WO2020254065A1 - Ventil - Google Patents

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WO2020254065A1
WO2020254065A1 PCT/EP2020/064367 EP2020064367W WO2020254065A1 WO 2020254065 A1 WO2020254065 A1 WO 2020254065A1 EP 2020064367 W EP2020064367 W EP 2020064367W WO 2020254065 A1 WO2020254065 A1 WO 2020254065A1
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WO
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valve
drive shaft
medium passage
valve drive
closing body
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/064367
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English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Howey
Andreas Knoop
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2020254065A1 publication Critical patent/WO2020254065A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/16—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members
    • F16K1/18—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps
    • F16K1/22—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps with axis of rotation crossing the valve member, e.g. butterfly valves
    • F16K1/221—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces with pivoted closure-members with pivoted discs or flaps with axis of rotation crossing the valve member, e.g. butterfly valves specially adapted operating means therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/44—Mechanical actuating means
    • F16K31/53—Mechanical actuating means with toothed gearing
    • F16K31/535—Mechanical actuating means with toothed gearing for rotating valves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • 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
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a valve with a valve closing body which is used for
  • Closing or releasing a medium passage is operatively connected to an electromotive valve drive, the one
  • valve drive shaft which is rotatable about an axis of rotation for actuating the valve.
  • Pre-tensioning device the energy stored in the pre-tensioning device being transferable to the actuating device in the event of a fault, so that a rotary
  • Movement of the adjusting device begins, which leads to the adjustment of the valve, the adjusting axis of the adjusting device and the adjusting axis of the valve being arranged coaxially to one another, the adjusting device comprising at least one mechanical threaded spindle and at least one spindle nut, the adjusting device comprising at least one rotatable hydraulic motor.
  • Valve body with a guide element known the guide element being arranged in an opening of the valve mounting, the valve body facing the outflow side of the valve and closing or releasing the valve and the valve mounting facing the inflow side of the valve.
  • Fuel cell system comprising: a fuel cell with a Anode and a cathode, an electrolyte being arranged between the anode and the cathode; a cathode path having a cathode gas guide for supplying cathode gas to the cathode and a
  • Cathode exhaust gas duct for discharging cathode exhaust gas from the cathode; an anode path with an anode gas duct for supplying anode gas to the anode and an anode off-gas duct for discharging anode off-gas from the anode, with at least one first in the cathode gas duct
  • Compression device for compressing cathode gas; and wherein the at least one first compression device of the
  • Cathode gas can be selectively bridged by a bypass line.
  • the object of the invention is to operate a valve with a
  • Valve closing body which is used to close or release a
  • Valve drive is connected, which comprises a valve drive shaft which is rotatable about an axis of rotation for actuating the valve, to simplify.
  • the task is in a valve with a valve closing body that is used for
  • Closing or releasing a medium passage is operatively connected to an electromotive valve drive, the one
  • valve drive shaft which is rotatable about an axis of rotation for actuating the valve, solved in that the closure body is so in the
  • Valve drive shaft is rotatable. Through the valve closing body, the
  • valve closing body In a closed position, the valve closing body completely closes the medium passage. In an open position, the valve closing body
  • Valve closing body clears the medium passage.
  • the closing body is in one and the same direction of rotation both from the closed position to the
  • the medium passage is preferably arranged on a cathode side in a fuel cell system, as is the case, for example, in FIG mentioned German patent application DE 10 2011 087 912 A1 is disclosed.
  • the valve is also referred to as a cathode valve.
  • the claimed valve has a simple structure and can be manufactured inexpensively.
  • An H-bridge which is also referred to as a full bridge, is an electronic bridge circuit with five two-pole connections in the form of the capital H
  • a preferred exemplary embodiment of the valve is characterized in that the valve can be opened and closed without reversing the direction of rotation of the valve drive. This can significantly reduce the manufacturing costs.
  • valve closing body is designed as a valve disk.
  • the valve disk preferably has essentially the shape of a circular disk, with which the preferably likewise circular disk
  • seal can be completely closed in a simple manner.
