WO2019137780A1 - Dosierventil und strahlpumpeneinheit zum steuern eines gasförmigen mediums - Google Patents

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WO2019137780A1
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metering valve
valve
longitudinal axis
gaseous medium
jet pump
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Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a metering valve and a jet pump unit for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
  • DE 10 2010 043 618 A1 describes a metering valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, wherein the metering valve comprises a valve housing, an ejector unit, an actuator and a closing element.
  • the valve housing a passage opening is formed, which can be released or closed by the closing element on a valve seat.
  • the ejector unit comprises an inflow region to which a first gasförmi saturated medium is supplied under pressure, a suction, where a second medium is present and a mixing tube region, from which emerges a mixture of the first and second gaseous medium.
  • the passage opening is arranged between the inflow area and the suction area of the ejector unit.
  • the metering valve according to the invention and the jet pump unit for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, has the advantage that, despite predetermined installation position of the jet pump, the Do sierventil can be variably mounted on the jet pump.
  • the metering valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen a valve housing, in which an interior space is formed.
  • a movable closing element is arranged along a longitudinal axis of the metering valve, which cooperates to open or close an opening cross-section of an inlet region in a passage opening with a valve seat.
  • the metering valve has a nozzle, in wel holes, the passage opening is formed.
  • the passage opening in egg NEN Umlenkstutzen goes and is connected to the nozzle, so that the emerging from the passage opening gaseous medium is deflected by the Umlenkstutzen of the longitudinal axis of the metering valve.
  • a jet pump unit comprises the metering valve, a jet pump housing, a mixing tube area, an intake passage, a suction area and a drain area.
  • the jet pump housing comprises the valve housing of the metering valve and a pump housing.
  • the outlet of the gaseous medium from the metering valve can always be adapted to the mounting position of the metering valve in the pump housing and opti mized.
  • the pump housing has an at least sectionally stepped and partially conically formed through-bore, wherein the metering valve with the pump housing is firmly verbun the, for example, by screwing or compression.
  • the inlet channel of the metering valve is at least partially formed radially in the pump housing to the longitudinal axis of the metering valve, so that the inlet region of the metering valve is arranged in the through hole.
  • the deflector is so advantageous manner in the through hole of the pump housing is arranged, that with active metering valve, the gaseous medium from the metering valve is passed through the Umlenkstutzen along the longitudinal axis of the pump housing in the intake.
  • the deflection clip is formed as at least partially arcuate tubular element.
  • the arcuate tubular element deflects the gaseous medium from the metering valve by 90 degrees from the longitudinal axis of the metering valve, wherein in an advantageous embodiment the tubular element has an internal diameter D 2 corresponding to a diameter Di of the passage opening.
  • the deflection neck is formed as Anformung the passage opening of the nozzle, wherein the Anformung has a longitudinal axis, and wherein said longitudinal axis includes a Win angle a with the longitudinal axis of the metering valve.
  • the angle a is in a value range between 30 degrees and 90 degrees.
  • the Anformung hollow cylinder-shaped and the diam diam Di the passage opening corresponds to a diameter D 3 of Anformung.
  • the Anformung can be easily adapted to the mounting position of the metering valve, so that an optimal Ausdüsung of gaseous medium from the metering valve can be ensured.
  • the valve seat is formed out as a flat seat and arranged between the valve seat and the closing element an elastic you telement.
  • the jet pump unit described is preferably suitable in a fuel cell fuel assembly for controlling a hydrogen supply to a Anodenbe rich a fuel cell. Advantages are the low pressure fluctuations in the anode path and a quiet operation.
  • FIG. 1a shows a first embodiment of a metering valve according to the invention with a Umlenkstutzen in longitudinal section
  • 1 b shows a second embodiment of a Dosierven tils invention with a Umlenkstutzen in longitudinal section
  • FIG. 2a shows an embodiment of a Strahlpumpenein unit according to the invention with the metering valve shown in Fig. La in longitudinal section
  • Fig. 2b shows a further embodiment of a jet pump according to the invention pentician with the dosing valve shown in Fig. Lb in longitudinal section.
  • Fig.la shows a first embodiment of a metering valve 100 according to the invention in longitudinal section.
  • the metering valve 100 has a valve housing 12, in which an interior space 26 is formed.
  • an electric magnet 130 is arranged, which comprises a magnetic coil 13, an inner pole 10 and an outer pole 11.
  • the inner pole 10 is connected to the valve housing 12 via a spacer element 14 made of non-magnetic material.
  • a Hubbe wegaji magnet armature 6 is arranged with a pin-shaped element 5 in an encompassed by the interior 26 armature space 9, wherein the pin-shaped element 5 is fixedly connected to the armature 6 and both in a recess 27 of the inner pole 10 and in a recess 28th the valve housing 12 is received and guided.
