WO2018233912A1 - Proportionalventil zum steuern eines gasförmigen mediums und brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Proportionalventil zum steuern eines gasförmigen mediums und brennstoffzellenanordnung Download PDF

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proportional valve
spring force
closure element
closing element
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PCT/EP2018/060581
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Andreas Gruenberger
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Proportional valve for controlling a gaseous medium
  • the invention relates to a proportional valve for controlling a gaseous medium and a fuel cell assembly.
  • a proportional valve for controlling a gaseous medium, such as hydrogen is described.
  • the closing element which is designed as a needle, is connected to a closing spring.
  • an actuator which comprises a magnetic coil and an armature, the needle is designed to be movable for opening and closing a passage opening.
  • the invention is based on a proportional valve for controlling a gaseous medium and a fuel cell arrangement.
  • An advantage of a proportional valve according to claim 1 is that a
  • a proportional valve according to claim 1 for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen which comprises a moving closing element and a first spring arranged on the closing element.
  • the first spring is adapted to exert a first spring force in a closing direction on the closing element.
  • the proportional valve further comprises an actuator, wherein the actuator is adapted to provide an adjustable force, which is directed against the first spring force.
  • the closing element is configured to close and open a passage opening by the movement.
  • the proportional valve according to claim 1 is characterized in that it comprises a closure element, which is arranged at one end of the closing element. Furthermore, the proportional valve is characterized in that it comprises a second spring, wherein the second spring is arranged on the closure element and wherein the second spring is adapted to exert a second spring force on the closure element, wherein the second spring force counteracts the first spring force ,
  • An advantage is that a secure closing of the passage opening depends on the design of the first spring force and the second spring force, wherein the manufacture of the springs and thus the interpretation of the spring forces with a high
  • Closure element are not firmly connected to each other but are executed separately.
  • Closing element and the closure element is that the
  • Closure element can align parallel to the valve seat, since a movement between the closure element and the closing element is possible. Thus, the closure element can align parallel even with existing tolerances between the closing element and the valve seat and one achieves a good tightness.
  • Another advantage that results from the arrangement of the second spring is that wear of the proportional valve is reduced and thus the life of the proportional valve can be increased.
  • the closing element may be designed to close or release a valve seat formed in the region of the passage opening. An advantage is that thus with increasing
  • Closing element and the closure element is simplified because the
  • Closing element and the closure element can be designed as separate components and are not firmly connected to each other, but are fixed by the first spring force and the second spring force to each other. Furthermore, by the tolerance requirements on the structure of the proportional valve can be reduced without the accuracy decreases to achieve sufficient tightness. Another advantage is that thus a better adjustability of the resulting spring force is made possible.
  • the magnitude of the first spring force is greater than the second spring force.
  • the second spring force may be greater than the maximum closing force on the valve seat, which is due to the
  • the closure element may have a
  • the second spring is operatively connected via the support structure with the closure element.
  • the closure element may be cup-shaped.
  • the second spring advantageously a second spring force, which counteracts the first spring force, on the
  • Proportional valve can be increased.
  • an elastic element can be arranged on a surface of the closure element facing the passage opening.
  • Closing element may be arranged on a first side of the passage opening and an outflow space may be formed on a second side of the passage opening facing away from the first side, wherein the inflow space and the
  • a contact point of the closing element with the closure element can be made spherical.
  • One advantage is that it can be used to improve the compensation of angular tolerances. Thus, the tightness and the reliability of the proportional valve can be increased.
  • the actuator may comprise a magnetic coil and a magnet armature, wherein the magnet armature is fixedly connected to the closing element and wherein the magnet armature is liftbewegbar by the magnetic coil.
  • FIG. 1 shows a cross section of a proportional valve according to a first
  • FIG. 2 shows a cross-section of a proportional valve according to a second exemplary embodiment with a crowned contact point between the closing element and the closure element
  • Fig. 3 shows a simplified structure of a fuel cell assembly
  • Fig. 4 shows a detail of a cross section of a proportional valve according to a third embodiment
  • Fig. 5 shows a detail of a cross section of a proportional valve according to a fourth embodiment.
  • Fig. 1 is a cross section of a proportional valve 100 for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, according to a first Embodiment shown.
  • the proportional valve 100 comprises a movable closing element 301 and a first spring 302 arranged on the closing element 301, wherein the first spring 302 exerts a first spring force in a closing direction 409 on the closing element 301.
  • the first spring 302 is formed here as a helical compression spring.
  • the first spring 302 is arranged at a first end of the closing element 301, wherein the first spring 302 is supported at the other end to a valve housing 104.
  • the valve housing 104 surrounds the entire proportional valve 100.
  • a closure element 305 is arranged at an end of the closing element 301 facing away from the first end.
  • the proportional valve includes
  • the actuator 200 and the closing element 301 are arranged in the valve housing 104.
  • the actuator 200 is configured to provide an adjustable force opposing the first spring force to the closure member 301.
  • the closing element 301 is to
  • the actuator 200 comprises a magnet armature 202, which is fixedly connected to the closing element 301, and a magnet coil 201.
  • the magnet armature 202 can be moved by the magnet coil 201.
  • the magnet armature 202 is at least partially disposed inside the magnet coil 201.
  • the armature 202 is cylindrical here.
