EP4341590A1 - Ventilanordnung - Google Patents
VentilanordnungInfo
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- EP4341590A1 EP4341590A1 EP22729600.1A EP22729600A EP4341590A1 EP 4341590 A1 EP4341590 A1 EP 4341590A1 EP 22729600 A EP22729600 A EP 22729600A EP 4341590 A1 EP4341590 A1 EP 4341590A1
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Definitions
- the invention relates to a valve arrangement, in particular for a gas line, in particular for a gas line of a fuel cell arrangement and/or a motor vehicle drive arrangement.
- valve flap performs a pivoting movement about a pivot axis arranged more or less centrally within the gas line.
- These can usually be actuated with relatively low actuating forces, but require a relatively high production cost in order to achieve optimal sealing and low abrasion.
- a butterfly valve has become known from publication EP 2 299 151 A2, in which the pivot axis of a valve disk is offset in two directions.
- a surface forming the valve seat is partially conical.
- Document GB 2516094 A discloses a butterfly valve in which the pivot axis of a valve member is offset in two directions.
- a surface forming the valve seat is conical.
- a butterfly valve has become known from publication WO 2014/175886 A1, in which the pivot axis of a valve member is offset in two directions. A blade-like edge running around the circumference is formed on the valve member and comes into contact with the valve seat in the closed position.
- the valve arrangement is provided in particular for a gas line, in particular for a gas line of a fuel cell arrangement and/or a motor vehicle drive arrangement.
- the valve arrangement has a housing with a fluid line, a valve arranged in the fluid line with a valve seat, a valve flap and a valve opening, the valve flap about a pivot axis between a closed position, in which the valve flap rests on the valve seat and closes the valve opening in a fluid-tight manner. and an open position, in which the valve flap releases the valve opening, can be pivoted, the valve flap in the closed position defining the XY plane of a coordinate system and the pivot axis at a distance from the XY plane is arranged and defines the Y direction of the coordinate system.
- the valve arrangement is characterized by an alignment mechanism with which the arrangement in which the valve flap is in the closed position relative to the valve seat can be aligned and fixed at least in the X direction.
- the fluid line can have a line axis which is arranged essentially in the Z-direction of the coordinate system, ie approximately perpendicular to the plane of the valve flap in the closed position.
- the valve flap can be pivoted about a pivot axis so that it can pivot back and forth between the closed position and the open position.
- the valve arrangement can have a swivel drive, in particular with an electric actuator.
- the swivel drive can be integrated into the housing of the valve arrangement.
- the valve may have an elastic seal located either on the valve flap or on the valve seat.
- a separate sealing element can be produced from an elastic material and connected to the valve seat or the valve flap, for example an O-ring can be inserted into a groove running around the valve flap.
- Such a separate seal is particularly useful if the valve flap or the valve seat is manufactured in a machining process, for example from metal. If the valve seat or the valve flap is produced in an injection molding process, in particular from plastic, the elastic seal can be inserted into the production mold or molded on as a separate part.
- the pivot axis of the valve flap is arranged at a distance from the XY plane, ie from the plane of the valve flap in the closed position. It is therefore “outside the valve flap” and is offset from the plane in which the valve seat is arranged.
- the pivot axis can in particular also be offset in the X-direction relative to the line axis. This arrangement of the pivot axis is of Known butterfly valves and is also referred to as double staggered arrangement.
- the valve arrangement has an alignment mechanism with which the arrangement in which the valve flap is in the closed position relative to the valve seat can be aligned and fixed at least in the X direction.
- the alignment of the valve flap in the X-direction is predetermined by the pivot axis and cannot be adjusted. This makes it necessary to keep the tolerances that are unavoidable during production and assembly small and/or to compensate for them with generously dimensioned, elastic seals.
- the invention it is instead possible to align the arrangement of the valve flap in the closed position in order to compensate for the unavoidable tolerances and then to fix the valve flap in this aligned position. As a result, a very good seal can be achieved without causing greater actuating forces and greater wear.
- the arrangement in which the valve flap is in the closed position relative to the valve seat can also be aligned and fixed in the Y-direction with the alignment mechanism. A fine adjustment is thus also possible in the direction of the pivot axis with the aid of the alignment mechanism.
- the arrangement in which the valve flap is in the closed position relative to the valve seat can also be aligned and fixed in the Z direction with the alignment mechanism.
- This additional alignment option not only allows the position of the valve flap to be adjusted in the valve plane, but also in the direction of the line axis. In particular, this makes it possible to influence the contact pressure on an elastic seal that is arranged between the valve seat and the valve flap.
- the valve has a shaft for pivoting the valve flap, with the alignment mechanism relating to the attachment of the valve flap to the shaft.
- the shaft can in particular be connected to an actuator which is arranged outside the line and for example in the housing.
- the valve flap is firmly connected to the shaft without the possibility of fine adjustment, in particular by being pressed on.
- an alignment mechanism acting between the shaft and the valve flap is provided, with which the arrangement of the valve flap relative to the shaft can be adjusted. In this way, the arrangement of the valve flap can be easily adjusted without requiring structural changes on the part of the actuator or the bearing of the shaft.
- the alignment mechanism has a screw attachment of the valve flap to the shaft. In this way the location of the butterfly valve relative to the shaft can easily be adjusted prior to tightening the bolts.
- the shaft has at least one through hole in which a screw of the screw attachment is arranged, and a flat, first stop surface which surrounds the through hole on a side of the shaft facing the valve flap and which is clamped to the valve flap by the screw attachment.
- the valve flap can be easily and securely attached to the shaft.
- the outer diameter of the screw is smaller than a cross-sectional dimension of the through hole to allow alignment in the XY plane.
- the screw is therefore not fitted exactly into the through hole, but is subject to play due to the above-mentioned matching of the outer diameter of the screw to the cross-sectional dimension of the through hole, so that the arrangement of the valve flap in the XY plane is only fixed when the screw is tightened.