  • the seal can be attached to the valve disk or in the medium passage.
  • valve closing body preferably designed as a valve disk
  • the valve closing body can be rotated unhindered in the medium passage around the axis of rotation of the valve drive shaft, in particular by more than three hundred and sixty degrees.
  • the medium passage can be repeatedly opened and closed by rotating the valve drive shaft in only one direction about its axis of rotation.
  • a reversal of the direction of rotation is particularly advantageously not necessary when rotating the valve drive shaft to open and close the valve.
  • Another preferred embodiment of the valve is characterized in that the axis of rotation of the valve drive shaft is arranged at an acute angle to a longitudinal axis of the medium passage.
  • the longitudinal axis of the medium passage is also referred to as the cylinder axis if the medium passage, as described above, has the shape of a straight circular cylinder jacket.
  • the axis of rotation of the valve drive shaft is particularly advantageously arranged at an angle of forty-five degrees to the longitudinal axis of the medium passage.
  • valve body plane is arranged at an acute angle to the axis of rotation of the valve drive shaft.
  • the valve body plane is preferably the plane in which the valve body, which is designed in particular as a valve disk, spreads out flat.
  • the angle between the valve body plane and the axis of rotation of the valve drive shaft is advantageously just as large as the angle between the axis of rotation of the
  • Valve drive shaft and the longitudinal axis of the medium passage are arranged and the longitudinal axis of the medium passage.
  • valve closing body is attached to a first end of the valve drive shaft.
  • the first end of the valve drive shaft preferably protrudes into the medium passage. The first end of the
  • valve drive shaft is preferably firmly connected to the valve closing body.
  • valve closing body can also be connected in one piece to the first end of the valve drive shaft.
  • an actuator body is attached to a second end of the valve drive shaft.
  • the actuating body is preferably firmly connected to the second end of the valve drive shaft.
  • the second end of the valve drive shaft is preferably centered on the actuating body
  • An actuating force, in particular a rotary movement, for actuating the valve can be transmitted to the valve drive shaft in a simple manner via the actuating body.
  • Another preferred embodiment of the valve is characterized in that the actuating body is designed as a worm wheel which interacts with a worm spindle.
  • An actuating movement for actuating the valve can be represented in a simple manner via the worm spindle, preferably with the aid of an electric motor.
  • valve is characterized in that a sensor device is assigned to the actuating body, which determines an actuation angle or actuation path of the
  • valve closing body is assigned a sensor device which detects a closing angle or closing path of the valve closing body.
  • valve drive shaft is assigned a sensor device which measures an actuation angle or actuation path
  • an electric motor of the electromotive valve drive is a
  • Associated sensor device which detects an actuation angle or actuation travel of the electric motor, in particular a motor shaft of the electric motor.
  • the sensor device can work according to common measuring principles.
  • a potentiometer for example, can be used to determine the path, in particular the angular position.
  • the path in particular the angular position.
  • Actuating travel in particular the angular position, can be detected inductively or optically.
  • the invention optionally also relates to a method for actuating a valve described above.
  • the proposed valve can also be used for a cathode valve, in particular as a cathode blocking valve, the proposed valve can also be used for
  • the invention optionally also relates to a fuel cell system with a valve described above.
  • the fuel cell system is, for example, a fuel cell system as disclosed in the German patent application DE 10 2011 087 912 A1 mentioned at the beginning.
  • it is customary to close the cathode side with the aid of valves when the vehicle is stationary. This is to prevent oxygen from the environment from diffusing from the cathode to the anode via the membrane.
  • this process can take hours to days. As soon as there is air on the anode of the
  • valves are used with the aim of keeping the number of air / air starts as low as possible over their service life. This is preferably achieved if one valve is located at the cathode inlet and another is located at the cathode outlet of the fuel cell.
  • one valve is located at the cathode inlet and another is located at the cathode outlet of the fuel cell.
  • valves which are also called cathode valves.