  • the closing element 301 is rod-shaped here, wherein the rod-shaped closing element 301 extends through the magnet armature 202 along an axis of symmetry 411 of the armature 202 and parallel to
  • Symmetry axis 411 is Hubbewegbar.
  • an inner pole 204 is partially accommodated inside the magnet coil 201, and an outer pole 205 is disposed between the valve housing 104 and the magnet coil 201, thereby forming a plunger armature.
  • Valve housing portion 104 ' is formed in Fig. 1 hollow cylindrical.
  • the inner pole 204 and the inside of the magnetic coil 201 extending Valve housing portion 104 ' serve as a guide for the armature 202.
  • the distance sleeve members 203 are preferably made of a non-magnetic material, such as a non-magnetic metal, be formed. The valve housing 104 and the inner pole 204 limit together with the
  • Magnetic armature 202 is arranged.
  • the inner pole 204 includes on a side remote from the armature space 405 side together with the valve housing 104 a spring chamber 401, in which the first spring 302 is arranged.
  • the spring chamber 400 is connected to the armature space 405 via a first channel 406, and the armature space 405 is connected via a second channel 407 to an inflow space 401.
  • the first channel 406 and the second channel 407 allow a pressure equalization between the spring chamber 400, the armature space 405 and the inflow space 401st
  • Proportional valve 100 in FIG. 1 includes a second spring 304 disposed on closure element 305.
  • the closure element 305 comprises a support structure 303, wherein the second spring 304 via the support structure 303 with the
  • Closure element 305 is operatively connected.
  • the closure element 305 is cup-shaped in FIG. 1, wherein the support structure 303 forms an annular projection of the closure element 305, on which the second spring 304 is supported.
  • Closure element 305 are identical.
  • the closure element 305 and the second spring 304 are arranged in the inflow space 401 of the proportional valve 100 in FIG. 1, wherein the inflow space 401 in the one shown in FIG.
  • Embodiment of the valve housing 104 and a nozzle body 101 is limited.
  • the inflow space 401 can be connected via the passage opening 102 to an outflow space 402. Via an inflow channel 408, which serves as an opening between an environment of the proportional valve 100 and the
  • a gas for example hydrogen
  • a gas for example hydrogen
  • the gas can flow in the outflow direction 404 from the inflow space 401 into the outflow space 402.
  • Nozzle body 101 limited, which partially from the valve housing 104th is included.
  • the outflow space 402 may be at least partially bounded by the valve housing 104.
  • a valve seat 103 is formed on a side of the passage opening 102 facing the inflow space 401.
  • the valve seat 103 is provided as a flat seat on the nozzle body 101, wherein between the closure member 305 and the
  • Nozzle body 101 in Fig. 1 an elastic member 306 is arranged.
  • an increased sealing edge is provided on the elastic element 306 in order to increase the tightness.
  • the first spring 302 is configured to exert a first spring force in the closing direction 409 on the closing element 301.
  • the first spring 302 is supported on the one hand with a first end on the valve housing 104 and transmits the first spring force on the closing element 301.
  • the first spring 302 is supported with its second end on the closing element 301.
  • a spring plate 300 is additionally arranged between the closing element 301 and the first spring 302. The spring plate 300 may transmit the first spring force from the first spring 302 to the closure member 301.
  • the first spring 302 urges the closure element 301 and thus the closure element 305 with the first spring force, which in the closing direction 409, i. towards the
  • Valve seat 103 acts.
  • the closure element 305 is also acted upon in the closing direction 409 by the gas flowing in through the inflow channel 408 with a further force.
  • the second spring 304 exerts a second
  • the closing element 301 acts a force which depends on the difference of the first spring force and the second spring force, wherein this differential force is linear to the deflection of the springs.
  • the second spring 304 acts in Fig. 1, the closure member 305 with a force in
  • the first spring 302 and the second spring 304 provide a connection between the closure member 301 and the closure member 305 by pressing the closure member 301 and the closure member 305 against each other.
  • valve dynamics a separation of the components in the operation of the proportional valve 100 can be avoided, which prevents wear problems.
  • the first spring force may be greater in magnitude than the second spring force, so that in a basic state of the proportional valve 100, the passage opening 102 is closed and opens only when the magnet coil 201 is energized.
  • the second spring force can be greater than the maximum closing forces on the valve seat 103, which is due to the
  • Supply pressure and the flow result be selected.
  • the supply pressure corresponds to the pressure in the inflow space 401. This can ensure that the valve seat 103 opens safely under any operating condition.
  • the metering of a gas by means of the proportional valve 100 is effected by energizing the solenoid 201.
  • the valve seat 103 In the ground state, i. a non-energized state of the solenoid 201, the valve seat 103 is acted upon by the second spring 304 with the second spring force in the opening direction 410 and via the closing element 301 with the first spring force in the closing direction 409th
  • the valve seat 103 remains closed.
  • the magnet coil 201 is energized, the magnet armature 202 is moved in the opening direction 410 by the magnetic field of the magnet coil 201. The force on the armature 202 and thus on the closing element 301 counteracts the first spring force in the opening direction 410, so that on
  • Closure element 305 outweighs the force in the opening direction 410 and thus the passage opening 102 and the valve seat 103 are released.
  • the lifting movement of the armature 202 can be controlled by adjusting the electric current of the solenoid 201.