- the through hole can be circular in cross section, in which case the Cross-sectional dimension the inner diameter of the through hole.
- the through-hole can also have an elongate, elliptical or other cross-sectional geometry, in particular it can be designed as an elongated hole.
- the cross-sectional dimension corresponds to a maximum opening width of the through hole.
- the outer diameter of the screw can be at least 2%, at least 10% or at least 15% smaller than the cross-sectional dimension of the through hole. The resulting play is sufficient for the desired alignment.
- a lower limit for the outer diameter of the screw is given by the strength requirements. For example, it may be at least 10% or at least 20% of the cross-sectional dimension of the through hole.
- the shaft has a second stop surface on a side facing away from the valve flap, which is arranged plane-parallel to the first stop surface and on which a head of the screw is supported. It goes without saying that the head of the screw does not have to be in direct contact with the second stop surface for this purpose, but that a washer, for example, can be arranged in between if necessary. Due to the two plane-parallel stop surfaces, the unit formed by the valve flap and the screw can be displaced overall in the X-Y plane along the plane-parallel stop surfaces until the desired alignment is achieved.
- a blind hole with a thread, into which the screw is screwed, is formed on the valve flap.
- This solution ensures that the valve flap is not leaked by the alignment mechanism.
- the valve flap can be smooth and/or flat on the side facing away from the pivot axis, which can be advantageous in terms of flow technology, particularly in the open position.
- the shaft has two through holes, which are arranged on both sides of a central axis of the line and in each of which a screw is arranged.
- the two abutment surfaces mentioned can be made so large that they both have through-holes include, in other words, a central portion of the shaft is flattened from both sides. This also has advantages in terms of flow technology and can simplify production and the desired alignment of the valve flap relative to the shaft.
- the alignment mechanism includes an adhesive or welded attachment of the valve flap to the shaft.
- the valve flap can be aligned in the desired manner before the assembly of the valve arrangement and fixed by subsequent welding or curing of the adhesive bond.
- the welding attachment can in particular be carried out by laser welding, in particular in connection with a valve flap and a shaft made of a thermoplastic material.
- the shaft has a through hole into which a pin formed on the valve flap is inserted, with an annular gap being formed between the pin and the through hole, which allows the valve flap to be aligned when the valve assembly is installed and which when the valve assembly is fastened Valve flap on the shaft is at least partially closed by gluing or welding.
- the described alignment of the valve flap in the XY plane is possible through the annular gap.
- the length of the pin and the through-hole can be matched to one another in such a way that the desired attachment is also successful after adjustment in the Z-direction.
- the object specified above is also achieved by the fuel cell arrangement with the features of claim 13.
- the fuel cell arrangement is intended in particular for a motor vehicle drive and has at least one fuel cell and a gas line for supplying and/or discharging gas to or from the at least one fuel cell.
- the fuel cell arrangement has a valve arrangement according to one of Claims 1 to 12 for blocking the gas line by moving the valve flap into the closed position.
- the fuel cell can in particular be a hydrogen fuel cell.
- the object specified above is also achieved by the motor vehicle with the features of claim 14.
- the motor vehicle has a line and a valve arrangement according to one of claims 1 to 12 for blocking the line by moving the valve flap into the closed position, the line in particular being a gas line a motor vehicle drive and/or a fuel cell arrangement of the motor vehicle.
- Figure 1 shows a valve assembly in a perspective view
- FIG. 2 shows the valve arrangement from FIG. 1 in a further perspective representation, partly in section,
- FIG. 3 shows the valve arrangement from FIG. 1 in a sectional view
- FIG. 4 shows the valve arrangement from FIG. 1 in a further sectional view
- Figure 5 shows another valve assembly in a sectional view
- FIG. 6 shows another valve arrangement, also in a sectional view.
- the valve arrangement from FIG. 1 has a housing 10 through which a fluid line 12 is formed.
- the fluid line 12 has a circular cross-section. Facing the viewer is a flange 14 of the housing 10, via which the valve arrangement can be connected to a further piece of line.
- a valve flap 16 is shown in FIG. 1, as well as in all other figures, in its closed position.
- the valve flap 16 bears with its outer, circular edge against an elastic seal 18 which forms a valve seat.
- the valve flap 16 is disc-shaped. In the closed position shown, it is arranged orthogonally to a line axis 20 (see FIG. 2) of the fluid line 12 and defines an XY plane of a coordinate system 22 that is used for the further description of the respective directions.
- Line axis 20 is a central longitudinal axis of fluid line 12 in the area of valve flap 16.
- a shaft 24 of the valve which defines a pivot axis of the valve flap 16, runs parallel to the Y axis of this coordinate system 22 .
- the shaft 24 runs transversely through the fluid line 12 and is connected to an electrical actuator 26 of the valve arrangement which is flanged to the housing 10 .
- the electric actuator 26 serves as an actuating drive for the valve and can move the valve flap 16 back and forth between the closed position shown and an open position (not shown) by rotating the shaft 24 .
- the alignment mechanism for aligning and fixing the valve flap 16 relative to the valve seat is implemented in the exemplary embodiment in FIGS. 1 to 4 and in the exemplary embodiment in FIG. It can be seen in FIG. 1 that the shaft 24 has two plane-parallel stop surfaces in a middle section. A first, flat stop surface 28 is located in FIG. 1 on the side of the shaft 24 facing away from the viewer. A second, flat stop surface 30 faces the viewer. At a distance on both sides of the line axis and within the two stop surfaces 20, 30, the shaft 24 has two through holes 32 (see FIG. 3), through each of which a screw 34 is passed.
- valve flap 16 On the side of the valve flap 16 facing the viewer in Figure 1, which also faces the shaft 24 and its first stop surface 28, the valve flap 16 has two dome-like projections 36, in each of which a blind hole 38 (see Figure 3) with a thread is formed, in each of which one of the screws 34 is screwed. In this way, the valve flap 16 is braced against the first stop face 28 .