  • Passive valves are operated via a pressure difference.
  • the pressure difference required for this causes an additional pressure drop on the cathode side and must be overcome by the air module of the fuel cell. With so-called freezing starts, there is a risk that the pressure difference to be generated by the air module will not be sufficient for a
  • Valves that are opened or closed electrically usually have a position that is set when the power is off. To prevent air / air starts, the valves should preferably be closed when de-energized. in the In the rare case that an air / air start is desired, the valves must then be actively kept open with electricity.
  • the control unit that controls the valve requires a so-called H-bridge.
  • H-bridge it is possible to reverse the direction of rotation of the electric motor by reversing the polarity of the current flow.
  • An H-bridge increases the costs in the control unit.
  • stressed valve can be held de-energized both in the open and in the closed position.
  • Figure 1 is a schematic representation of a valve with a
  • Valve closing body which is used to close or release a
  • Valve drive is connected, in longitudinal section
  • FIG. 2 shows the valve from FIG. 1 in a side view
  • Valve drive shaft of the electromotive valve drive in four different positions.
  • a valve 1 is shown in different views. With the valve 1, a medium passage 2 can be completely or partially closed or released.
  • the medium passage 1 is delimited by a pipe section 3 which has the shape of a straight circular cylinder jacket 4.
  • the valve 1 comprises a valve closing body 5, which is designed as a valve disk 6.
  • the valve disk 6 is equipped with a seal 7 on its outer circumference.
  • the seal 7 is designed, for example, as an O-ring which is inserted into an annular groove on the outer circumference of the valve disk 6.
  • a raised area 9 is formed on the valve disk 6 of the valve closing body 5.
  • the raised area 9 of the valve closing body 5 has the shape of a truncated cone.
  • a valve drive shaft 8 is fastened to the raised area 9 of the valve closing body 5.
  • the valve drive shaft 8 belongs to a valve drive 10, the one
  • valve drive 10 is also called
  • Electromotive valve drive 10 referred to.
  • the valve closing body 5 is attached to a first end 11 of the valve drive shaft 8. At a second end 12 of the valve drive shaft 8 is a
  • Actuating body 21 attached. About the actuator 21 can be any one of the actuator 21.
  • Valve drive shaft 8 can be rotated about an axis of rotation 13 in order to actuate valve 1.
  • the axis of rotation 13 of the valve drive shaft 8 is arranged at an acute angle 17 of preferably forty-five degrees to a valve body plane 15 of the valve disk 6 of the valve closing body 5.
  • the axis of rotation 13 of the valve drive shaft 8 is arranged at an acute angle 16 of preferably also forty-five degrees to a longitudinal axis 14 of the medium passage 2.
  • the electric motor 18 of the valve drive 10 is via a motor shaft 19
  • the worm spindle 20 cooperates with the actuating body 21, which is designed as a worm wheel 22.
  • the electric motor 18 To operate the valve 1, the electric motor 18
  • valve disk 6 is set in an oscillating movement with the aid of the valve drive shaft 8.
  • FIGS. 3 to 6 it is illustrated that advantageously no change in the direction of rotation of the electric motor 18 is necessary to open and close the valve 1.
  • Figure 3 it is shown that the valve closing body 5 in
  • valve closing body 5 partially releases the medium passage 2 at a rotation angle of ninety degrees.
  • valve closing body 5 completely releases the medium passage 2 at a twist angle of one hundred and eighty degrees, apart from the fact that the valve closing body 5 with the associated end of the
  • Valve drive shaft 8 is still arranged in the medium passage 2.
  • valve closing body 5 partially closes the medium passage 2 at a twist angle of two hundred and seventy degrees.
  • a sensor device 24, which is assigned to the worm wheel 22, is used, for example.
  • a sensor device 25 can be assigned to the valve closing body 5.
