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Stand der
Technik
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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 bildet beispielsweise
ein Gaseinblasventil bei einem gasmotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges
oder auch ein Gassteuerventil bei einer Brennstoffzelle.
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Das
bekannte Ventil umfasst ein Ventilgehäuse, das eine Betätigungseinheit
für einen
Magnetanker aufnimmt, der axial verschiebbar in dem Ventilgehäuse geführt ist
und als Ventilschließglied ausgebildet
bzw. mit einem Ventilschließglied
versehen ist, das mit einem in einem Bodenbereich ei nes topfförmigen Ventileinsatzes
ausgebildeten Ventilsitz zusammenwirkt, der einen Flachsitz darstellt.
Im Bodenbereich des Ventileinsatzes, der auch als Schalldämpfer dient,
sind des Weiteren Abströmöffnungen ausgebildet,
durch die in Abhängigkeit
von der Stellung des Ventilschließglieds ein Fluidstrom zu einer Abströmseite des
Ventils steuerbar ist.
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Bei
Gasventilen ist die Gestaltung der Abströmöffnungen bzw. -düsen insofern
von Bedeutung, als der durch das Ventil strömende Massenstrom durch die
Anzahl der Abströmdüsen und
durch deren Querschnitt bestimmt ist. Bei dem bekannten Ventil ist
es erforderlich, bei sich ändernden
Anforderungen hinsichtlich des Massenstroms stets einen neuen Ventileinsatz
herzustellen, was mit großem Aufwand
verbunden ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Ventil
zum Steuern eines Fluids, ins besondere zum Steuern eines Gases,
mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und
mit Abströmöffnungen,
die an einer Lochscheibe ausgebildet sind, die in einer Ausnehmung
eines Scheibengrundkörpers
angeordnet ist, hat den Vorteil, dass unabhängig von dem gewünschten
Massenstrom stets der gleiche Scheibengrundkörper eingesetzt werden kann,
in den Lochscheiben unterschiedlicher Ausführung eingesetzt werden können. Die
eingesetzte Lochscheibe, die eine plane Scheibe mit planparallelen
Flächen
darstellen kann, ist aufgrund ihrer Geometrie einfach und kostengünstig herstellbar
und kann hinsichtlich der Anzahl der eingebrachten Abströmöffnungen bzw.
-düsen
und/oder hinsichtlich deren Durchmesser bzw. Geometrie variiert
werden.
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Bei
dem Ventil nach der Erfindung wird also unabhängig von dem gewünschten
Durchfluss bzw. Massenstrom ein- und derselbe Scheibengrundkörper eingesetzt,
wobei die in den Scheibengrundkörper
eingesetzte Lochscheibe hinsichtlich der Durchmesser der Abströmöffnungen
und hinsichtlich der Anzahl der Abströmöffnungen variieren kann. Der statische
und dynamische Durchfluss durch das Ventil ist also abhängig von
der eingesetzten Lochscheibe.
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Um
eine optimierte Gasströmung
in dem Ventil nach der Erfindung zu erreichen, kann den Abströmöffnungen
schon bei dem Herstellprozess eine entsprechende Geometrie bzw.
Kontur beispielsweise mit einer abgerundeten Einströmkante verliehen werden.
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Die
Lochscheibe kann beispielsweise nach einem Stanzverfahren oder einem
mikrogalvanischen Verfahren hergestellt sein, so dass die Ausbildung
der Abströmöffnungen
durch eine entsprechende Stempelgeometrie bzw. -form bzw. durch
entsprechende Wahl mikrogalvanischer Prozessparameter einstellbar
ist. Bei diesen Verfahren können
auf einfache Weise die Anzahl der Abströmöffnungen, der Durchmesser der
Abströmöffnungen
sowie deren Geometrie festgelegt werden.
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Das
erfindungsgemäße Ventil
kann insbesondere bei einer Brennstoffzelle oder bei einem gasmotorischen
Antrieb eines Kraftfahrzeuges als Gassteuerventil bzw. Gaseinblasventil
eingesetzt werden.
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Bei
einer speziellen Ausführungsform
des Ventils nach der Erfindung ist die Lochscheibe ringförmig ausgebildet,
wobei die die Lochscheibe aufnehmende Ausnehmung des Scheibengrundkörpers zweckmäßigerweise
eine korrespondierende Grundfläche
hat. Alternativ können
die Lochscheibe und die Ausnehmung des Scheibengrundkörpers auch
mit einer kreisförmigen
oder sonstigen Geometrie ausgebildet sein.
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Zur
Sicherung der Lochscheibe in dem Scheibengrundkörper liegt die Lochscheibe
bevorzugt auf einem Ringbund und/oder auf Stegen des Scheibengrundkörpers auf.