- the inner diameter of the through holes 32 is larger than the outer diameter of the screws 34, so that the screw connection has play in the X-direction and in the Y-direction. Therefore, when assembling the valve assembly, prior to tightening the screws 34, the valve flapper 16 can be aligned in the XY plane and matched to the valve seat. The screws 34 are then tightened, thereby fixing the arrangement of the valve flap 16 relative to the valve seat.
- the line axis 20 of the fluid line 12 is shown in FIG. It can be seen that it runs along the Z-direction of the coordinate system 22 that is also shown.
- the flattened cross section of the shaft in the central longitudinal section with the two stop surfaces 28, 30 is also clearly visible.
- the complex cross-sectional geometry of the circumferential, elastic seal 18 is also clearly visible, and that this seal 18 fits into the circular opening of the housing 10, which Fluid line 12 forms, is used.
- the shaft 24 extends along the pivot axis of the valve flap 16. The pivot axis is located at a distance from the plane of the valve flap 16.
- the sectional plane runs parallel to the X-Z plane.
- the essential elements of the alignment mechanism can be clearly seen in FIG. It can be seen that the inside diameters of the two through holes 32 are significantly larger than the outside diameters of the screws 34, so that the valve flap 16 can be aligned relative to the valve seat in the X-Y plane. It is also clearly evident that the valve flap 16 is clamped to the first stop surface 28 via the screws 34 and that the heads of the screws 34 bear against the second stop surface 30 .
- the shaft 24 is rotatably mounted in the housing 10 and connected to the electric actuator 26 (only indicated in outline on the right in FIG. 3).
- FIG. 4 shows the arrangement from FIGS. 1 to 3 again in a different sectional plane.
- the sectional plane runs parallel to the XZ plane of the coordinate system 22.
- the shaft 24 and thus the pivot axis of the valve flap 16 is arranged perpendicular to the line axis 20 of the fluid line 12 and laterally (in the X direction) offset thereto.
- FIG. 5 only a few elements of another valve arrangement are shown in section.
- the valve flap 16 has a circumferential groove 40 into which an O-ring is inserted as an elastic seal 18 . This seals against valve seat 42 .
- a screw connection with a screw 34 which is inserted through a through hole 32 in a shaft 24 with play is also used as the alignment mechanism.
- the screw 34 is screwed into a threaded blind hole 38 which is formed in a dome-like extension 36 on the valve flap 16 .
- the shaft 24 has a flat stop surface 28 on the side facing the valve flap 16, with which the valve flap 16 is clamped via the screw 34, and a second stop surface 30, aligned plane-parallel to the first stop surface 28, on which the Head of the screw 34 rests.
- FIG. 6 also shows only selected elements of another valve arrangement in a sectional view.
- the valve flap 16 is provided with a circumferential groove 40, similar to that of FIG. 5, into which an elastic seal 18 in the form of an O-ring is inserted.
- another alignment mechanism is provided that does not have a screw connection. Instead of the screw connection, a pin 44 is formed on the valve flap 16 and is guided into a through hole 32 in the shaft 24 .
- the diameter of the through hole 32 is selected to be larger than the outer diameter of the pin 44, so that this arrangement is initially subject to play to the extent that an alignment of the valve flap 16 relative to the valve seat 42 is possible, specifically in X, Y, and Z Direction.
- a permanent connection between the journal 44 and the shaft 24 is produced by laser welding, the annular gap formed between the journal 44 and the through-hole 32 being completely or partially closed.
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Abstract
Ventilanordnung, insbesondere für eine Gasleitung, insbesondere für eine Gasleitung einer Brennstoffzellenanordnung und/oder einer Kraftfahrzeugantriebsanordnung, wobei die Ventilanordnung ein Gehäuse (10) mit einer Fluidleitung (12), ein in der Fluidleitung (12) angeordnetes Ventil mit einem Ventilsitz (42), einer Ventilklappe (16) und einer Ventilöffnung aufweist, wobei die Ventilklappe (16) um eine Schwenkachse zwischen einer Schließstellung, in der die Ventilklappe (16) an dem Ventilsitz (42) anliegt und die Ventilöffnung fluiddicht verschließt, und einer Offenstellung, in der die Ventilklappe (16) die Ventilöffnung freigibt, schwenkbar ist, wobei die Ventilklappe (16) in der Schließstellung die X-Y-Ebene eines Koordinatensystems (22) definiert und die Schwenkachse in einem Abstand von der X-Y-Ebene angeordnet ist und die Y-Richtung des Koordinatensystems (22) definiert, wobei die Ventilanordnung einen Ausrichtmechanismus aufweist, mit dem die Anordnung, in der sich die Ventilklappe (16) in der Schließstellung relativ zu dem Ventilsitz (42) befindet, mindestens in der X-Richtung ausrichtbar und fixierbar ist.
Description
Beschreibung
Ventilanordnung
Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung, insbesondere für eine Gasleitung, insbesondere für eine Gasleitung einer Brennstoffzellenanordnung und/oder einer Kraftfahrzeugantriebsanordnung.
Ventile zum Öffnen und Schließen von Leitungen, insbesondere Gasleitungen, müssen vielfältige Anforderungen erfüllen. So soll bei geschlossenem Ventil eine möglichst perfekte Abdichtung erzielt werden, gleichzeitig soll das Ventil mit möglichst geringen Stellkräften betätigt werden können. Mit Blick auf die Lebensdauer, aber auch zur Vermeidung von Verschmutzungen soll im Bereich der miteinander zusammenwirkenden Dichtflächen ein möglichst geringer Verschleiß gewährleistet werden. Wird die Ventilanordnung zum Beispiel für eine Wasserstoff-Brennstoffzelle eingesetzt, spielt die Dichtigkeit bei geschlossenem Ventil eine besonders große Rolle, weil bei abgeschaltetem Antrieb ein Eindringen von Luft bzw. Sauerstoff verhindert werden muss, um eine Korrosion der Brennstoffzelle zu vermeiden.