  • the magnet armature 6 is formed as a plunger armature and is taken in its stroke movement in a Ausneh tion 22 of the inner pole 10.
  • the valve housing 12 and the inner pole 10 define a spring chamber 8, in which a plate-shaped end 16 of the pin-shaped element 5 of the Magnetan kers 6 protrudes.
  • a closing spring 15 is supported, by which the armature 6 is biased to the pin-shaped element 5.
  • the closing spring 15 facing away from the end of the pin-shaped element 5 is fixedly connected to a flat closure element 2.
  • the closing element 2 has at its end facing away from the pin-shaped element 5 an elastic sealing element 3 and is rich in a Zulaufbe 7 of the metering valve 100 is arranged.
  • the spring chamber 8 and the armature space 9 are fluidly connected to each other via a first connecting channel 24 and the armature space 9 and the running region 7 via a second connecting channel 25 a related party.
  • inlet channels 31 are formed from, through which the inlet portion 7 of the metering valve 100 can be filled with gaseous medium medium.
  • the inlet region 7 is delimited next to the valve housing 12 by a nozzle 1, in which a stepped passage opening 21 is formed.
  • At one of the elastic sealing element 3 facing radially to the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 seat la of the nozzle 1 is formed around a running sealing edge 20 on which a valve seat 4 is formed.
  • In egg ner closed position of the metering valve 100 is the elastic Dichtele element 3 by the application of force to the closing spring 15 to the valve seat 4, so that a connection between the inlet region 7 and the passage opening 21 is closed.
  • the passage opening 21 of the nozzle 1 opens into a Umlenkstutzen 30 which is fixedly connected to the nozzle 1.
  • the Umlenkstutzen 30 is formed as a curved tubular element 300, which redirects gaseous medium from the metering valve 100 by 90 degrees from the longitudinal axis 18 of the metering valve 100.
  • the tube element has an inner diameter D 2 , which corresponds to a diameter Di of the passage opening.
  • the metering valve 100 is designed here as a proportional valve.
  • the closing element 2 is pressed against the valve seat 4 via the closing spring 15, so that the connection between the inlet region 7 and the passage opening 21 is interrupted and no gas flow takes place.
  • the magnetic coil 13 If the magnetic coil 13 is energized, a magnetic force is generated on the Mag netanker 6, which is the closing force of the closing spring 15 Titange directed. This magnetic force is transmitted to the closing element 2 via the pin-shaped element 5, so that the closing force of the closing spring 15 is compensated by and the closing element 2 lifts off from the valve seat 4. A gas flow from the inlet region 7 in the direction of the passage opening 21 is given free.
  • the stroke of the closing element 2 can be adjusted via the height of the current at the magnetic coil 13. The higher the current to the solenoid coil 13, the greater the stroke of the closing element 2 and the higher the gas flow in the metering valve 100, since the force of the closing spring 15 is dependent on the stroke. If the current is reduced at the magnetic coil 13, and the stroke of the closing element 2 is reduced and thus throttled the gas flow ge.
  • the magnetic force is reduced to the armature 6, so that the force is reduced to the closing element 2 by means of the pin-shaped element 5.
  • the closing element 2 moves in the direction of the passage opening 21 and seals with the elastic element 3 at the valve seat 4.
  • the gas flow in the metering valve 100 is un interrupted.
  • Fig.lb shows a second embodiment of a metering valve 100 according to the invention in longitudinal section.
  • the second embodiment corresponds in structure and operation except for the design of Umlenkstutzens 30 largely the first embodiment.
  • the Umlenkstutzen 30 is formed here as Anformung 3000 of the passage opening 21 of the nozzle 1.
  • the Anformung 3000 a longitudinal axis 3001, which includes an angle a with the longitudinal axis 18 of the metering valve 100.
  • the angle a lies in a value range between 30 degrees and 90 degrees.
  • the Anformung 3000 is of hollow cylindrical shape and the diameter Di of the füröff opening 21 corresponds to a diameter D 3 of Anformung 3000.
  • the nozzle 1 facing away from the Anformung 3000 is flared so that an optimal flow outlet of the gaseous medium is achieved.
  • the second embodiment allows, for example, a deflection of the gaseous medium from the longitudinal axis 18 of the metering 100.
  • the metering valve 100 can for example be used in a fuel cell arrangement.
  • an anode region of the fuel cell hydrogen is supplied from a tank who the.
  • a flow cross section at the passage opening 21 is changed in such a way that a demand-oriented adjustment of the gas flow supplied to the fuel cell takes place continuously.
  • the metering valve 100 for controlling a gaseous medium thus has the advantage that in this case the supply of the first gaseous medium and the metered addition of hydrogen into the anode region of the fuel cell by means of electronically controlled adjustment of the flow cross section of the passage opening 21 while controlling the anode pressure much more accurate can be done.