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Vorzugsweise
ist die Lochscheibe in die Ausnehmung des Scheibengrundkörpers eingepresst. Eine
weitere Verbindungform zwischen der Lochscheibe und dem Scheibengrundkörper, beispielsweise über eine
Schweißverbindung,
ist dann in der Regel nicht zwingend erforderlich, da die Kräfte, die beispielsweise
aus einem Brennraum oder einem Saugrohr auf die Lochscheibe wirken,
im Vergleich zu Aufprallkräften
des Ventilschließglieds
und den Einpresskräften
vernachlässigbar
sind.
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Die
Lochscheibe kann so in die Ausnehmung des Scheibengrundkörpers eingebracht
sein, dass die jeweiligen Oberflächen
miteinander fluchten. Alternativ kann die Lochscheibe auch eine
gegenüber der
Stirnfläche
des Scheibengrundkörpers
erhöhte Stirnfläche haben,
was sich hinsichtlich des Öffnungsverhaltens
des Ventilschließkörpers positiv auswirken
kann.
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Der
Scheibengrundkörper
ist vorzugsweise ein aus einer Ronde hergestelltes Tiefziehteil,
das zur Herstellung der Ausnehmung für die Lochscheibe ausgestanzt
ist. Die Befestigung des Scheibengrundkörpers in dem Gehäuse des
Ventils, beispielsweise in einer Führungshülse, erfolgt vorzugsweise über einen
Presssitz.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Fünf 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
eine erste Ausführungsform
eines Gasventils;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Scheibengrundkörpers des Ventils nach 1;
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3 eine
ringförmige
Lochscheibe zum Einsatz in den Scheibengrundkörper nach 2;
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4 den
Scheibengrundkörper
nach 2 mit eingesetzter Lochscheibe;
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5 eine
alternative Ausführungsform
einer ringförmigen
Lochscheibe;
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6 eine
Ausführungsvariante
einer kreisförmigen
Lochscheibe,
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7 einen
Schnitt durch die Lochscheibe nach 6 entlang
der Linie VI-VI in 5;
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8 eine
Aufsicht auf einen Scheibengrundkörper, der zur Aufnahme der
Lochscheibe nach 6 dient;
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9 einen 7 entsprechenden
Schnitt einer kreisförmigen
Lochscheibe; und
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10 eine
Aufsicht auf eine alternative Ausführung eines Scheibengrundkörpers zur
Aufnahme der Lochscheibe nach 9.
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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 ausgelegt ist und zur Regelung
eines Gasstroms, beispielsweise aus Wasserstoff, LPG (Liquid Petroleum
Gas) oder CNG (Compressed Natural Gas), von einer Zuströmseite 11 zu
einer Abströmseite 12 dient.
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Das
Gasventil 10 umfasst ein mehrteiliges Gehäuse 13,
in dem eine Magnetspule 14 angeordnet ist, die eine Führungshülse 15 umgreift.
Die Führungshülse 15 nimmt
einen stopfenartig ausgebildeten Innenpol bzw. Polkern 16 auf,
der im Wesentlichen rohrförmig
ausgebildet ist und in den eine als Vorspannfeder für einen
Magnetanker 17 dienende Spiralfeder 18 eingeschoben
ist.
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Der
Magnetanker 17 ist axial verschiebbar in der Führungshülse 15 geführt und
in seinem dem Polkern 16 abgewandten Endbereich als Ventilschließglied 19 ausgebildet,
das über ein
stirnseitig angeordnetes Dichtelement 20 mit einem Ventilsitz 21 zusammenwirkt,
der einen Flachsitz darstellt und an einem Bodenbereich 23 eines
in den 2 und 4 näher dargestellten Ventileinsatzes 22 ausgebildet
ist.
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Der
Ventileinsatz 22 ist über
einen Presssitz mit der Führungshülse 15 verbunden.
Der Bodenbereich 23 hat zur Ausbildung des Ventilsitzes 21 zwei ringförmige Absätze 24 und 25,
auf denen das Dichtelement 20 bei geschlossenem Ventilschließglied 19 aufliegt.
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Zwischen
den konzentrisch angeordneten Absätzen 24 und 25 ist
eine ringförmige
Ausnehmung 26 des Bodenbereichs 23 ausgebildet,
die zur Aufnahme einer in 3 in Alleinstellung
dargestellten, ringförmigen
Lochscheibe 27 dient. Die Lochscheibe 27 ist im
montierten Zustand in die Ausnehmung 26 des mithin einen
Scheibengrundkörper
bildenden Ventileinsatzes 22 eingepresst, so dass sie auf
vier radialen Stegen 28A, 28B, 28C und 28D aufliegt.