Um die genannten Anforderungen möglichst weitgehend zu erfüllen, werden häufig sogenannte Schmetterlingsventile eingesetzt. Bei diesen führt die Ventilklappe eine Schwenkbewegung um eine mehr oder weniger mittig innerhalb der Gasleitung angeordnete Schwenkachse aus. Diese können zumeist mit relativ geringen Stellkräften betätigt werden, erfordern jedoch einen relativ hohen Fertigungsaufwand, um eine optimale Abdichtung und einen geringen Abrieb zu erzielen.
Aus der Druckschrift EP 2 299 151 A2 ist ein Schmetterlingsventil bekannt geworden, bei dem die Schwenkachse einer Ventilscheibe in zwei Richtungen versetzt angeordnet ist. Eine den Ventilsitz bildende Fläche ist teilweise konisch ausgebildet.
Aus der Druckschrift GB 2516094 A ist ein Schmetterlingsventil bekannt geworden, bei dem die Schwenkachse eines Ventilglieds in zwei Richtungen versetzt angeordnet ist. Eine den Ventilsitz bildende Fläche ist konisch ausgebildet.
Aus der Druckschrift WO 2014/175886 A1 ist ein Schmetterlingsventil bekannt geworden, bei dem die Schwenkachse eines Ventilglieds in zwei Richtungen versetzt angeordnet ist. Am Ventilglied ist eine kreisförmig umlaufende, schneidenartige Kante ausgebildet, die in der Geschlossenstellung mit dem Ventilsitz in Kontakt gelangt.
Aus den Druckschriften US 2011/0272613 A1 , US 2019/0203676 A1 und US 2019/0136981 A1 sind Schmetterlingsventile für Abgasrückführsysteme bekannt geworden.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Ventilanordnung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere bei Verwendung mit einer Brennstoffzelle die hohen Anforderungen erfüllt und die besonders einfach zu fertigen ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Ventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben.
Die Ventilanordnung ist insbesondere für eine Gasleitung, insbesondere für eine Gasleitung einer Brennstoffzellenanordnung und/oder einer Kraftfahrzeugantriebsanordnung, vorgesehen. Die Ventilanordnung weist ein Gehäuse mit einer Fluidleitung, ein in der Fluidleitung angeordnetes Ventil mit einem Ventilsitz, einer Ventilklappe und eine Ventilöffnung auf, wobei die Ventilklappe um eine Schwenkachse zwischen einer Schließstellung, in der die Ventilklappe an dem Ventilsitz anliegt und die Ventilöffnung fluiddicht verschließt, und eine Offenstellung, in der die Ventilklappe die Ventilöffnung freigibt, schwenkbar ist, wobei die Ventilklappe in der Schließstellung die X-Y-Ebene eines Koordinatensystems definiert und die Schwenkachse in einem Abstand von der
X-Y-Ebene angeordnet ist und die Y-Richtung des Koordinatensystems definiert. Die Ventilanordnung zeichnet sich durch einen Ausrichtmechanismus aus, mit dem die Anordnung, in der sich die Ventilklappe in der Schließstellung relativ zu dem Ventilsitz befindet, mindestens in der X-Richtung ausrichtbar und fixierbar ist.
Die Fluidleitung kann eine Leitungsachse aufweisen, die im Wesentlichen in der Z-Richtung des Koordinatensystems angeordnet ist, also etwa senkrecht zur Ebene der Ventilklappe in der Schließstellung. Die Ventilklappe ist um eine Schwenkachse schwenkbar, sodass sie zwischen der Schließstellung und der Offenstellung hin- und herschwenken kann. Hierfür kann die Ventilanordnung einen Schwenkantrieb aufweisen, insbesondere mit einem elektrischen Aktuator. Der Schwenkantrieb kann in das Gehäuse der Ventilanordnung integriert sein. Es ist jedoch ebenfalls möglich, die Ventilanordnung ohne Schwenkantrieb einzusetzen, beispielsweise als Rückschlagventil.
Das Ventil kann eine elastische Dichtung aufweisen, die entweder an der Ventilklappe oder an dem Ventilsitz angeordnet ist. Hierfür kann ein gesondertes Dichtelement aus einem elastischen Material hergestellt und mit dem Ventilsitz bzw. der Ventilklappe verbunden werden, beispielsweise kann ein O-Ring in eine um die Ventilklappe umlaufende Nut eingesetzt werden. Eine solche, gesonderte Dichtung bietet sich insbesondere an, wenn die Ventilklappe bzw. der Ventilsitz in einem zerspanenden Verfahren hergestellt wird, zum Beispiel aus Metall. Wird der Ventilsitz bzw. die Ventilklappe im Spritzgießverfahren hergestellt, insbesondere aus Kunststoff, kann die elastische Dichtung als gesondertes Teil in die Herstellungsform eingelegt oder angespritzt werden.
Die Schwenkachse der Ventilklappe ist in einem Abstand von der X-Y-Ebene, d. h. von der Ebene der Ventilklappe in der Schließstellung, angeordnet. Sie befindet sich also „außerhalb der Ventilklappe“ und ist gegenüber der Ebene, in der der Ventilsitz angeordnet ist, versetzt angeordnet. Die Schwenkachse kann insbesondere ebenfalls in der X-Richtung relativ zur Leitungsachse versetzt angeordnet sein. Diese Anordnung der Schwenkachse ist von
Schmetterlingsventilen bekannt und wird auch als zweifach versetzte Anordnung bezeichnet.