  • Amperage is thereby achieved an increasing opening stroke and more gas from the inflow chamber 401 passed through the passage opening 102 in the outflow space 402. Reducing the electric current also reduces the opening stroke. If the energization ends, the valve seat 103 closes due to the first spring 302 and the supply pressure in the inflow space 401.
  • FIG. 2 shows a cross section of a proportional valve 100 according to a further exemplary embodiment.
  • the difference to the proportional valve 100 in FIG. 1 is that the contact point 307 between the closing element 301 and the closure element 305 is crowned.
  • FIG. 3 shows a simplified structure of a possible fuel cell arrangement 500 with the proportional valve 100 for controlling a hydrogen supply to a fuel cell 501.
  • the fuel cell assembly 500 includes an anode region 504 and a cathode region 506. The
  • Fuel cell assembly 500 further comprises a tank 502 in which a gaseous medium, here hydrogen, is stored. Over a gaseous medium, here hydrogen, is stored. Over a gaseous medium, here hydrogen, is stored.
  • Inlet line 502 is the gaseous medium from the tank 502 through the
  • Inflow channel 408, which is realized as an opening in the valve housing 104, in the inflow space 401 of the proportional valve 100, as shown for example in Figures 1 and 2, passed.
  • the gaseous medium can be conducted into the nozzle body 101 of a single-jet pump 503 via the passage opening 102 and can be supplied from there to an anode region 504 of the fuel cell 501.
  • a flow rate of the gaseous medium through the proportional valve 100 can be controlled.
  • the setting of the opening stroke can by a
  • Control unit 505 by adjusting the electrical current at the
  • Solenoid 201 of the proportional valve 100 done.
  • Opening stroke depends on the electrical current. As a result, a demand-based adjustment of the gas supply to the fuel cell 501 can take place.
  • FIG. 5 shows a detail of a cross section of a proportional valve 100 according to a further exemplary embodiment. This embodiment differs from the embodiment shown in FIG. 1 in the arrangement of the second spring 304. In the embodiment shown in FIG Embodiment, the second spring 304 downstream, that is in the
  • the support structure 303 here comprises a disk-shaped element 303 "and a connecting pin 303 '
  • Connecting pin 303 ' is applied at a first end to the closing element 305 and connected at a second end to the disk-shaped element 303 ".”
  • the connecting pin 303' centrally abuts the closing element 405.
  • the second spring force acts in the opening direction 410.
  • the second spring 304 supports on a spring washer 308 which is arranged on a side facing away from the support structure 303 side of the second spring 304, and presses on the disc-shaped element 303 "and thus on the connecting pin 303 ', which transmits the force in the opening direction 410 on the closure member 405 , As a result, the spring force is introduced centrally into the closure element 305, so that displacement or tilting of the closure element 305 during opening can be avoided.
  • the spring washer 308 is on one of
  • the spring washer 308 allows adjustment of the second spring force.
  • the spring washer 308 may be provided with a thread 308 ', as shown in Fig. 5.
  • the spring washer 308 can be pressed to size.
  • the spring washer 308 to a central bore is arranged to reach with a probe to the support structure 303. Due to the good accessibility of the second spring 304 can be realized for this in a simple manner, an adjustment of the second spring 304, for example via the thread 308 'or a pressing operation to measure. As a result, component tolerances can be reduced.
  • constructions can thus be realized in which the first spring 302, that is, the closing spring is not adjustable. Since at least one of the springs should be adjustable to compensate for tolerances, this can be done via the setting of the second spring 304.

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Abstract

Proportionalventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend • ein bewegbares Schließelement (301) und eine an dem Schließelement (301) angeordnete erste Feder (302), wobei die erste Feder (302) dazu eingerichtet ist, eine erste Federkraft in eine Schließrichtung auf das Schließelement (301) auszuüben, und • einen Aktor (200), wobei der Aktor (200) dazu eingerichtet ist, eine einstellbare Kraft, welche der ersten Federkraft entgegen gerichtet ist, bereitzustellen, wobei das Schließelement (301) dazu eingerichtet ist, eine Durchlassöffnung (102) durch die Bewegung zu verschließen und zu öffnen, wobei das Proportionalventil (100) • ein Verschlusselement (305) umfasst, welches an einem von der ersten Feder (302) abgewandten Ende des Schließelements (301) angeordnet ist, und • eine zweite Feder (304) umfasst, wobei die zweite Feder (304) an dem Verschlusselement (305) angeordnet ist und wobei die zweite Feder (304) dazu eingerichtet ist, eine zweite Federkraft auf das Verschlusselement (305) auszuüben, wobei die zweite Federkraft der ersten Federkraft entgegenwirkt.

Description

Beschreibung
Titel
Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums und
Brennstoffzellenanordnung
Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums und eine Brennstoffzellenanordnung.
Stand der Technik
In DE 102010043618 AI ist ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, wie beispielsweise Wasserstoff, beschrieben. Das Schließelement, welches als Nadel ausgebildet ist, ist mit einer Schließfeder verbunden. Über einen Aktor, welcher eine Magnetspule und einen Anker umfasst, ist die Nadel zum Öffnen und Verschließen einer Durchlassöffnung bewegbar ausgebildet.
Kern und Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums und einer Brennstoffzellenanordnung aus.