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Die
Lochscheibe 27 weist in Umfangsrichtung verteilt eine Vielzahl
von Abströmöffnungen bzw.
-düsen 29 auf,
die jeweils eine abgerundete Einströmkante haben und zu der Abströmseite 12 des Gasventils 10 führen. Die
Lochscheibe 27 ist in Stanztechnik hergestellt, wohingegen
der Scheibengrundkörper 22 ein
Tiefziehteil ist, in das die Ausnehmung 26 eingestanzt
ist.
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Der
topfförmig
ausgebildete Scheibengrundkörper 22 bildet
auch einen Schalldämpfer
zur Reduzierung der Betriebsgeräusche
des Gasventils 10.
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Der
mit den ringförmigen
Absätzen 24 und 25 zusammenwirkende
Magnetanker 17 ist rohrförmig ausgebildet und weist
einen Innenraum 30 auf, der mit der Zuströmseite 11 des
Gasventils 10 in Verbindung steht und von dem radiale Abströmbohrungen 31 und
eine axiale Abströmbohrung 32 abzweigen.
Die axiale Abströmbohrung 32 führt an die
Stirnseite des Ventilschließglieds 19.
Die radialen Abströmbohrungen 27 führen zu
einem Hochdruckraum 32, der von dem Magnetanker 17,
der Führungshülse 15 und
dem Scheibengrundkörper 22 begrenzt
ist.
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In 4 ist
einen alternative Ausführung
einer Lochscheibe 27' dargestellt,
die ebenfalls ringförmig
ausgebildet ist und mit drei nierenförmigen Abströmöffnung 29' versehen ist.
Die Lochscheibe 27 ist in einen Scheibengrundkörper der
in 2 dargestellten Art einsetzbar.
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In
den 6 und 7 ist eine alternative Ausführung einer
Lochscheibe 27'' dargestellt,
die einen kreisförmigen
Grundriss hat und ebenfalls mit einer Vielzahl von Abströmdüsen 29 versehen
ist, die entlang einer Kreislinie angeordnet sind. Die Abströmdüsen 29 haben
jeweils einen Durchmesser D von beispielsweise 0,5 mm. Einströmkantenseitig sind
die Abströmdüsen mit
einem Radius R von beispielsweise 0,5 mm versehen. Die Abströmdüsen 29 sind
bei diesem Ausführungsbeispiel
nach einem mikrogalvanischen Verfahren hergestellt. An der Oberfläche der
Lochscheibe 27'' sind zwei ringförmige, wulstartige
Absätze 24' und 25' ausgebildet,
die zur Auflage eines Dichtelementes eines Ventilschließglieds
dienen.
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Alternativ
können
an der Lochscheibe 27'' auch mindestens
zwei, beispielsweise drei nierenförmige Abströmöffnungen ausgebildet sein.
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Die
Lochscheibe 27'' ist in Einbaulage
in einer kreisförmigen
Ausnehmung 26'' im Bodenbereich 23'' eines in 8 dargestellten
Scheibengrundkörpers 22'' angeordnet, dessen Mantelbereich
entsprechend dem Mantelbereich des Grundkörpers des in 1 dargestellten
Gasventils ausgebildet ist und der einen Schalldämpfer eines Gasventils der
in 1 dargestellten Art bildet.
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Die
Lochscheibe 27'', die auch einen
Ventilsitz für
ein Ventilschließglied
eines Magnetankers bildet, ist über
einen Presssitz mit dem Scheibengrundkörper 22'' verbunden
und liegt auf rechtwinklig zueinander angeordneten Stegen 28A'', 28B'', 28C'' und 28D'' sowie
auf einem ringförmigen
Absatz 35 auf.
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In 9 ist
eine weitere Ausführungsvariante
einer kreisförmigen
Lochscheibe 27''' dargestellt, die ebenfalls mit
einer Vielzahl entlang einer Kreislinie angeordneten Abströmdüsen 29 versehen
ist. Einströmseitig
sind die Abströmdüsen 29 jeweils
von einer Ringwulst 36 umgeben.
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Bei
einer weiteren Ausführungsvariante
eines Scheibengrundkörpers 22''',
der in 10 dargestellt ist und beispielsweise
zur Aufnahme der Lochscheibe nach 5 dient,
ist ein Bodenbereich 23''' mit einer kreisförmigen Ausnehmung 26''' versehen,
wobei die Lochscheibe in Einbau lage auf einem ringförmigen Absatz 35''' aufliegt.
Entsprechend dem in 7 dargestellten Scheibengrundkörper ist
auch der Scheibengrundkörper 22''' Bestandteil
eines Gasventils der in 1 näher dargestellten Art.