Bei der Erfindung weist die Ventilanordnung einen Ausrichtmechanismus auf, mit dem die Anordnung, in der sich die Ventilklappe in der Schließstellung relativ zu dem Ventilsitz befindet, mindestens in der X-Richtung ausrichtbar und fixierbar ist. Bei bekannten Ventilanordnungen ist die Ausrichtung der Ventilklappe in der X-Richtung durch die Schwenkachse vorgegeben und kann nicht justiert werden. Dies macht es erforderlich, die bei Herstellung und Montage unvermeidlichen Toleranzen klein zu halten und/oder durch großzügig bemessene, elastische Dichtungen auszugleichen. Bei der Erfindung ist es stattdessen möglich, die Anordnung der Ventilklappe in der Geschlossenstellung auszurichten, um die unvermeidlichen Toleranzen auszugleichen, und die Ventilklappe anschließend in dieser ausgerichteten Stellung zu fixieren. Dadurch kann eine sehr gute Abdichtung erzielt werden, ohne dass es zu größeren Stellkräften und höherem Verschleiß kommt.
In einer Ausgestaltung ist die Anordnung, in der sich die Ventilklappe in der Schließstellung relativ zu dem Ventilsitz befindet, mit dem Ausrichtmechanismus zusätzlich in der Y-Richtung ausrichtbar und fixierbar. Somit ist auch in Richtung der Schwenkachse mithilfe des Ausrichtmechanismus eine Feinjustierung möglich.
In einer Ausgestaltung ist die Anordnung, in der sich die Ventilklappe in der Schließstellung relativ zu dem Ventilsitz befindet, mit dem Ausrichtmechanismus zusätzlich in der Z-Richtung ausrichtbar und fixierbar. Durch diese zusätzliche Ausrichtmöglichkeit kann nicht nur die Position der Ventilklappe in der Ventilebene justiert werden, sondern auch in Richtung der Leitungsachse. Dies ermöglicht insbesondere eine Beeinflussung des Anpressdrucks an eine elastische Dichtung, die zwischen Ventilsitz und Ventilklappe angeordnet ist.
In einer Ausgestaltung weist das Ventil eine Welle zur Verschwenkung der Ventilklappe auf, wobei der Ausrichtmechanismus die Befestigung der Ventilklappe an der Welle betrifft. Die Welle kann insbesondere mit einem Stellantrieb verbunden
sein, der außerhalb der Leitung und zum Beispiel in dem Gehäuse angeordnet ist. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schmetterlingsventilen ist die Ventilklappe ohne Möglichkeit einer Feineinstellung fest mit der Welle verbunden, insbesondere durch Aufpressen. Bei der Erfindung ist ein zwischen Welle und Ventilklappe wirkender Ausrichtmechanismus vorgesehen, mit dem die Anordnung der Ventilklappe relativ zu der Welle justiert werden kann. Auf diese Weise kann die Anordnung der Ventilklappe einfach eingestellt werden, ohne dass konstruktive Änderungen auf Seiten des Stellantriebs bzw. der Lagerung der Welle erforderlich sind.
In einer Ausgestaltung weist der Ausrichtmechanismus eine Schraubbefestigung der Ventilklappe an der Welle auf. Auf diese Weise kann die Anordnung der Ventilklappe relativ zu der Welle vor dem Festziehen der Schrauben einfach justiert werden.
In einer Ausgestaltung weist die Welle mindestens ein Durchgangsloch, in dem eine Schraube der Schraubbefestigung angeordnet ist, und eine ebene, erste Anschlagsfläche auf, die das Durchgangsloch an einer der Ventilklappe zugewandten Seite der Welle umgibt und die durch die Schraubbefestigung mit der Ventilklappe verspannt ist. Auf diese Weise gelingt eine einfache und sichere Befestigung der Ventilklappe an der Welle. Mit der ersten Anschlagfläche der Welle kann die Anordnung der Ventilklappe in der Z-Richtung (in der Schließstellung) fest vorgegeben werden, es besteht jedoch die gewünschte Ausrichtmöglichkeit in der Ebene der Ventilklappe (X- und/oder Y-Richtung).
In einer Ausgestaltung ist der Außendurchmesser der Schraube kleiner als eine Querschnittsabmessung des Durchgangslochs, um eine Ausrichtung in der X-Y-Ebene zu ermöglichen. Die Schraube ist also nicht exakt in das Durchgangsloch eingepasst, sondern durch die genannte Abstimmung des Außendurchmessers der Schraube auf die Querschnittsabmessung des Durchgangslochspielbehaftet, sodass die Anordnung der Ventilklappe in der X-Y-Ebene erst durch das Anziehen der Schraube fixiert wird. Das Durchgangsloch kann im Querschnitt kreisförmig sein, in diesem Fall entspricht die
Querschnittsabmessung dem Innendurchmesser des Durchgangslochs. Das Durchgangsloch kann jedoch auch eine längliche, elliptische oder sonstige Querschnittsgeoemtrie aufweisen, insbesondere als Langloch ausgeführt sein. In diesem Fall entspricht die Querschnittsabmessung einer maximalen Öffnungsweite des Durchgangslochs. Insbesondere kann der Außendurchmesser der Schraube mindestens 2 %, mindestens 10 % oder mindestens 15 % kleiner sein, als die Querschnittsabmessung des Durchgangslochs. Dass sich so ergebende Spiel ist für die angestrebte Ausrichtung ausreichend. Eine untere Grenze für den Außendurchmesser der Schraube wird durch die Festigkeitsanforderungen vorgegeben. Sie kann zum Beispiel bei mindestens 10% oder mindestens 20% der Querschnittsabmessung des Durchgangslochs liegen.
In einer Ausgestaltung weist die Welle an einer von der Ventilklappe abgewandten Seite eine zweite Anschlagsfläche auf, die planparallel zu der ersten Anschlagfläche angeordnet ist und an der sich ein Kopf der Schraube abstützt. Es versteht sich, dass der Kopf der Schraube hierfür nicht unmittelbar an der zweiten Anschlagfläche anliegen muss, sondern gegebenenfalls beispielsweise eine Unterlegscheibe dazwischen angeordnet sein kann. Durch die beiden planparallelen Anschlagsflächen kann die von der Ventilklappe und der Schraube gebildete Einheit insgesamt in der X-Y-Ebene entlang der planparallelen Anschlagsflächen verschoben werden, bis die gewünschte Ausrichtung erzielt ist.
