennstoffaggregate in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ohne dass eine Flächen deckende Versorgung mit Wasserstoff gewährleistet sein muss. Zwischen dem Reformer und der Brennstoffzelle bzw. zwischen einem Wasserstofftank und der Brennstoffzelle sind im Allgemeinen regelbare Ventile erforderlich, um der Brennstoffzelle die entsprechende Menge an Sauerstoff und Wasserstoff zuführen zu können.

Bei Brennstoffaggregaten ist es erforderlich, dass die verwendeten Ventile einen Strömungskanal o.dgl. äußerst dicht abschließen. Dies ist beispielsweise bei dem Einsatz von Wasserstoff erforderlich, da bereits Wasserstoff-Luft-Gemische bei geringem Anteil an Wasserstoff explodieren können. Sehr hohe Dichtigkeiten der Ventile sind ferner erforderlich, da es sich bei Wasserstoff um ein dünnflüssiges Gas, d.h. ein Gas mit sehr kleinen Molekülen, handelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bypassventil, insbesondere für in Brennstoffzellen- und Reformeranwendungen, zu schaffen, bei denen eine hohe Dichtigkeit gewährleistet ist.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Das Bypassventil zum Einsatz in Kraftfahrzeug-Brennstoffaggregaten weist einen in einem Ventilgehäuse angeordnetem Strömungskanal sowie einen weiteren in diesen Strömungskanal einmündenden Strömungskanal auf. Ferner ist in dem Ventilgehäuse eine Schaltklappe vorgesehen, die in zwei Endstellungen gebracht werden kann. Hierdurch werden die Strömungskanäle unterschiedlich miteinander verbunden. Erfindungsgemäß weist die Schaltklappe des Bypassventils einen Klappenteller auf, mit dem eine Welle zur Betätigung des Klappentellers verbunden ist, die außerhalb des Klappentellers angeordnet ist. Ferner ist am Klappentellerumfang ein Dichtelement vorgesehen. Auf Grund der exzentrischen Lagerung des Klappentellers ist es möglich, ein über den gesamten Umfang des Klappentellers anliegendes, beispielsweise ringförmiges Dichtelement vorzusehen. Die Dichtebene zwischen der Schaltklappe und einem Strömungskanal ist somit unabhängig von der Wellenlagerung, da sich die Wellenlagerung außerhalb der Dichtebene befindet. Dies hat den Vorteil, dass die Abdichtung der Welle und die Abdichtung der Klappe voneinander entkoppelt sind.

Durch das externe Lagern der Schaltklappe erfolgt eine andere Bewegung des Dichtelements als bei einer zentral gelagerten Schaltklappe. Dies bedeutet, dass sich ein beliebig auf dem Dichtelement ausgewählter Punkt bei einer externen Lagerung auf einer anderen Bahn bewegt als bei einer mittigen Lagerung. Dies hat zur Folge, dass das Bypassventil, das zwei Endstellungen hat, in denen ein gasdichtes Abdichten erforderlich ist, das Dichtelement unterschiedlich an der Innenwand des Strömungskanals anliegt. Dies kann bei der Verwendung herkömmlicher Dichtungen zu Undichtigkeiten führen. Erfindungsgemäß wird daher ein an dem gesamten Klappentellerumfang angeordnetes Dichtelement mit mindestens drei Dichtlippen vorgesehen, wobei die Dichtlippen vorzugsweise in Umfangsrichtung verlaufen und vorzugsweise zueinander im Wesentlichen parallel sind, solange sie nicht durch die Anlage an einer Kanalwand verformt sind. Ggf. können auch mehr als drei Dichtlippen vorgesehen sein, wobei zusätzliche Dichtlippen vorzugsweise nur in den Bereichen vorgesehen sind, in denen sich die Anlagebereiche der Dichtlippen in den beiden Endstellungen eines Ventils relativ stark unterscheiden. Durch das Vorsehen eines derartigen Dichtelements kann auch bei außermittig gelagerten Schaltklappen eine gute Dichtigkeit erzielt werden. Auf Grund der Doppellippigkeit wird die Dichtigkeit durch anstehenden Druck weiter erhöht. Hierbei wird unter Doppellippigkeit verstanden, dass an einer Kanalinnenwand mindestens zwei Dichtlippen anliegen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Dichtlippen über Stege miteinander verbunden. Hierdurch wird, sobald eine Kraft auf eine Dichtlippe ausgeübt wird, diese auch auf die zweite Dichtlippe übertragen. Dies hat zur Folge, dass die Dichtigkeit weiter erhöht wird. Insbesondere liegen in den Endstellungen stets mindestens zwei Dichtlippen an der Innenwand des Kanals an. Hierdurch wird die Dichtwirkung weiter verbessert.