  • the valve drive shaft 8 can be a
  • Sensor device 26 be assigned. Alternatively or additionally, a sensor device 27 can be assigned to the electric motor 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (1) mit einem Ventilschließkörper (5), der zum Verschließen oder Freigeben eines Mediumdurchlasses (2) betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb (10) verbunden ist, der eine Ventilantriebswelle (8) umfasst, die zur Betätigung des Ventils (1) um eine Drehachse (13) drehbar ist. Um das Betätigen eines Ventils (1) zu vereinfachen, ist der Verschließkörper (5) so in dem Mediumdurchlass (2) angeordnet und mit der Ventilantriebswelle (8) verbunden, dass der Ventilschließkörper (5) in dem Mediumdurchlass (2) um die Drehachse (13) der Ventilantriebswelle (8) drehbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Ventil
Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilschließkörper, der zum
Verschließen oder Freigeben eines Mediumdurchlasses betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb verbunden ist, der eine
Ventilantriebswelle umfasst, die zur Betätigung des Ventils um eine Drehachse drehbar ist.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2017 218 200 Al ist ein elektrohydraulisches System mit einer Verstellvorrichtung für ein Ventil bekannt, mit einer Antriebseinrichtung, mit einer Stelleinrichtung und mit einer
Vorspanneinrichtung, wobei die in der Vorspanneinrichtung gespeicherte Energie im Störfall auf die Stelleinrichtung übertragbar ist, so dass eine rotative
Bewegung der Stelleinrichtung einsetzt, die zur Verstellung des Ventils führt, wobei die Stellachse der Stelleinrichtung und die Stellachse des Ventils koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Stelleinrichtung mindestens eine mechanische Gewindespindel und mindestens eine Spindelmutter umfasst, wobei die Stelleinrichtung mindestens einen rotierbaren Hydromotor umfasst.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2017 204 253 Al ist ein Ventil mit einer in einem Ventilgehäuse angeordneten Ventillagerung und einem
Ventilkörper mit einem Führungselement bekannt, wobei das Führungselement in einer Öffnung der Ventillagerung angeordnet ist, wobei der Ventilkörper der Ausströmseite des Ventils zugewandt ist und das Ventil verschließt oder freigibt und die Ventillagerung der Einströmseite des Ventils zugewandt ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 087 912 Al ist ein
Brennstoffzellensystem bekannt, umfassend: Eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist; einen Kathodenpfad mit einer Kathodengasführung zum Zuführen von Kathodengas zu der Kathode und einer
Kathodenabgasführung zum Ableiten von Kathodenabgas von der Kathode; einen Anodenpfad mit einer Anodengasführung zum Zuführen von Anodengas zu der Anode und einer Anodenabgasführung zum Ableiten von Anodenabgas von der Anode, wobei in der Kathodengasführung wenigstens eine erste
Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren von Kathodengas vorgesehen ist; und wobei die wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung von dem
Kathodengas durch eine Bypassführung selektiv überbrückbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, das Betätigen eines Ventils mit einem
Ventilschließkörper, der zum Verschließen oder Freigeben eines
Mediumdurchlasses betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen
Ventilantrieb verbunden ist, der eine Ventilantriebswelle umfasst, die zur Betätigung des Ventils um eine Drehachse drehbar ist, zu vereinfachen.