Ein Vorteil eines Proportionalventils nach Anspruch 1 ist, dass eine
kostengünstige Realisierung ermöglicht wird, da Toleranzanforderungen bei der Herstellung, ohne Einbußen bei der Dichtheit des Proportionalventils, reduziert werden können. Somit kann eine gute Sitzdichtheit und damit eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit bei der Gasdosierung sowie eine günstige Ventilfertigung ermöglicht werden. Dies wird erreicht mit einem Proportionalventil nach Anspruch 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, welches ein bewegtes Schließelement und eine an dem Schließelement angeordnete erste Feder umfasst. Die erste Feder ist dazu eingerichtet, eine erste Federkraft in eine Schließrichtung auf das Schließelement auszuüben. Das Proportionalventil umfasst des Weiteren einen Aktor, wobei der Aktor dazu eingerichtet ist, eine einstellbare Kraft, welche der ersten Federkraft entgegen gerichtet ist, bereitzustellen. Das Schließelement ist dazu eingerichtet eine Durchlassöffnung durch die Bewegung zu verschließen und zu öffnen. Das Proportionalventil nach Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass es ein Verschlusselement umfasst, welches an einem Ende des Schließelements angeordnet ist. Des Weiteren zeichnet sich das Proportionalventil dadurch aus, dass es eine zweite Feder umfasst, wobei die zweite Feder an dem Verschlusselement angeordnet ist und wobei die zweite Feder dazu eingerichtet ist, eine zweite Federkraft auf das Verschlusselement auszuüben, wobei die zweite Federkraft der ersten Federkraft entgegenwirkt.
Ein Vorteil ist, dass ein sicheres Verschließen der Durchlassöffnung von der Auslegung der ersten Federkraft und der zweiten Federkraft abhängt, wobei die Fertigung der Federn und damit die Auslegung der Federkräfte mit einer hohen
Genauigkeit erfolgen können. Das sichere Verschließen hängt somit von einer Differenzkraft der Federn und nicht von einer absoluten Kraft ab. Ein weiterer Vorteil ist, dass die zweite Feder in Öffnungsrichtung wirkt und somit verhindert, dass das Schließelement und das Verschlusselement sich voneinander trennen, was insbesondere dann von Interesse ist, wenn das Schließelement und das
Verschlusselement nicht fest miteinander verbunden sind sondern getrennt voneinander ausgeführt sind. Ein Vorteil der getrennten Auführung des
Schließelements und des Verschlusselements ist, dass sich das
Verschlusselement parallel zum Ventilsitz ausrichten kann, da eine Bewegung zwischen dem Verschlusselement und dem Schließelement möglich ist. Somit kann sich das Verschlusselement auch bei bestehenden Toleranzen zwischen dem Schließelement und dem Ventilsitz parallel ausrichten und man erreicht eine gute Dichtheit. Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Anordnung der zweiten Feder ergibt, ist, dass ein Verschleiß des Proportionalventils reduziert wird und damit die Lebensdauer des Proportionalventils erhöht werden kann. In einer weiteren Ausführungsform kann das Schließelement dazu ausgebildet sein, einen im Bereich der Durchlassöffnung ausgebildeten Ventilsitz zu verschließen oder freizugeben. Ein Vorteil ist, dass somit bei steigendem
Versorgungsdruck eine Dichtheit des Ventilsitzes gewährleistet werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform sind das Schließelement und das
Verschlusselement durch die erste Federkraft und die zweite Federkraft aneinander angeordnet werden. Ein Vorteil ist, dass ein Verbinden des
Schließelements und des Verschlusselements vereinfacht wird, da das
Schließelement und das Verschlusselement als separate Bauteile ausgeführt werden können und nicht fest miteinander verbunden werden, sondern durch die erste Federkraft und die zweite Federkraft aneinander fixiert werden. Des Weiteren können dadurch die Toleranzanforderungen an den Aufbau des Proportionalventils reduziert werden, ohne dass die Genauigkeit zur Erreichung einer ausreichenden Dichtheit abnimmt. Ein weiterer Vorteil ist, dass somit eine bessere Einstellbarkeit der resultierenden Federkraft ermöglicht wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Federkraft betragsmäßig größer als die zweite Federkraft sein. Ein Vorteil ist, dass die Durchlassöffnung im Grundzustand, d.h. wenn der Aktor nicht bestromt wird, verschlossen ist und somit kein Gas die Durchlassöffnung passieren kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Federkraft größer als die maximal auftretende Schließkraft am Ventilsitz, welche sich durch den
Versorgungsdruck und die Durchströmung ergibt, gewählt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass der Ventilsitz bei jeder
Betriebsbedingung sicher öffnet.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verschlusselement eine
Abstützstruktur umfassen, wobei die zweite Feder über die Abstützstruktur mit dem Verschlusselement wirkverbunden ist. Ein Vorteil ist, dass somit auf einfache Weise ein Anordnen der zweiten Feder am Verschlusselement realisiert werden und des Weiteren ermöglicht werden kann, dass die zweite Federkraft der ersten Federkraft entgegenwirkt. In einer weiteren Ausführungsform kann das Verschlusselement topfförmig ausgebildet sein. Somit kann die zweite Feder vorteilhafterweise eine zweite Federkraft, welche der ersten Federkraft entgegenwirkt, auf das