  • the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion.
  • consequential damage such as damage to a downstream catalytic converter, can also be prevented.
  • FIG. 2a shows a first embodiment of a jet pump unit 46 with the metering valve 100 according to the invention from the Fig.la in longitudinal section.
  • the jet pump unit 46 has a jet pump housing 41 which comprises the valve housing 12 of the metering valve 100 and a pump housing 49.
  • the pump housing 49 in this case has a longitudinal axis 48, which includes the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 at an angle of 90 degrees.
  • the intake passage 43 can also, see gestri smelted intake passage 43 ', be formed axially to the longitudinal axis 48, so that no diversion of the recirculated gas must be done.
  • In the passage bore 42 are a suction area 44, a mixing tube area 52 and a drainage area 45 formed.
  • the metering valve 100 is accommodated in sections perpendicular to the pump housing 49.
  • valve housing 12 is arranged with egg ner stage 37 on the pump housing 49 and is connected to this fixed a related party, for example by screwing or pressing. Furthermore, sealing elements 35 are arranged on the valve housing 12, so that the valve housing 12 and the pump housing 49 are sealed from each other. Gas-shaped medium from the inlet channel 31 so passes only through the fürlenfinöff opening 21 in the direction of the suction 44th
  • the nozzle 1 of the metering valve 100 with the designed as an arcuate tubular element 300 Umlenkstutzen 30 is arranged in the pump housing 49, that the suction channel 43 coaxially to the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 ordered and the Umlenkstutzen 30 are arranged directly in front of the suction 44 at.
  • the operation of the jet pump unit 46 is as follows:
  • gaseous medium here hydrogen
  • gaseous medium here hydrogen
  • This hydrogen flows into the deflection nozzle after the nozzle 1 30 and is directed by this 90 degrees from the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 to, so that the hydrogen enters axially into the longitudinal axis 48 of the Pumpengephinu ses 49 in the through hole 42.
  • the recirculated gaseous medium mainly comprises hydrogen, but also water vapor and nitrogen.
  • a mass flow from the intake area 44 is sucked by impulse exchange of the gaseous media and conveyed in the direction of drain region 45 and thus in Rich tion the anode region of the fuel cell.
  • the nozzle 1 can be adjusted as required to adjust the gas flow supplied to the fuel cell.
  • FIG. 2b shows a further embodiment of the jet pump unit 46 with the metering valve 100 according to the invention from the Fig.lb in longitudinal section.
  • the further embodiment of the jet pump unit corresponds in construction and operation except for the design of the Umlenkstutzens 30 and the installation position of the metering valve 100 in the pump housing 49 largely the first embodiment.
  • the Umlenkstutzen 30 is formed here as Anformung 3000 of the passage opening 21 of the nozzle 1.
  • the longitudinal axis 18 of the metering valve 100 and the longitudinal axis 48 of the pump housing 49 which is identical to the longitudinal axis 3001 of the Anformung 3000, include an angle between 30 degrees and 90 degrees, here 45 degrees.
  • the longitudinal axis 3001 of the Anformung 3000 of the passage opening 21 of the nozzle 1 therefore includes an angle a of 45 degrees with the longitudinal axis 18 of the metering valve 100, so that the hydrogen pengetudes axially to the longitudinal axis 48 of the Pum 49 can enter into the through hole 42, so that an optimal mixing with the recirculated gas takes place from the intake duct 43.

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Abstract

Dosierventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (12), in dem ein Innenraum (26) ausgebildet ist. In dem Innenraum (26) ist entlang einer Längsachse (18) des Dosierventils (100) ein bewegbares Schließelement (2) angeordnet, das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungsquerschnitts von einem Zulaufbereich (7) in eine Durchlassöffnung (21) mit einem Ventilsitz (4) zusammenwirkt. Darüber hinaus weist das Dosierventil (100) eine Düse (1) auf, in welcher die Durchlassöffnung (21) ausgebildet ist. Die Durchlassöffnung (21) geht dabei in einen Umlenkstutzen (30) über und ist mit der Düse (1) fest verbunden, so dass das aus der Durchlassöffnung (21) austretende gasförmige Medium durch den Umlenkstutzen (30) von der Längsachse (18) des Dosierventils (100) umgelenkt wird.