Die Aufgabe ist bei einem Ventil mit einem Ventilschließkörper, der zum
Verschließen oder Freigeben eines Mediumdurchlasses betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb verbunden ist, der eine
Ventilantriebswelle umfasst, die zur Betätigung des Ventils um eine Drehachse drehbar ist, dadurch gelöst, dass der Verschließkörper so in dem
Mediumdurchlass angeordnet und mit der Ventilantriebswelle verbunden ist, dass der Ventilschließkörper in dem Mediumdurchlass um die Drehachse der
Ventilantriebswelle drehbar ist. Durch den Ventilschließkörper kann der
Mediumdurchlass ganz oder teilweise verschlossen beziehungsweise
freigegeben werden. In einer Schließstellung verschließt der Ventilschließkörper den Mediumdurchlass vollständig. In einer Öffnungsstellung gibt der
Ventilschließkörper den Mediumdurchlass frei. Der Verschließkörper ist in ein und derselben Drehrichtung sowohl von der Schließstellung in die
Öffnungsstellung als auch von der Öffnungsstellung in die Schließstellung drehbar. Der Mediumdurchlass ist vorzugsweise auf einer Kathodenseite in einem Brennstoffzellensystem angeordnet, wie es zum Beispiel in der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 087 912 Al offenbart ist. Dann wird das Ventil auch als Kathodenventil bezeichnet. Das beanspruchte Ventil ist einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar. Zur Ansteuerung des elektromotorischen Ventilantriebs wird beim Betätigen des Ventils besonders vorteilhaft keine H-Brücke benötigt. Bei einer H-Brücke, die auch als Vollbrücke bezeichnet wird, handelt es sich um eine elektronische Brückenschaltung, bei der in einer Grundform fünf Zweipole in Form des Großbuchstabens H
zusammengeschaltet sind.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen des Ventils ohne eine Drehrichtungsumkehr des Ventilantriebs möglich ist. Dadurch können die Herstellkosten deutlich reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper als Ventilteller ausgeführt ist. Der Ventilteller hat vorzugsweise im Wesentlichen die Gestalt einer Kreisscheibe, mit welcher der vorzugsweise im Wesentlichen ebenfalls kreisförmige
Mediumdurchlass, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer
entsprechenden Dichtung, auf einfache Art und Weise vollständig verschlossen werden. Die Dichtung kann am Ventilteller oder im Mediumdurchlass angebracht sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Mediumdurchlass die Gestalt eines geraden
Kreiszylindermantels aufweist. Das liefert den Vorteil, dass der vorzugsweise als Ventilteller ausgeführte Ventilschließkörper ungehindert in dem Mediumdurchlass um die Drehachse der Ventilantriebswelle verdreht werden kann, insbesondere um mehr als dreihundertsechzig Grad. Das wiederum liefert den Vorteil, dass der Mediumdurchlass durch Verdrehen der Ventilantriebswelle in nur einer Richtung um ihre Drehachse wiederholt geöffnet und verschlossen werden kann. Eine Drehrichtungsumkehr ist beim Verdrehen der Ventilantriebswelle zum Öffnen und Schließen des Ventils besonders vorteilhaft nicht notwendig. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse der Ventilantriebswelle in einem spitzen Winkel zu einer Längsachse des Mediumdurchlasses angeordnet ist. Die Längsachse des Mediumdurchlasses wird auch als Zylinderachse bezeichnet, wenn der Mediumdurchlass, wie vorab beschrieben ist, die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist. Die Drehachse der Ventilantriebswelle ist besonders vorteilhaft in einem Winkel von fünfundvierzig Grad zur Längsachse des Mediumdurchlasses angeordnet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch
gekennzeichnet, dass eine Ventilkörperebene in einem spitzen Winkel zur Drehachse der Ventilantriebswelle angeordnet ist. Als Ventilkörperebene wird vorzugsweise die Ebene bezeichnet, in welcher sich der Ventilkörper, der insbesondere als Ventilteller ausgeführt ist, flächig ausbreitet. Der Winkel zwischen der Ventilkörperebene und der Drehachse der Ventilantriebswelle ist vorteilhaft genauso groß wie der Winkel zwischen der Drehachse der
Ventilantriebswelle und der Längsachse des Mediumdurchlasses.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch
gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper an einem ersten Ende der Ventilantriebswelle angebracht ist. Das erste Ende der Ventilantriebswelle ragt vorzugsweise in den Mediumdurchlass hinein. Das erste Ende der