Verschlusselement ausüben. Ein Vorteil ist, dass die zweite Feder somit platzsparend angeordnet werden kann und somit die Kompaktheit des
Proportionalventils erhöht werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann an einer der Durchlassöffnung zugewandten Fläche des Verschlusselements ein elastisches Element angeordnet sein. Dadurch kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass im geschlossenen Zustand das Verschlusselement die Durchlassöffnung schon bei geringer Anpresskraft abdichtet, sodass kein Gas die Durchlassöffnung passieren kann. Somit kann eine genaue Gasdosierung ermöglicht werden. In einer weiteren Ausführungsform können ein Zuströmraum und das
Schließelement auf einer ersten Seite der Durchlassöffnung angeordnet sein und ein Abströmraum auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der Durchlassöffnung ausgebildet sein, wobei der Zuströmraum und der
Abströmraum über die Durchlassöffnung miteinander verbindbar sind. Ein Vorteil ist, dass somit das Gas im Zuströmraum zur Schließkraft beiträgt und somit insbesondere im Grundzustand beim Abdichten der Durchlassöffnung durch das Verschlusselement unterstützend wirkt. Somit können die Dichtheit und
Zuverlässigkeit des Proportionalventils erhöht werden. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Kontaktstelle des Schließelements mit dem Verschlusselement ballig ausgeführt werden. Ein Vorteil ist, dass dadurch ein Ausgleich von Winkeltoleranzen verbessert werden kann. Somit können die Dichtheit und die Zuverlässigkeit des Proportionalventils erhöht werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Aktor eine Magnetspule und einen Magnetanker umfassen, wobei der Magnetanker mit dem Schließelement fest verbunden ist und wobei der Magnetanker durch die Magnetspule hubbewegbar ist. Ein Vorteil ist, dass somit ein Öffnungshub stufenlos eingestellt werden, da die erste und zweite Federkraft gemäß Hook'schem Gesetz proportional zur Auslenkung der jeweiligen Feder sind und so die Gasdosierung eingestellt werden kann.
Eine Brennstoffzellenanordnung mit dem Proportionalventil zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle kann vorteilhafterweise eine zuverlässige Einstellung der Gasdosierung ermöglichen und somit die
Gasdosierung zuverlässig an den Bedarf der Brennstoffzelle anpassen. Weitere Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad der
Brennstoffzelle und der leise Betrieb des Proportionalventils.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche
Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende
Elemente.
Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt eines Proportionalventils gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel, umfassend eine erste Feder und eine zweite Feder, Fig. 2 einen Querschnitt eines Proportionalventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer ballig ausgeführten Kontaktstelle zwischen Schließelement und Verschlusselement,
Fig. 3 einen vereinfachten Aufbau einer Brennstoffzellenanordnung mit
Proportionalventil,
Fig. 4 einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Proportionalventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
Fig. 5 einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Proportionalventils gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Ausführungsformen der Erfindung
In Fig. 1 ist ein Querschnitt eines Proportionalventils 100 zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Proportionalventil 100 umfasst ein bewegbares Schließelement 301 und eine an dem Schließelement 301 angeordnete erste Feder 302, wobei die erste Feder 302 eine erste Federkraft in eine Schließrichtung 409 auf das Schließelement 301 ausübt. Die erste Feder 302 ist hier als Schraubendruckfeder ausgebildet. Die erste Feder 302 ist an einem ersten Ende des Schließelements 301 angeordnet, wobei sich die erste Feder 302 mit dem anderen Ende an einem Ventilgehäuse 104 abstützt. Das Ventilgehäuse 104 umgibt hier das gesamte Proportionalventil 100. An einem von dem ersten Ende abgewandten Ende des Schließelements 301 ist ein Verschlusselement 305 angeordnet. Des Weiteren umfasst das Proportionalventil
100 einen Aktor 200. Der Aktor 200 und das Schließelement 301 sind in dem Ventilgehäuse 104 angeordnet. Der Aktor 200 ist dazu eingerichtet, eine einstellbare Kraft, welche der ersten Federkraft entgegen gerichtet ist, auf das Schließelement 301 bereitzustellen. Das Schließelement 301 ist dazu
eingerichtet, eine Durchlassöffnung 102 durch die Bewegung zu verschließen und zu öffnen.
Der Aktor 200 umfasst in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Magnetanker 202, welcher mit dem Schließelement 301 fest verbunden ist, und eine Magnetspule 201. Der Magnetanker 202 ist durch die Magnetspule 201 hubbewegbar. Der Magnetanker 202 ist zumindest teilweise im Inneren der Magnetspule 201 angeordnet. Der Magnetanker 202 ist hier zylinderförmig ausgebildet. Das Schließelement 301 ist hier stabförmig ausgebildet, wobei das stabförmige Schließelement 301 durch den Magnetanker 202 entlang einer Symmetrieachse 411 des Magnetankers 202 verläuft und parallel zur
Symmetrieachse 411 hubbewegbar ist.