Description

Beschreibung
Dosierventil und Strahlpumpeneinheit zum Steuern eines gasförmigen Mediums
Die Erfindung betrifft ein Dosierventil und eine Strahlpumpeneinheit zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur An wendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
Stand der Technik
Die DE 10 2010 043 618 Al beschreibt ein Dosierventil zum Steuern eines gas förmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Dosierventil ein Ventil gehäuse, eine Ejektoreinheit, einen Aktor und ein Schließelement umfasst. In dem Ventilgehäuse ist eine Durchgangsöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Die Ejektoreinheit umfasst einen Zuströmbereich, welchem ein erstes gasförmi ges Medium unter Druck zugeführt wird, einem Ansaugbereich, an welchem ein zweites Medium ansteht und einen Mischrohrbereich, aus welchem ein Gemisch des ersten und des zweiten gasförmigen Mediums austritt. Die Durchgangsöff nung ist zwischen dem Zuströmbereich und dem Ansaugbereich der Ejektorein heit angeordnet.
Optimierungen von Spülvorgängen in einem Anodenpfad einer Brennstoffzellena nordnung kann durch eine Kombination aus einem Dosierventil und einer Strahl pumpe erzielt werden. Die Einbaulage des Dosierventils in die Strahlpumpe ist jedoch aufgrund der bevorzugt horizontalen Montierung der Strahlpumpe an ei nem Brennstoffzellenstack der Brennstoffzellenanordnung eingeschränkt. Eine ebenfalls horizontale Einbaulage des Dosierventils kann zu Ablagerungen von Schmutz und Kondenswasser und darüber hinaus zu Funktionsbeeinträchtigun gen führen. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Dosierventil und die Strahlpumpeneinheit zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass trotz vorbestimmter Einbaulage der Strahlpumpe das Do sierventil variabel an der Strahlpumpe montiert werden kann.
Dazu weist das Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbeson dere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in dem ein Innenraum ausgebildet ist. In dem Innenraum ist entlang einer Längsachse des Dosierventils ein bewegbares Schließelement angeordnet, das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungs querschnitts von einem Zulaufbereich in eine Durchlassöffnung mit einem Ventil sitz zusammenwirkt. Darüber hinaus weist das Dosierventil eine Düse auf, in wel cher die Durchlassöffnung ausgebildet ist. Dabei geht die Durchlassöffnung in ei nen Umlenkstutzen über und ist mit der Düse verbunden, so dass das aus der Durchlassöffnung austretende gasförmige Medium durch den Umlenkstutzen von der Längsachse des Dosierventils umgelenkt wird.
Weiterhin umfasst eine Strahlpumpeneinheit das Dosierventil, ein Strahlpumpen gehäuse, einen Mischrohrbereich, einen Ansaugkanal, einen Ansaugbereich und einen Ablaufbereich. Das Strahlpumpengehäuse umfasst das Ventilgehäuse des Dosierventils und ein Pumpengehäuse.
So kann der Austritt des gasförmigen Mediums aus dem Dosierventil immer an die Einbaulage des Dosierventils in das Pumpengehäuse angepasst und opti miert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung weist das Pumpengehäuse eine zumindest ab schnittsweise stufenförmig und abschnittsweise konisch ausgebildete Durch gangsbohrung auf, wobei das Dosierventil mit dem Pumpengehäuse fest verbun den ist, beispielsweise durch Verschraubung oder Verpressung. Weiterhin ist der Zulaufkanal des Dosierventils radial zu der Längsachse des Dosierventils zumin dest teilweise in dem Pumpengehäuse ausgebildet, so dass der Zulaufbereich des Dosierventils in der Durchgangsbohrung angeordnet ist. Der Umlenkstutzen ist so vorteilhaftweise in der Durchgangsbohrung des Pumpengehäuses ange ordnet, dass bei aktivem Dosierventil das gasförmige Medium aus dem Dosier ventil über den Umlenkstutzen entlang der Längsachse des Pumpengehäuses in den Ansaugbereich geleitet wird.
Durch die Integration der Düse mit dem Umlenkstutzen in das Dosierventil ist es möglich, die Strömung des gasförmigen Mediums nach dem Ventilsitz direkt in die Strahlpumpeneinheit zu führen. Dadurch kann eine optimierte Auslegung von Dosierventil und Pumpengehäuse der Strahlpumpeneinheit erzielt werden. Dar über hinaus ist durch den Umlenkstutzen ein optimaler Strömungsfluss des gas förmigen Mediums in das Pumpengehäuse möglich, unabhängig von der Einbau lage des Dosierventils in das Pumpengehäuse.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Umlenk stutzen als zumindest abschnittsweise bogenförmiges Rohrelement ausgebildet ist. Vorteilhafterweise lenkt das bogenförmige Rohrelement das gasförmige Me dium aus dem Dosierventil um 90 Grad von der Längsachse des Dosierventils um, wobei in vorteilhafter Weiterbildung das Rohrelement einen Innendurchmes ser D2 aufweist, der einem Durchmesser Di der Durchlassöffnung entspricht.