Vorzugsweise sind die Stege im Bereich der Welle angeordnet. Hierbei handelt es sich um den Bereich, in dem beim Drehen der Schaltklappe Reibung zwischen dem Dichtelement und einer Kanalinnenwand auftritt. Insbesondere weisen die Stege die Funktion auf, ein Durchströmen zu verhindern. Durch die Stege ist somit sichergestellt, dass auch bei einer Undichtigkeit einer in Strömungsrichtung gesehen ersten Dichtlippe die Undichtigkeit der gesamten Schaltklappe vermieden ist, da die Schaltklappe immer noch durch die zweite bzw. dritte Dichtlippe und die Stege abgedichtet ist.

Insbesondere ist es mit Hilfe eines Ventils, das die erfindungsgemäße Schaltklappe aufweist, möglich, auch sehr geringe Massenströme exakt zu regeln. Dies ist insbesondere auch bei Verwendung von Ventilen gewährleistet, die für dünnflüssige Medien eingesetzt werden.

Das Dichtelement besteht vorzugsweise aus korrosionsbeständigem Material, wobei insbesondere auch eine Korrosionsbeständigkeit hinsichtlich in Brennstoffaggregaten verwendeter Medien gegeben ist. Vorzugsweise handelt es sich um ein geeignetes Elastomer.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Bypassventils,
2 eine schematische Vergrößerung des Bereichs II in 1,
3 eine schematische Draufsicht einer Schaltklappe und
4 eine schematische, teilweise geschnittene Vorderansicht der Schaltklappe in einer Endstellung.
Anhand von 1 ist das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schaltklappe ersichtlich, wobei die Darstellung zur Verdeutlichung stark schematisiert und vereinfacht ist. Ein Klappenteller 10 einer erfindungsgemäßen Schaltklappe weist eine Welle 12 (3) auf, die um einen Punkt 14 schwenkbar ist. Die Welle 12 ist in einem Gehäuseteil 16 (3), das den Klappenteller trägt, aufgenommen. Dies ist in 1 vereinfacht durch die Linie 18 dargestellt.
Bei dem Klappenteller 10 handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um einen kreisrunden Klappenteller. Dieser weist entlang seines Umfangs ein ringförmiges Dichtelement 20 auf. Das Dichtelement 20 weist drei sich ggf. um den gesamten Umfang erstreckende Dichtlippen 22, 23, 24 auf. Hierbei weisen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden äußeren Dichtlippen 22, 24 den gleichen Außenumfang auf. Die mittlere Dichtlippe 23 steht in radialer Richtung über die beiden äußeren Dichtlippen 22, 24 vor und weist somit im dargestellten Ausführungsbeispiel einen größeren Umfang auf.
Aus 1 ist ersichtlich, dass in der durch durchgezogene Linien dargestellte Stellung der Schaltklappe in einem Endbereich die Dichtlippen 22, 23 und auf der gegenüber liegenden Seite die Dichtlippen 23, 24 an einer Innenwand 26 eines Strömungskanals 28 anliegt. Der Übergang zwischen der Anlage der Dichtlippe 22 und der Anlage der Dichtlippe 24 erfolgt im Allgemeinen kontinuierlich. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass in 1 eine Schaltklappe mit elastischem, Dichtelement 20 dargestellt ist, das eine derartige Nachgiebigkeit aufweist, dass stets zwei Dichtlippen 22, 23 bzw. 23, 24 an der Kanalinnenwand 26 anliegen. Im Bereich der Welle liegen hierbei ggf, alle drei Dichtlippen 22, 23, 24 an.