Ventilantriebswelle ist vorzugsweise fest mit dem Ventilschließkörper verbunden. Je nach Ausführung kann der Ventilschließkörper auch einstückig mit dem ersten Ende der Ventilantriebswelle verbunden sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch
gekennzeichnet, dass ein Betätigungskörper an einem zweiten Ende der Ventilantriebswelle angebracht ist. Der Betätigungskörper ist vorzugsweise fest mit dem zweiten Ende der Ventilantriebswelle verbunden. Das zweite Ende der Ventilantriebswelle ist vorzugsweise mittig an den Betätigungskörper
angebunden. Über den Betätigungskörper kann auf einfache Art und Weise eine Betätigungskraft, insbesondere eine Drehbewegung, zur Betätigung des Ventils auf die Ventilantriebswelle übertragen werden. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungskörper als Schneckenrad ausgeführt ist, das mit einer Schneckenspindel zusammenwirkt. Über die Schneckenspindel kann, vorzugsweise mit Hilfe eines Elektromotors, auf einfache Art und Weise eine Betätigungsbewegung zum Betätigen des Ventils dargestellt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Betätigungskörper eine Sensoreinrichtung zugeordnet ist, die einen Betätigungswinkel oder Betätigungsweg des
Betätigungskörpers erfasst. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist dem Ventilschließkörper eine Sensoreinrichtung zugeordnet, die einen Schließwinkel oder Schließweg des Ventilschließkörpers erfasst. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Ventilantriebswelle eine Sensoreinrichtung zugeordnet, die einen Betätigungswinkel oder Betätigungsweg der
Ventilantriebswelle erfasst. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist einem Elektromotor des elektromotorischen Ventilantriebs eine
Sensoreinrichtung zugeordnet, die einen Betätigungswinkel oder Betätigungsweg des Elektromotors, insbesondere einer Motorwelle des Elektromotors, erfasst.
Die Sensoreinrichtung kann nach gängigen Messprinzipien arbeiten. Zur Bestimmung des Weges, insbesondere der Winkellage, kann zum Beispiel ein Potenziometer verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der
Betätigungsweg, insbesondere die Winkellage, induktiv oder optisch erfasst werden.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Betätigen eines vorab beschriebenen Ventils.
Neben der vorab beschriebenen Funktion als Kathodenventil, insbesondere als Kathoden-Blockierventil, kann das vorgeschlagene Ventil auch zur
Druckregelung und/oder als Bypassventil verwendet werden.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Brennstoffzellensystem mit einem vorab beschriebenen Ventil. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich zum Beispiel um ein Brennstoffzellensystem wie es in der eingangs genannten deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 087 912 Al offenbart ist. Bei Brennstoffzellen ist es üblich, im Stillstand die Kathodenseite mit Hilfe von Ventilen zu verschließen. Hierdurch soll verhindert werden, dass Sauerstoff aus der Umgebung über die Membran von der Kathode auf die Anode diffundiert. Je nachdem, ob und wenn ja, wie viele Ventile zum Einsatz kommen, kann dieser Prozess Stunden bis Tage dauern. Sobald sich Luft auf der Anode der
Brennstoffzelle befindet, spricht man beim Wiederstart von einen Luft/Luft Start. Hierbei entstehen sehr hohe elektrische Potenzialunterschiede in der
Brennstoffzelle. Diese führen zu einer großen Alterung an den Brennstoffzellen- Katalysatoren. Daher werden die Ventile mit dem Ziel verwendet, die Anzahl der Luft/Luft Starts über die Lebensdauer möglichst gering zu halten. Dieses gelingt vorzugsweise, wenn sich ein Ventil am Kathodeneingang und ein weiteres am Kathodenausgang der Brennstoffzelle befindet. Allerdings gibt es auch
Spezialfälle, die nur sehr selten Vorkommen, bei denen ein Luft/Luft Start gewünscht ist. In diesen Fällen werden die hohen Potenzialunterschiede dafür genutzt, um Vergiftungen durch zum Beispiel Kohlenstoffmonoxid der in der Brennstoffzelle befindlichen Katalysatoren rückgängig zu machen. Der Stand der Technik dokumentiert eine Fülle unterschiedlicher Ventile um diese Aufgabe zu lösen.
Für den Antrieb solcher Ventile, die auch Kathodenventile genannt werden, können drei unterschiedliche Prinzipien verwendet werden.