So kann in konstruktiv einfacher Weise das gasförmige Medium richtungsverän derlich aus dem Dosierventil geleitet werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Umlenk stutzen als Anformung der Durchlassöffnung der Düse ausgebildet ist, wobei die Anformung eine Längsachse aufweist, und wobei diese Längsachse einen Win kel a mit der Längsachse des Dosierventils einschließt. Vorteilhafterweise liegt der Winkel a in einem Wertebereich zwischen 30 Grad und 90 Grad. Weiterhin vorteilhaft ist die Anformung hohlzylinderförmig ausgebildet und der Durchmes ser Di der Durchlassöffnung entspricht einem Durchmesser D3 der Anformung.
So kann die Anformung in einfacher Weise an die Einbaulage des Dosierventils angepasst werden, so dass eine optimale Ausdüsung von gasförmigem Medium aus dem Dosierventil sichergestellt werden kann. In Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das der Düse abgewandte Ende der Anformung konisch erweitert ist. Dadurch wird der Strö mungsdurchlauf des gasförmigen Mediums durch die Anformung verbessert und mögliche Druckreflexionen vermindert.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Ventilsitz als Flachsitz ausge bildet und zwischen dem Ventilsitz und dem Schließelement ein elastisches Dich telement angeordnet. Durch die Verwendung eines flachen Ventilsitzes in Kombi nation eines elastischen Dichtelements zur Abdichtung am Ventilsitz kann in ein facher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Do sierventils sichergestellt werden, so dass beispielsweise kein Wasserstoff aus dem Dosierventil austreten kann.
Die beschriebene Strahlpumpeneinheit eignet sich vorzugsweise in einer Brenn stoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbe reich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb.
Zeichnungen
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Dosier ventils und einer Strahlpumpeneinheit zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbeson dere Wasserstoff, zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in
Fig. la ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierventils mit einem Umlenkstutzen im Längsschnitt,
Fig. lb ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierven tils mit einem Umlenkstutzen im Längsschnitt,
Fig. 2a ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenein heit mit dem in Fig. la gezeigten Dosierventil im Längsschnitt, Fig. 2b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlpum peneinheit mit dem in Fig. lb gezeigten Dosierventil im Längsschnitt.
Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.la zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosier ventils 100 im Längsschnitt. Das Dosierventil 100 weist ein Ventilgehäuse 12 auf, in dem ein Innenraum 26 ausgebildet ist. In dem Innenraum 26 ist ein Elektro magnet 130 angeordnet, welcher eine Magnetspule 13, einen Innenpol 10 und einen Außenpol 11 umfasst. Der Innenpol 10 ist dabei mit dem Ventilgehäuse 12 über ein Distanzbuchsenelement 14 aus nicht magnetischen Material verbunden.
Weiterhin ist in einem von dem Innenraum 26 umfassten Ankerraum 9 ein hubbe weglicher Magnetanker 6 mit einem stiftförmigen Element 5 angeordnet, wobei das stiftförmige Element 5 fest mit dem Magnetanker 6 verbunden ist und sowohl in einer Ausnehmung 27 des Innenpols 10 als auch in einer Ausnehmung 28 des Ventilgehäuses 12 aufgenommen und geführt ist. Der Magnetanker 6 ist als Tauchanker ausgebildet und wird bei dessen Hubbewegung in einer Ausneh mung 22 des Innenpols 10 aufgenommen.
Das Ventilgehäuse 12 und der Innenpol 10 begrenzen einen Federraum 8, in welchen ein tellerförmiges Ende 16 des stiftförmigen Elements 5 des Magnetan kers 6 hineinragt. An dem tellerförmigen Ende 16 des stiftförmigen Elements 5 stützt sich eine Schließfeder 15 ab, durch welche der Magnetanker 6 mit dem stiftförmigen Element 5 vorgespannt ist. Das der Schließfeder 15 abgewandte Ende des stiftförmigen Elements 5 ist fest mit einem ebenen Schließelement 2 verbunden. Das Schließelement 2 weist an seinem dem stiftförmigen Element 5 abgewandten Ende ein elastisches Dichtelement 3 auf und ist in einem Zulaufbe reich 7 des Dosierventils 100 angeordnet. Der Federraum 8 und der Ankerraum 9 sind über einen ersten Verbindungskanal 24 und der Ankerraum 9 und der Zu laufbereich 7 über einen zweiten Verbindungskanal 25 fluidisch miteinander ver bunden. Radial zu einer Längsachse 18 des Dosierventils 100 sind Zulaufkanäle 31 aus gebildet, durch welche der Zulaufbereich 7 des Dosierventils 100 mit gasförmi gem Medium befüllbar ist. Der Zulaufbereich 7 ist neben dem Ventilgehäuse 12 von einer Düse 1 begrenzt, in welcher eine stufenförmige Durchlassöffnung 21 ausgebildet ist. An einer dem elastischen Dichtelement 3 zugewandten radial zu der Längsachse 18 des Dosierventils 100 Sitzfläche la der Düse 1 ist eine um laufende Dichtkante 20 ausgebildet, an der ein Ventilsitz 4 ausgebildet ist. In ei ner geschlossenen Position des Dosierventils 100 liegt das elastische Dichtele ment 3 durch die Kraftbeaufschlagung der Schließfeder 15 an dem Ventilsitz 4 an, so dass eine Verbindung zwischen dem Zulaufbereich 7 und der Durchlass öffnung 21 geschlossen ist.