In einer Ausgestaltung ist an der Ventilklappe ein Sackloch mit einem Gewinde ausgebildet, in das die Schraube eingeschraubt ist. Durch diese Lösung wird sichergestellt, dass die Ventilklappe durch den Ausrichtmechanismus nicht mit einer Undichtigkeit versehen wird. Zudem kann die Ventilklappe auf der von der Schwenkachse abgewandten Seite glatt und/oder eben ausgeführt werden, was insbesondere in der Offenstellung strömungstechnisch vorteilhaft sein kann.
In einer Ausgestaltung weist die Welle zwei Durchgangslöcher auf, die zu beiden Seiten einer Mittelachse der Leitung angeordnet sind und in denen jeweils eine Schraube angeordnet ist. Insbesondere können die beiden genannten Anschlagflächen so groß ausgeführt werden, dass sie beide Durchgangslöcher
umfassen, dass mit anderen Worten also ein Mittelabschnitt der Welle von beiden Seiten abgeflacht ist. Auch dies hat strömungstechnische Vorteile und kann die Fertigung sowie die gewünschte Ausrichtung der Ventilklappe relativ zu der Welle vereinfachen.
In einer Ausgestaltung weist der Ausrichtmechanismus eine Kleb- oder Schweißbefestigung der Ventilklappe an der Welle auf. In diesem Fall kann die Ventilklappe vor der Montage der Ventilanordnung in der gewünschten Weise ausgerichtet und durch nachfolgendes Verschweißen bzw. Aushärten der Verklebung fixiert werden. Die Schweißbefestigung kann insbesondere durch Laserschweißen ausgeführt werden, insbesondere in Verbindung mit einer Ventilklappe und einer Welle, die aus einem thermoplastischen Material hergestellt sind.
In einer Ausgestaltung weist die Welle ein Durchgangsloch auf, in das ein an der Ventilklappe ausgebildeter Zapfen eingesetzt ist, wobei zwischen dem Zapfen und dem Durchgangsloch ein Ringspalt ausgebildet ist, der bei der Montage der Ventilanordnung die Ausrichtung der Ventilklappe ermöglicht und der bei der Befestigung der Ventilklappe an der Welle zumindest teilweise durch Verkleben oder Verschweißen geschlossen wird. Durch den Ringspalt ist die beschriebene Ausrichtung der Ventilklappe in derX-Y-Ebene möglich. Die Länge des Zapfens und des Durchgangslochs können so aufeinander abgestimmt sein, dass die gewünschte Befestigung auch nach dem Justieren in der Z-Richtung gelingt.
Die oben angegebene Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch die Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Die Brennstoffzellenanordnung ist insbesondere für einen Kraftfahrzeugantrieb vorgesehen und hat mindestens eine Brennstoffzelle und eine Gasleitung zum Zu- und/oder Abführen von Gas zu der bzw. von der mindestens einen Brennstoffzelle. Die Brennstoffzellenanordnung weist eine Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Sperren der Gasleitung durch Verstellen der Ventilklappe in die Schließstellung auf. Die Brennstoffzelle kann insbesondere eine Wasserstoff-Brennstoffzelle sein.
Die oben angegebene Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch das Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Das Kraftfahrzeug hat eine Leitung und eine Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Sperren der Leitung durch Verstellen der Ventilklappe in die Schließstellung, wobei die Leitung insbesondere eine Gasleitung eines Kraftfahrzeugantriebs und/oder einer Brennstoffzellenanordnung des Kraftfahrzeugs ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Ventilanordnung in einer perspektivischen Darstellung,
Figur 2 die Ventilanordnung aus Figur 1 in einer weiteren perspektivischen Darstellung, teilweise im Schnitt,
Figur 3 die Ventilanordnung aus Figur 1 in einer Schnittdarstellung,
Figur 4 die Ventilanordnung aus 1 in einer weiteren Schnittdarstellung,
Figur 5 eine weitere Ventilanordnung in einer Schnittdarstellung, und
Figur 6 noch eine weitere Ventilanordnung, ebenfalls in einer Schnittdarstellung.
Die Ventilanordnung aus Figur 1 weist ein Gehäuse 10 auf, durch das eine Fluidleitung 12 hindurch ausgebildet ist. Die Fluidleitung 12 hat einen kreisförmigen Querschnitt. Dem Betrachter zugewandt ist ein Flansch 14 des Gehäuses 10, über den die Ventilanordnung an ein weiteres Leitungsstück angeschlossen werden kann. Eine Ventilklappe 16 ist in der Figur 1 , ebenso wie in allen weiteren Figuren, in ihrer Schließstellung gezeigt. Die Ventilklappe 16 liegt mit ihrem äußeren, kreisförmigen Rand an einer elastischen Dichtung 18 an, die einen Ventilsitz bildet.
Die Ventilklappe 16 ist scheibenförmig. Sie ist in der gezeigten Schließstellung orthogonal zu einer Leitungsachse 20 (siehe Figur 2) der Fluidleitung 12 angeordnet und definiert eine X-Y-Ebene eines Koordinatensystems 22, das für die weitere Beschreibung der jeweiligen Richtungen verwendet wird. Die Leitungsachse 20 ist eine Mittellängsachse der Fluidleitung 12 im Bereich der Ventilklappe 16.
Parallel zur Y-Achse dieses Koordinatensystems 22 verläuft eine Welle 24 des Ventils, die eine Schwenkachse der Ventilklappe 16 definiert. Die Welle 24 verläuft quer durch die Fluidleitung 12 hindurch und ist mit einem an das Gehäuse 10 angeflanschten, elektrischen Aktuator 26 der Ventilanordnung verbunden. Der elektrische Aktuator 26 dient als Stellantrieb für das Ventil und kann die Ventilklappe 16 durch Drehen der Welle 24 zwischen der gezeigten Schließstellung und einer nicht gezeigten Offenstellung hin- und herbewegen.