Beim Drehen der Schaltklappe in Richtung eines Pfeils 30 in die gestrichelt dargestellte Stellung erfolgt eine Veränderung der Anlageverhältnisse der beiden Dichtlippen 22, 23 bzw. 23, 24. In den dargestellten Randbereichen liegt nunmehr das jeweils andere Dichtlippenpaar 22, 23 bzw. 23, 24 an. Dies liegt darin begründet, dass der Drehpunkt 14 einen Abstand zum Klappenteller 10 aufweist. Durch das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Schaltklappe in einem Bypassventil, das zusätzlich zu dem Strömungskanal 28 einen Strömungskanal 32 aufweist, so dass die Strömung je nach Ventilstellung beispielsweise in Richtung eines Pfeils 34 bzw. 36 oder in entgegengesetzter Richtung verläuft. Das erfindungsgemäße Bypassventil erfüllt die hohen Anforderungen an die interne und externe Leckage bei geringem Kraftaufwand. Ferner sind zum Betätigen der Schaltklappe sowie zur Erfüllung der Leckageanforderungen nur geringe Kräfte erforderlich.
Die beiden Dichtlippen 22, 24 sind über Stege 34 (3) miteinander verbunden. Im dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind vier Stege vorgesehen. Die Stege 34 sind vorzugsweise in einem Bereich 36 der Welle 12 angeordnet. Die Stege 34 sind somit im dargestellten Ausführungsbeispiel im Bereich 36 einer Projektion 38 der Welle 14 vorgesehen. Dies bedeutet, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden Stege 34 in der Dichtebene 40 unmittelbar neben der durch gestrichelte Linien dargestellten Projektion der Welle 12 in die Dichtebene 40 angeordnet sind. Bei der in 3 dargestellten Ansicht der Schaltklappe handelt es sich beispielsweise um eine Ansicht von oben. Vorzugsweise sind die beiden Stege 34 auf der gegenüber liegenden Seite der Dichtung 20, d.h. bezogen auf die in 3 dargestellte Darstellung unten angeordnet. Die Stege weisen die wesentlichen Funktion auf, dass eine Undichtigkeit der in Strömungsrichtung gesehen ersten Dichtlippe nicht automatisch zu Undichtigkeit der gesamten Schaltklappe führt, da die Schaltklappe immer noch durch die Stege 34 und die zweite Dichtlippe abgedichtet ist.
In 4, in der die Schaltklappe in einer Endstellung, d.h. in einer abdichtenden Stellung, in einem Gehäuse 42 dargestellt ist, in dem der Strömungskanal 28 verläuft, ist die durch die exzentrische Lagerung hervorgerufene Verformung des Dichtelements 20 ersichtlich. Deutlich sichtbar ist, dass das Dichtelement 24 auf der in 4 linken Seite stärker zusammengedrückt ist als auf der rechten Seite. Die Verformung des Dichtelements 20 ist in der anderen Endstellung umgekehrt, so dass der in der einen Endstellung gering verformte Bereich in der anderen Stellung stark verformt ist und umgekehrt.

Claims

Bypassventil zum Einsatz in Kraftfahrzeug-Brennstoffaggregaten, mit einem in einem Ventilgehäuse angeordneten Strömungskanal (28), einem in den Strömungskanal (28) einmündenden Strömungskanal (32) und einer Schaltklappe, durch die in zwei Endstellungen die Strömungskanäle (28, 32) unterschiedlich miteinander verbindbar sind, wobei die Schaltklappe einen Klappenteller (10) mit einer außerhalb angeordneten Welle (12) aufweist und am Klappentellerumfang mindestens drei im Wesentlichen parallel zueinander in Umfangsrichtung verlaufende Dichtlippen (22, 23, 24) vorgesehen sind, von denen eine in Radialrichtung gegenüber mindestens einer anderen vorsteht.
Bypassventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere der drei Dichtlippen (22, 23, 24) in Radialrichtung gegenüber mindestens einer anderen Dichtlippe (22, 24) vorsteht.
Bypassventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippen (22, 24) über Stege (34) miteinander verbunden sind.
Bypassventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Steg (34) im Bereich (36) der Welle (12) angeordnet ist.
Bypassventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar angrenzend an die Projektion (38) der Welle (12) in eine Dichtebene (40) jeweils ein Steg (34) vorgesehen ist.