Weiterhin mündet die Durchlassöffnung 21 der Düse 1 in einen Umlenkstutzen 30, welcher mit der Düse 1 fest verbunden ist. Hier ist der Umlenkstutzen 30 als bogenförmiges Rohrelement 300 ausgebildet, welches gasförmiges Medium aus dem Dosierventil 100 um 90 Grad von der Längsachse 18 des Dosierventils 100 umlenkt. Darüber hinaus weist das Rohrelement einen Innendurchmesser D2 auf, der einem Durchmesser Di der Durchlassöffnung entspricht.
Die Funktionsweise des Dosierventils ist wie folgt:
Das Dosierventil 100 ist hier als Proportionalventil ausgebildet. Bei nicht bestrom- ter Magnetspule 13 wird das Schließelement 2 über die Schließfeder 15 an den Ventilsitz 4 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Zulaufbereich 7 und der Durchlassöffnung 21 unterbrochen ist und kein Gasdurchfluss erfolgt.
Wird die Magnetspule 13 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Mag netanker 6 erzeugt, welcher der Schließkraft der Schließfeder 15 entgegenge richtet ist. Diese magnetische Kraft wird über das stiftförmige Element 5 auf das Schließelement 2 übertragen, so dass die Schließkraft der Schließfeder 15 über kompensiert wird und das Schließelement 2 vom Ventilsitz 4 abhebt. Ein Gas durchfluss aus dem Zulaufbereich 7 in Richtung der Durchlassöffnung 21 ist frei gegeben. Der Hub des Schließelements 2 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 13 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnet spule 13, desto größer ist der Hub des Schließelements 2 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss im Dosierventil 100, da die Kraft der Schließfeder 15 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 13 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 2 reduziert und somit der Gasdurchfluss ge drosselt.
Wird der Strom an der Magnetspule 13 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 6 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 2 mittels des stiftförmigen Elements 5 reduziert wird. Das Schließelement 2 bewegt sich in Richtung der Durchlassöffnung 21 und dichtet mit dem elastischen Dich telement 3 an dem Ventilsitz 4 ab. Der Gasdurchfluss im Dosierventil 100 ist un terbrochen.
Fig.lb zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosier ventils 100 im Längsschnitt. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht dabei in Aufbau und Funktionsweise bis auf die Ausgestaltung des Umlenkstutzens 30 weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Umlenkstutzen 30 ist hier als Anformung 3000 der Durchlassöffnung 21 der Düse 1 ausgebildet. Dabei weist die Anformung 3000 eine Längsachse 3001 auf, welche mit der Längs achse 18 des Dosierventils 100 einen Winkel a einschließt. Der Winkel a liegt in einem Wertebereich zwischen 30 Grad und 90 Grad. Weiterhin ist die Anformung 3000 hohlzylinderförmig ausgebildet und der Durchmesser Di der Durchlassöff nung 21 entspricht einem Durchmesser D3 der Anformung 3000. Darüber hinaus ist das der Düse 1 abgewandte Ende der Anformung 3000 konisch erweitert, so dass ein optimaler Strömungsaustritt des gasförmiges Mediums erzielt wird.
Ebenso wie das erste Ausführungsbeispiel ermöglicht das zweite Ausführungs beispiel eine Ablenkung des gasförmigen Mediums aus der Längsachse 18 des Dosierventils 100. Das erfindungsgemäße Dosierventil 100 kann beispielsweise in einer Brennstoff zellenanordnung Verwendung finden. Mittels des Dosierventils 100 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt wer den. Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 13 des Dosierventils 100, durch welche der Hub des Schließelements 2 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt an der Durchlassöffnung 21 derart verändert, dass konti- nuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt.
Das Dosierventil 100 zum Steuern eines gasförmigen Mediums weist somit den Vorteil auf, dass hierbei die Zuführung des ersten gasförmigen Mediums und die Zudosierung von Wasserstoff in den Anodenbereich der Brennstoffzelle mittels elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchlass- Öffnung 21 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter er- folgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folge- schäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden.