Der Ausrichtmechanismus zur Ausrichtung und Fixierung der Ventilklappe 16 relativ zu dem Ventilsitz ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 bis 4 und im Ausführungsbeispiel der Figur 5 durch eine Schraubbefestigung der Ventilklappe 16 an der Welle 24 realisiert. In Figur 1 ist erkennbar, dass die Welle 24 in einem mittleren Abschnitt zwei planparallele Anschlagsflächen aufweist. Eine erste, ebene Anschlagsfläche 28 befindet sich in der Figur 1 an der vom Betrachter abgewandten Seite der Welle 24. Eine zweite, ebene Anschlagsfläche 30 ist dem Betrachter zugewandt. In einem Abstand zu beiden Seiten der Leitungsachse und innerhalb der beiden Anschlagsflächen 20, 30 weist die Welle 24 zwei Durchgangslöcher 32 (siehe Figur 3) auf, durch die jeweils eine Schraube 34 hindurchgeführt ist.
An der in Figur 1 dem Betrachter zugewandten Seite der Ventilklappe 16, die auch der Welle 24 sowie deren erster Anschlagsfläche 28 zugewandt ist, weist die Ventilklappe 16 zwei domartige Ansätze 36 auf, in denen jeweils ein Sackloch 38 (siehe Figur 3) mit einem Gewinde ausgebildet ist, in das jeweils eine der Schrauben 34 eingeschraubt ist. Auf diese Weise ist die Ventilklappe 16 mit der ersten Anschlagfläche 28 verspannt. Dabei ist der Innendurchmesser der Durchgangslöcher 32 größer als der Außendurchmesser der Schrauben 34, sodass
die Schraubverbindung in X-Richtung und in Y Richtung spielbehaftet ist. Bei der Montage der Ventilanordnung, vor dem Festziehen der Schrauben 34, kann die Ventilklappe 16 daher in der X-Y-Ebene ausgerichtet und auf den Ventilsitz abgestimmt werden. Anschließend werden die Schrauben 34 festgezogen, dadurch wird die Anordnung der Ventilklappe 16 relativ zum Ventilsitz fixiert.
In Figur 2 ist die Leitungsachse 20 der Fluidleitung 12 eingezeichnet. Man erkennt, dass sie entlang der Z-Richtung des ebenfalls eingezeichneten Koordinatensystems 22 verläuft. Gut erkennbar ist auch der abgeflachte Querschnitt der Welle in dem mittleren Längsabschnitt mit den beiden Anschlagsflächen 28, 30. Ebenfalls gut erkennbar ist die komplexe Querschnittsgeometrie der umlaufenden, elastischen Dichtung 18, und dass diese Dichtung 18 in die kreisrunde Öffnung des Gehäuses 10, welche die Fluidleitung 12 bildet, eingesetzt ist. Die Welle 24 verläuft entlang der Schwenkachse der Ventilklappe 16. Die Schwenkachse ist in einem Abstand von der Ebene der Ventilklappe 16 angeordnet.
In der Schnittdarstellung der Figur 3 verläuft die Schnittebene parallel zur X-Z-Ebene. Gut erkennbar sind in der Figur 3 die wesentlichen Elemente des Ausrichtmechanismus. Man erkennt, dass die Innendurchmesser der beiden Durchgangslöcher 32 deutlich größer sind, als die Außendurchmesser der Schrauben 34, sodass eine Ausrichtung der Ventilklappe 16 relativ zum Ventilsitz in der X-Y-Ebene möglich ist. Gut erkennbar ist auch, dass die Ventilklappe 16 über die Schrauben 34 mit der ersten Anschlagfläche 28 verspannt ist und dass die Köpfe der Schrauben 34 an der zweiten Anschlagsfläche 30 anliegen. Die Welle 24 ist drehbar im Gehäuse 10 gelagert und mit dem elektrischen Aktuator 26 (in Figur 3 rechts nur andeutungsweise erkennbar) verbunden.
In Figur 4 ist die Anordnung aus den Figuren 1 bis 3 nochmals in einer anderen Schnittebene gezeigt. Diesmal verläuft die Schnittebene parallel zur X-Z-Ebene des Koordinatensystems 22. Man erkennt, dass die Welle 24 und damit die Schwenkachse der Ventilklappe 16 senkrecht zur Leitungsachse 20 der Fluidleitung 12 sowie seitlich (in X-Richtung) versetzt dazu angeordnet ist.
Im weiteren Ausführungsbeispiel der Figur 5 sind nur einige Elemente einer anderen Ventilanordnung im Schnitt dargestellt. Man erkennt, dass die Ventilklappe 16 eine umlaufende Nut 40 aufweist, in die als elastische Dichtung 18 ein O-Ring eingesetzt ist. Dieser dichtet gegenüber dem Ventilsitz 42 ab. Als Ausrichtmechanismus kommt ebenfalls eine Schraubverbindung zum Einsatz mit einer Schraube 34, die spielbehaftet durch ein Durchgangsloch 32 in einer Welle 24 eingesetzt ist. Eingeschraubt ist die Schraube 34 in ein Sackloch 38 mit Gewinde, das in einem domartige Ansatz 36 an der Ventilklappe 16 ausgebildet ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist die Welle 24 auf der der Ventilklappe 16 zugewandten Seite eine ebene Anschlagsfläche 28 auf, mit der die Ventilklappe 16 über die Schraube 34 verspannt ist, sowie eine zweite, planparallel zu der ersten Anschlagsfläche 28 ausgerichtete Anschlagfläche 30, an der der Kopf der Schraube 34 anliegt.