Des Weiteren ist ein Innenpol 204 teilweise im Inneren der Magnetspule 201 aufgenommen und ein Außenpol 205 zwischen dem Ventilgehäuse 104 und der Magnetspule 201 angeordnet und bildet dadurch einen Tauchanker. Es sind
Distanzbuchsenelemente 203 im Inneren der Magnetspule 201 angeordnet, mittels derer der Innenpol 204 mit einem sich ins Innere der Magnetspule 201 erstreckenden Ventilgehäuseabschnitts 104' verbunden ist. Der
Ventilgehäuseabschnitt 104' ist in Fig. 1 hohlzylinderförmig ausgebildet. Der Innenpol 204 und der sich ins Innere der Magnetspule 201 erstreckende Ventilgehäuseabschnitt 104' dienen als Führung für den Magnetanker 202. Die Distanzbuchsenelemente 203 sind vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise einem nicht magnetischen Metall, ausgebildet sein. Das Ventilgehäuse 104 und der Innenpol 204 begrenzen zusammen mit den
Distanzbuchsenelementen 203 einen Ankerraum 405, in welchem der
Magnetanker 202 angeordnet ist. Der Innenpol 204 schließt auf einer von dem Ankerraum 405 abgewandten Seite zusammen mit dem Ventilgehäuse 104 einen Federraum 401 ein, in dem die erste Feder 302 angeordnet ist. Der Federraum 400 ist über einen ersten Kanal 406 mit dem Ankerraum 405 verbunden und der Ankerraum 405 ist über einen zweiten Kanal 407 mit einem Zuströmraum 401 verbunden. Der erste Kanal 406 und der zweite Kanal 407 ermöglichen einen Druckausgleich zwischen dem Federraum 400, dem Ankerraum 405 und dem Zuströmraum 401.
Das Proportionalventil 100 in Fig. 1 umfasst eine zweite Feder 304, welche an dem Verschlusselement 305 angeordnet ist. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Verschlusselement 305 eine Abstützstruktur 303, wobei die zweite Feder 304 über die Abstützstruktur 303 mit dem
Verschlusselement 305 wirkverbunden ist. Das Verschlusselement 305 ist in Fig. 1 topfförmig ausgebildet, wobei die Abstützstruktur 303 einen ringförmigen Überstand des Verschlusselements 305 bildet, an dem sich die zweite Feder 304 abstützt. Die Symmetrieachse 411 des Schließelements 301 und des
Verschlusselements 305 sind identisch. Das Verschlusselement 305 und die zweite Feder 304 sind in Fig. 1 in dem Zuströmraum 401 des Proportionalventils 100 angeordnet, wobei der Zuströmraum 401 in dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel von dem Ventilgehäuse 104 und einem Düsenkörper 101 begrenzt ist. Der Zuströmraum 401 ist über die Durchlassöffnung 102 mit einem Abströmraum 402 verbindbar. Über einen Zuströmkanal 408, welcher als eine Öffnung zwischen einer Umgebung des Proportionalventils 100 und dem
Zuströmraum 401 ausgebildet ist, kann ein Gas, beispielsweise Wasserstoff, in einer Zuströmrichtung 403 von der Umgebung in den Zuströmraum 401 eingebracht werden. Gibt das Verschlusselement 305 die Durchlassöffnung 102 frei, so kann das Gas in Abströmrichtung 404 vom Zuströmraum 401 in den Abströmraum 402 fließen. In Fig. 1 ist der Abströmraum 402 durch den
Düsenkörper 101 begrenzt, welcher teilweise vom Ventilgehäuse 104 aufgenommen ist. Alternativ oder ergänzend kann der Abströmraum 402 zumindest teilweise von dem Ventilgehäuse 104 begrenzt sein. Auf einer dem Zuströmraum 401 zugewandten Seite der Durchlassöffnung 102 ist ein Ventilsitz 103 ausgebildet. In Fig. 1 ist der Ventilsitz 103 als Flachsitz an dem Düsenkörper 101 vorgesehen, wobei zwischen dem Verschlusselement 305 und dem
Düsenkörper 101 in Fig. 1 ein elastisches Element 306 angeordnet ist. In weiteren Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 4 in einer Detailzeichnung dargestellt ist, ist zur Erhöhung der Dichtheit eine erhöhte Dichtkante am elastischen Element 306 vorgesehen.
Die erste Feder 302 ist dazu eingerichtet, eine erste Federkraft in Schließrichtung 409 auf das Schließelement 301 auszuüben. Die erste Feder 302 stützt sich einerseits mit einem ersten Ende am Ventilgehäuse 104 ab und überträgt die erste Federkraft auf das Schließelement 301. Andererseits stützt sich die erste Feder 302 mit ihrem zweiten Ende am Schließelement 301 ab. In Fig. 1 ist zwischen dem Schließelement 301 und der ersten Feder 302 zusätzlich ein Federteller 300 angeordnet. Der Federteller 300 kann die erste Federkraft von der ersten Feder 302 auf das Schließelement 301 übertragen. Die erste Feder 302 beaufschlagt das Schließelement 301 und damit das Verschlusselement 305 mit der ersten Federkraft, welche in Schließrichtung 409, d.h. in Richtung auf den
Ventilsitz 103, wirkt. Das Verschlusselement 305 wird durch das durch den Zuströmkanal 408 einströmende Gas mit einer weiteren Kraft ebenfalls in Schließrichtung 409 beaufschlagt. Die zweite Feder 304 übt eine zweite
Federkraft auf das Verschlusselement 305 aus, welche der ersten Federkraft entgegenwirkt. Die erste Federkraft der ersten Feder 302 und die zweite
Federkraft der zweiten Feder 304 sind gemäß Hooke'schem Gesetz
hubabhängig. Auf das Schließelement 301 wirkt eine Kraft, welche von der Differenz der ersten Federkraft und der zweiten Federkraft abhängt, wobei diese Differenzkraft linear zur Auslenkung der Federn ist. Die zweite Feder 304 beaufschlagt in Fig. 1 das Verschlusselement 305 mit einer Kraft in
Öffnungsrichtung 410. Die erste Feder 302 und die zweite Feder 304 sorgen für eine Verbindung zwischen dem Schließelement 301 und dem Verschlusselement 305, indem sie das Schließelement 301 und das Verschlusselement 305 gegeneinander drücken. Somit ist es beispielsweise möglich, das Schließelement 301 und das Verschlusselement 305 separat herzustellen und auf eine feste Verbindung zwischen dem Schließelement 301 und dem Verschlusselement 305 zu verzichten. Bei entsprechender Auslegung der Federkräfte und der
Ventildynamik kann ein Trennen der Bauteile im Betrieb des Proportionalventils 100 vermieden werden, was Verschleißprobleme verhindert. Beispielsweise kann die erste Federkraft betragsmäßig größer als die zweite Federkraft sein, sodass in einem Grundzustand des Proportionalventils 100 die Durchlassöffnung 102 verschlossen ist und sich erst bei Bestromen der Magnetspule 201 öffnet.