Fig.2a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Strahlpumpeneinheit 46 mit dem erfindungsgemäßen Dosierventil 100 aus der Fig.la im Längsschnitt. Die Strahlpumpeneinheit 46 weist ein Strahlpumpengehäuse 41 auf, das das Ventil gehäuse 12 des Dosierventils 100 und ein Pumpengehäuse 49 umfasst. Das Pumpengehäuse 49 weist dabei eine Längsachse 48 auf, welche mit der Längs achse 18 des Dosierventils 100 einen Winkel von 90 Grad einschließt.
In dem Pumpengehäuse 49 sind axial zu der Längsachse 48 eine teilweise stu fenförmig und teilweise konisch ausgebildete Durchgangsbohrung 42 sowie der Zulaufkanal 31 des Dosierventils 100 und radial zu der Längsachse 48 ein An saugkanal 43 ausgebildet. Der Ansaugkanal 43 kann dabei auch, siehe gestri chelten Ansaugkanal 43‘, axial zu der Längsachse 48 ausgebildet sein, so dass keine Umlenkung des rezirkulierten Gases erfolgen muss. In der Durchgangs bohrung 42 sind ein Ansaugbereich 44, ein Mischrohrbereich 52 und ein Ablauf- bereich 45 ausgebildet. Das Dosierventil 100 ist senkrecht zu dem Pumpenge häuse 49 abschnittsweise aufgenommen. Dabei ist das Ventilgehäuse 12 mit ei ner Stufe 37 an dem Pumpengehäuse 49 angeordnet und ist mit diesem fest ver bunden, beispielsweise durch Verschraubung oder Verpressung. Weiterhin sind an dem Ventilgehäuse 12 Dichtungselemente 35 angeordnet, so dass das Ventil gehäuse 12 und das Pumpengehäuse 49 gegeneinander abgedichtet sind. Gas förmiges Medium aus dem Zulaufkanal 31 gelangt so nur über die Durchlassöff nung 21 in Richtung des Ansaugbereichs 44.
Die Düse 1 des Dosierventils 100 mit dem als bogenförmiges Rohrelement 300 ausgebildetem Umlenkstutzen 30 ist so in dem Pumpengehäuse 49 angeordnet, dass der Ansaugkanal 43 koaxial zur Längsachse 18 des Dosierventils 100 an geordnet und der Umlenkstutzen 30 unmittelbar vor dem Ansaugbereich 44 an geordnet sind.
Die Funktionsweise der Strahlpumpeneinheit 46 ist wie folgt:
Bei geöffnetem oder teilgeöffnetem Ventilsitz 4 des Dosierventils 100 strömt über den Ventilsitz 4 aus dem Zulaufkanal 31 des Dosierventils 100 gasförmiges Me dium, hier Wasserstoff, aus dem Tank in die Durchlassöffnung 21 in der Düse 1. Dieser Wasserstoff strömt nach der Düse 1 in den Umlenkstutzen 30 ein und wird durch diesen um 90 Grad von der Längsachse 18 des Dosierventils 100 um gelenkt, so dass der Wasserstoff axial zu der Längsachse 48 des Pumpengehäu ses 49 in die Durchgangsbohrung 42 eintritt. Nach Eintritt in die Durchgangsboh rung 42 trifft der Wasserstoff in dem Ansaugbereich 44 auf gasförmiges Medium, welches der Brennstoffzelle bereits zugeführt, jedoch nicht verbraucht wurde, und über den Ansaugkanal 43 zurück in die Strahlpumpeneinheit 46 geführt wurde. Das zurückgeführte gasförmige Medium umfasst hauptsächlich Wasser- stoff, aber auch Wasserdampf und Stickstoff. In dem Mischrohrbereich 52 wird durch Impulsaustausch der gasförmigen Medien ein Massenstrom aus dem An saugbereich 44 angesaugt und in Richtung Ablaufbereich 45 und somit in Rich tung dem Anodenbereich der Brennstoffzelle gefördert. Je nach Geometrie der Durchgangsbohrung 42 und dem Einsetzwinkel des Dosierventils 100 und damit der Düse 1 kann eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zuge- führten Gasströmung erfolgen.
Fig.2b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Strahlpumpeneinheit 46 mit dem erfindungsgemäßen Dosierventil 100 aus der Fig.lb im Längsschnitt. Das weitere Ausführungsbeispiel der Strahlpumpeneinheit entspricht dabei in Aufbau und Funktionsweise bis auf die Ausgestaltung des Umlenkstutzens 30 und der Einbaulage des Dosierventils 100 in dem Pumpengehäuse 49 weitestgehend dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Umlenkstutzen 30 ist hier als Anformung 3000 der Durchlassöffnung 21 der Düse 1 ausgebildet. Dabei ist das Dosierventil
100 in der Fig.2b in schräger Einbaulage in dem Pumpengehäuse 49 montiert. Die Längsachse 18 des Dosierventils 100 und die Längsachse 48 des Pumpen gehäuses 49, welche mit der Längsachse 3001 der Anformung 3000 identisch ist, schließen einen Winkel zwischen 30 Grad und 90 Grad ein, hier 45 Grad. Die Längsachse 3001 der Anformung 3000 der Durchlassöffnung 21 der Düse 1 schließt daher einen Winkel a von 45 Grad mit der Längsachse 18 des Dosier ventils 100 ein, so dass der Wasserstoff axial zu der Längsachse 48 des Pum pengehäuses 49 in die Durchgangsbohrung 42 eintreten kann, so dass eine opti male Vermischung mit dem rezirkulierten Gas aus dem Ansaugkanal 43 erfolgt.