Figur 6 zeigt ebenfalls nur ausgewählte Elemente einer anderen Ventilanordnung in einer Schnittdarstellung. Die Ventilklappe 16 ist ähnlich wie die aus Figur 5 mit einer umlaufenden Nut 40 versehen, in die eine elastische Dichtung 18 in Form eines O-Rings eingesetzt ist. Es ist jedoch ein anderer Ausrichtmechanismus vorgesehen, der keine Verschraubung aufweist. Statt der Verschraubung ist an der Ventilklappe 16 ein Zapfen 44 ausgebildet, der in ein Durchgangsloch 32 in der Welle 24 hindurchgeführt ist. Der Durchmesser des Durchgangslochs 32 ist größer gewählt, als der Außendurchmesser des Zapfens 44, sodass auch diese Anordnung zunächst soweit spielbehaftet ist, dass eine Ausrichtung der Ventilklappe 16 relativ zum Ventilsitz 42 möglich ist, und zwar in X-, Y-, und Z-Richtung. Nachdem die gewünschte Ausrichtung gefunden ist, wird eine dauerhafte Verbindung zwischen dem Zapfen 44 und der Welle 24 durch Laserschweißen hergestellt, wobei der zwischen Zapfen 44 und Durchgangsloch 32 ausgebildete Ringspalt ganz oder teilweise geschlossen wird.
Claims
1. Ventilanordnung, insbesondere für eine Gasleitung, insbesondere für eine Gasleitung einer Brennstoffzellenanordnung und/oder einer Kraftfahrzeugantriebsanordnung, wobei die Ventilanordnung ein Gehäuse (10) mit einer Fluidleitung (12), ein in der Fluidleitung (12) angeordnetes Ventil mit einem Ventilsitz (42), einer Ventilklappe (16) und einer Ventilöffnung aufweist, wobei die Ventilklappe (16) um eine Schwenkachse zwischen einer Schließstellung, in der die Ventilklappe (16) an dem Ventilsitz (42) anliegt und die Ventilöffnung fluiddicht verschließt, und einer Offenstellung, in der die Ventilklappe (16) die Ventilöffnung freigibt, schwenkbar ist, wobei die Ventilklappe (16) in der Schließstellung die X-Y-Ebene eines Koordinatensystems (22) definiert und die Schwenkachse in einem Abstand von der X-Y-Ebene angeordnet ist und die Y-Richtung des Koordinatensystems (22) definiert, gekennzeichnet durch einen Ausrichtmechanismus, mit dem die Anordnung, in der sich die Ventilklappe (16) in der Schließstellung relativ zu dem Ventilsitz (42) befindet, mindestens in der X-Richtung ausrichtbar und fixierbar ist.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung, in der sich die Ventilklappe (16) in der Schließstellung relativ zu dem Ventilsitz (42) befindet, mit dem Ausrichtmechanismus zusätzlich in der Y-Richtung ausrichtbar und fixierbar ist.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung, in der sich die Ventilklappe (16) in der Schließstellung relativ zu dem Ventilsitz (42) befindet, mit dem Ausrichtmechanismus zusätzlich in der Z-Richtung ausrichtbar und fixierbar ist.
4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das Ventil eine Welle (24) zur Verschwenkung der Ventilklappe (16) aufweist, wobei der Ausrichtmechanismus die Befestigung der Ventilklappe (16) an der Welle (24) betrifft.
5. Ventilanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausrichtmechanismus eine Schraubbefestigung der Ventilklappe (16) an der Welle (24) aufweist.
6. Ventilanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (24) mindestens ein Durchgangsloch (32), in dem eine Schraube (34) der Schraubbefestigung angeordnet ist, und eine ebene, erste Anschlagsfläche (28) aufweist, die das Durchgangsloch (32) an einer der Ventilklappe (16) zugewandten Seite der Welle (24) umgibt und die durch die Schraubbefestigung mit der Ventilklappe (16) verspannt ist.
7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Schraube (24) kleiner als eine Querschnittsabmessung des Durchgangslochs (32) ist, um eine Ausrichtung in der X-Y-Ebene zu ermöglichen.
8. Ventilanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (24) an einer von der Ventilklappe (16) abgewandten Seite eine zweite Anschlagsfläche (30) aufweist, die planparallel zu der ersten Anschlagsfläche (28) angeordnet ist und an der sich ein Kopf der Schraube (34) abstützt.
9. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h gekennzeichnet, dass an der Ventilklappe (16) ein Sackloch (38) mit einem Gewinde ausgebildet ist, in das die Schraube (34) eingeschraubt ist.
10. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die Welle (24) zwei Durchgangslöcher (32) aufweist, die zu beiden Seiten einer Leitungsachse (20) der Fluidleitung (12) angeordnet sind und in denen jeweils eine Schraube (34) angeordnet ist.
11. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h gekennzeichnet, dass der Ausrichtmechanismus eine Kleb- oder Schweißbefestigung der Ventilklappe (16) an der Welle (24) aufweist.
12. Ventilanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (24) ein Durchgangsloch (32) aufweist, in das ein an der Ventilklappe (16) ausgebildeter Zapfen (44) eingesetzt ist, wobei zwischen dem Zapfen (44) und dem Durchgangsloch (32) ein Ringspalt ausgebildet ist, der bei der Montage der Ventilanordnung die Ausrichtung der Ventilklappe (16) ermöglicht und der bei der Befestigung der Ventilklappe (16) an der Welle (24) zumindest teilweise durch Verkleben oder Verschweißen geschlossen wird.
13. Brennstoffzellenanordnung, insbesondere für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit mindestens einer Brennstoffzelle und einer Gasleitung zum Zu- und/oder Abführen von Gas zu der bzw. von der mindestens einen Brennstoffzelle, und einer Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Sperren der Gasleitung durch Verstellen der Ventilklappe (16) in die Schließstellung.
14. Kraftfahrzeug mit einer Leitung und einer Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Sperren der Leitung durch Verstellen der Ventilklappe in die Schließstellung, wobei die Leitung insbesondere eine Gasleitung eines Kraftfahrzeugantriebs und/oder einer Brennstoffzellenanordnung des Kraftfahrzeugs ist.
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