Alternativ oder ergänzend kann die zweite Federkraft größer als die maximal auftretenden Schließkräfte am Ventilsitz 103, welche sich durch den
Versorgungsdruck und die Durchströmung ergeben, gewählt werden. Der Versorgungsdruck entspricht dem Druck im Zuströmraum 401. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Ventilsitz 103 bei jeder Betriebsbedingung sicher öffnet.
Das Dosieren eines Gases mittels des Proportionalventils 100 erfolgt durch Bestromen der Magnetspule 201. Im Grundzustand, d.h. einem unbestromten Zustand der Magnetspule 201, wird der Ventilsitz 103 von der zweiten Feder 304 mit der zweiten Federkraft in Öffnungsrichtung 410 beaufschlagt und über das Schließelement 301 mit der ersten Federkraft in Schließrichtung 409
beaufschlagt. Ist die erste Federkraft der ersten Feder 302 zusammen mit weiteren in Schließrichtung 409 wirkenden pneumatischen Kräften größer als die zweite Federkraft, welche in Öffnungsrichtung 410 wirkt, so bleibt der Ventilsitz 103 verschlossen. Beim Bestromen der Magnetspule 201 wird der Magnetanker 202 durch das Magnetfeld der Magnetspule 201 in Öffnungsrichtung 410 bewegt. Die Kraft auf den Magnetanker 202 und damit auf das Schließelement 301 wirkt der ersten Federkraft entgegen in Öffnungsrichtung 410, sodass am
Verschlusselement 305 die Kraft in Öffnungsrichtung 410 überwiegt und somit die Durchlassöffnung 102 und der Ventilsitz 103 freigegeben werden. Die Hubbewegung des Magnetankers 202 kann mittels Einstellung der elektrischen Stromstärke der Magnetspule 201 gesteuert werden. Bei ansteigender
Stromstärke wird dabei ein ansteigender Öffnungshub erreicht und mehr Gas vom Zuströmraum 401 durch die Durchlassöffnung 102 in den Abströmraum 402 geleitet. Bei einem Reduzieren der elektrischen Stromstärke reduziert sich auch der Öffnungshub. Wird die Bestromung beendet, schließt der Ventilsitz 103 aufgrund der ersten Feder 302 und des Versorgungsdrucks im Zuströmraum 401.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt eines Proportionalventils 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Unterschied zu dem Proportionalventil 100 in Fig. 1 ist, dass die Kontaktstelle 307 zwischen dem Schließelement 301 und dem Verschlusselement 305 ballig ausgebildet ist.
In Fig. 3 ist ein vereinfachter Aufbau einer möglichen Brennstoffzellenanordnung 500 mit dem Proportionalventil 100 zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle 501 dargestellt. Die Brennstoffzellenanordnung 500 umfasst einen Anodenbereich 504 und einen Kathodenbereich 506. Die
Brennstoffzellenanordnung 500 umfasst weiterhin einen Tank 502, in welchem ein gasförmiges Medium, hier Wasserstoff, gespeichert ist. Über eine
Zuströmleitung 502 wird das gasförmige Medium vom Tank 502 durch den
Zuströmkanal 408, welcher als Öffnung im Ventilgehäuse 104 realisiert ist, in den Zuströmraum 401 des Proportionalventils 100, wie es beispielsweise in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, geleitet. Über die Durchlassöffnung 102 kann das gasförmige Medium in den Düsenkörper 101 einer Einstrahlpumpe 503 geleitet werden und von dort einem Anodenbereich 504 der Brennstoffzelle 501 zugeführt werden.