Claims

Ansprüche
1. Dosierventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbeson dere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (12), wobei in dem Ventilgehäuse (12) ein Innenraum (26) ausgebildet ist, mit einem darin angeordneten entlang einer Längsachse (18) des Dosierventils (100) bewegbaren Schließelement (2), das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungsquerschnitts von einem Zulaufbe reich (7) in eine Durchlassöffnung (21) mit einem Ventilsitz (4) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (100) eine Düse (1) aufweist, in welcher die Durchlassöffnung (21) ausgebildet ist, wobei die Durchlassöffnung (21) in einen Umlenkstutzen (30) übergeht und mit der Düse (1) verbunden ist, so dass das aus der Durchlassöffnung (21) austretende gasförmige Medium durch den Umlenkstutzen (30) von der Längsachse (18) des Dosierventils (100) umge lenkt wird.
2. Dosierventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkstutzen (30) als zumindest abschnittsweise bogenförmiges Rohrelement (300) ausgebildet ist.
3. Dosierventil (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bogenförmige Rohrelement (300) das gasförmige Medium aus dem Dosierventil (100) um 90 Grad von der Längsachse (18) des Dosierventils (100) umlenkt.
4. Dosierventil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (300) einen Innendurchmesser D2 aufweist, der einem Durchmesser Di der Durchlassöffnung (21) entspricht.
5. Dosierventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkstutzen (30) als Anformung (3000) der Durchlassöffnung (21) der Düse (1) ausgebildet ist, wobei die Anformung (3000) eine Längsachse (3001) auf weist, und wobei diese Längsachse (3001) einen Winkel a mit der Längsachse (18) des Dosierventils (100) einschließt.
6. Dosierventil (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel a in einem Wertebereich zwischen 30 Grad und 90 Grad liegt.
7. Dosierventil (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anformung (3000) hohlzylinderförmig ausgebildet ist und der Durchmes ser Di der Durchlassöffnung (21) der Düse (1) einem Durchmesser D3 der Anfor mung (3000) entspricht.
8. Dosierventil (100) nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das der Düse (1) abgewandtes Ende der Anformung (3000) konisch erwei tert ist.
9. Dosierventil (100) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (4) als Flachsitz ausgebildet und zwischen dem Ventilsitz (4) und dem Schließele ment (2) ein elastisches Dichtelement (3) angeordnet ist.
10. Strahlpumpeneinheit (46), umfassend ein Dosierventil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Strahlpumpengehäuse (41), wobei das Strahlpumpengehäuse (41) das Ventilgehäuse (12) des Dosierventils (100) und ein Pumpengehäuse (49) umfasst, einem Mischrohrbereich (52), einem An saugkanal (43), einem Ansaugbereich (44) und einem Ablaufbereich (45).
11. Strahlpumpeneinheit (46) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (49) eine zumindest abschnittsweise stufenförmig und abschnittsweise konisch ausgebildete Durchgangsbohrung (42) aufweist, wobei das Dosierventil (100) mit dem Pumpengehäuse (49) fest verbunden ist, bei spielsweise durch Verschraubung oder Verpressung.
12. Strahlpumpeneinheit (46) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulaufkanal (31) des Dosierventils (100) radial zu der Längsachse (18) des Dosierventils (100) zumindest teilweise in dem Pumpengehäuse (49) ausge bildet ist, so dass der Zulaufbereich (7) des Dosierventils (100) in der Durch gangsbohrung (42) angeordnet ist.
13. Strahlpumpeneinheit (46) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn zeichnet, dass der Umlenkstutzen (30) so in der Durchgangsbohrung (42) des Pumpengehäuses (49) angeordnet ist, dass bei aktivem Dosierventil (100) das gasförmige Medium aus dem Dosierventil (100) über den Umlenkstutzen (30) entlang einer Längsachse (48) des Pumpengehäuses (49) in den Ansaugbereich (44) geleitet wird.
14. Brennstoffzellenanordnung mit einer Strahlpumpeneinheit (46) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprü che 10 bis 13.
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