Mittels des Proportionalventils 100 kann durch Einstellen des Öffnungshubs eine Durchflussrate des gasförmigen Mediums durch das Proportionalventil 100 gesteuert werden. Das Einstellen des Öffnungshubs kann von einer
Steuereinheit 505 durch Einstellen der elektrischen Stromstärke an der
Magnetspule 201 des Proportionalventils 100 erfolgen. Die Größe des
Öffnungshubs hängt von der elektrischen Stromstärke ab. Dadurch kann eine bedarfsgerechte Einstellung der Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 501 erfolgen.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt eines Querschnitts eines Proportionalventils 100 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in der Anordnung der zweiten Feder 304. In dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die zweite Feder 304 abströmseitig, das heißt im
Abströmraum 403, angeordnet. Die Abstützstruktur 303 umfasst hier ein scheibenförmiges Element 303" und einen Verbindungsstift 303'. Der
Verbindungsstift 303' ist an einem ersten Ende an das Verschlusselement 305 angelegt und an einem zweiten Ende mit dem scheibenförmigen Element 303" verbunden. Der Verbindungsstift 303' liegt zentrisch am Verschlusselement 405 an. Die zweite Federkraft wirkt in Öffnungsrichtung 410. Die zweite Feder 304 stützt sich an einer Federscheibe 308, welche an einer von der Abstützstruktur 303 abgewandten Seite der zweiten Feder 304 angeordnet ist, ab und drückt auf das scheibenförmige Element 303" und somit auf den Verbindungsstift 303', der die Kraft in Öffnungsrichtung 410 auf das Verschlusselement 405 überträgt. Dadurch wird die Federkraft zentrisch in das Verschlusselement 305 eingeleitet, sodass ein Verschieben bzw. ein Verkippen des Verschlusselements 305 beim Öffnen vermieden werden kann. Die Federscheibe 308 ist auf einer vom
Verschlusselement 305 abgewandten Seite des Düsenkörpers 101 angeordnet. Die Federscheibe 308 ermöglicht eine Einstellung der zweiten Federkraft. Hierfür kann die Federscheibe 308 mit einem Gewinde 308' versehen sein, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Alternativ oder ergänzend kann die Federscheibe 308 auf Maß eingepresst werden. In der Federscheibe 308 ist dazu eine zentrische Bohrung angeordnet, um mit einem Messtaster zur Abstützstruktur 303 zu gelangen. Durch die gute Zugänglichkeit der zweiten Feder 304 kann für diese auf einfache Weise eine Einstellung der zweiten Feder 304, beispielsweise über das Gewinde 308' oder einen Pressvorgang auf Maß realisiert werden. Dadurch können Bauteiltoleranzen reduziert werden. Des Weiteren können somit Bauformen realisiert werden, bei denen die erste Feder 302, das heißt die schließende Feder nicht einstellbar ist. Da zum Ausgleich von Toleranzen mindestens eine der Federn einstellbar sein sollte, kann dies über die Einstellung der zweiten Feder 304 erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Proportionalventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend
• ein bewegbares Schließelement (301) und eine an dem Schließelement (301) angeordnete erste Feder (302), wobei die erste Feder (302) dazu eingerichtet ist, eine erste Federkraft in eine Schließrichtung auf das Schließelement (301) auszuüben, und
• einen Aktor (200), wobei der Aktor (200) dazu eingerichtet ist, eine
einstellbare Kraft auf das Schließelement (301), welche der ersten
Federkraft entgegen gerichtet ist, bereitzustellen,
wobei das Schließelement (301) dazu eingerichtet ist, eine Durchlassöffnung (102) durch die Bewegung zu verschließen und zu öffnen, dadurch gekennzeichnet, dass das Proportionalventil (100)
• ein Verschlusselement (305) umfasst, welches an einem Ende des
Schließelements (301) angeordnet ist, und
• eine zweite Feder (304) umfasst, wobei die zweite Feder (304) an dem
Verschlusselement (305) angeordnet ist und wobei die zweite Feder (304) dazu eingerichtet ist, eine zweite Federkraft auf das Verschlusselement (305) auszuüben, wobei die zweite Federkraft der ersten Federkraft entgegenwirkt.
Proportionalventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (301) dazu ausgebildet ist, einen im Bereich der Durchlassöffnung (102) ausgebildeten Ventilsitz (103) zu verschließen oder freizugeben.
3. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (301) und das Verschlusselement (305) durch die erste Federkraft und die zweite Federkraft aneinander angeordnet sind.
4. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Federkraft betragsmäßig größer als die zweite Federkraft ist.
5. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Federkraft größer als die maximal auftretende Schießkraft am Ventilsitz ist, wobei die maximal auftretende Schießkraft sich aus dem Versorgungsdruck und der Durchströmung ergibt.
6. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (305) eine Abstützstruktur (303) umfasst, wobei die zweite Feder (304) über die Abstützstruktur (303) mit dem Verschlusselement (305) wirkverbunden ist.
7. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (305) topfförmig ausgebildet ist.
8. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer der Durchlassöffnung (102) zugewandten Fläche des Verschlusselements (305) ein elastisches Element (306) angeordnet ist.
9. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuströmraum (401) und das Schließelement (301) auf einer ersten Seite der Durchlassöffnung (102) angeordnet sind und ein Abströmraum (402) auf einer von der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der Durchlassöffnung (102) ausgebildet ist, wobei der Zuströmraum (401) und der Abströmraum (402) über die Durchlassöffnung (102) miteinander verbindbar sind.
10. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontaktstelle (307) des Schließelements (301) mit dem Verschlusselement (305) ballig ausgeführt ist.
11. Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (200) eine Magnetspule (201) und einen Magnetanker (202) umfasst, wobei der Magnetanker (202) mit dem Schließelement (301) fest verbunden ist und wobei der Magnetanker (202) durch die Magnetspule (201) hubbewegbar ist.
12. Brennstoffzellenanordnung mit einem Proportionalventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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