Passive Ventile werden über einen Druckunterschied betätigt. Der hierfür notwendige Druckunterschied bewirkt einen zusätzlichen Druckabfall auf der Kathodenseite und muss vom Luftmodul der Brennstoffzelle überwunden werden. Bei sogenannten Gefrierstarts besteht die Gefahr, dass der durch das Luftmodul zu erzeugende Druckunterschied nicht ausreicht, um ein
festgefrorenes Ventil zu öffnen. Wenn ausnahmsweise ein Luft/Luft Start gewünscht ist, gibt es keine Möglichkeit, die Ventile direkt anzusteuern.
Ventile, die elektrisch geöffnet oder geschlossen werden, haben in der Regel eine Position, die sich im stromlosen Zustand einstellt. Um Luft/Luft Starts zu verhindern, sollten die Ventile vorzugsweise stromlos geschlossen sein. Im seltenen Fall, dass ein Luft/Luft Start gewünscht ist, müssen die Ventile dann aktiv mit Strom offengehalten werden.
Bei Ventilen mit einem Spindel- beziehungsweise Schneckenantrieb, der von einem Gleichstrom- Elektromotor angetrieben wird, muss zum Öffnen und Schließen die Drehrichtung des Motors geändert werden. Um eine
Drehrichtungsänderung zu ermöglichen, benötigt das Steuergerät, welches das Ventil ansteuert, eine sogenannte H-Brücke. Mit Hilfe dieser H-Brücke ist es möglich, die Drehrichtung des Elektromotors durch Umpolen des Stromflusses umzukehren. Eine H-Brücke erhöht die Kosten im Steuergerät. Das
beanspruchte Ventil kann stromlos sowohl in der offenen als auch in der geschlossenen Position gehalten werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ventils mit einem
Ventilschließkörper, der zum Verschließen oder Freigeben eines
Mediumdurchlasses betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen
Ventilantrieb verbunden ist, im Längsschnitt;
Figur 2 das Ventil aus Figur 1 in einer Seitenansicht; und die
Figuren 3 bis 6 Darstellungen des Ventilschließkörpers mit einer
Ventilantriebswelle des elektromotorischen Ventilantriebs in vier verschiedenen Stellungen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In den Figuren 1 und 2 ist ein Ventil 1 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Mit dem Ventil 1 kann ein Mediumdurchlass 2 ganz oder teilweise verschlossen oder freigegeben werden. Der Mediumdurchlass 1 wird von einem Rohrstück 3 begrenzt, das die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels 4 aufweist.
Das Ventil 1 umfasst einen Ventilschließkörper 5, der als Ventilteller 6 ausgebildet ist. Zur besseren Abdichtung ist der Ventilteller 6 an seinem äußeren Umfang mit einer Dichtung 7 ausgestattet. Die Dichtung 7 ist zum Beispiel als O- Ring ausgeführt, der in eine Ringnut am äußeren Umfang des Ventiltellers 6 eingelegt ist.
An dem Ventilteller 6 des Ventilschließkörpers 5 ist ein erhabener Bereich 9 ausgebildet. Der erhabene Bereich 9 des Ventilschließkörpers 5 hat die Gestalt eines Kegelstumpfs. An dem erhabenen Bereich 9 des Ventilschließkörpers 5 ist eine Ventilantriebswelle 8 befestigt.
Die Ventilantriebswelle 8 gehört zu einem Ventilantrieb 10, der einen
Elektromotor 18 umfasst. Daher wird der Ventilantrieb 10 auch als
elektromotorischer Ventilantrieb 10 bezeichnet.
Der Ventilschließkörper 5 ist an einem ersten Ende 11 der Ventilantriebswelle 8 befestigt. An einem zweiten Ende 12 der Ventilantriebswelle 8 ist ein
Betätigungskörper 21 befestigt. Über den Betätigungskörper 21 kann die
Ventilantriebswelle 8 um eine Drehachse 13 verdreht werden, um das Ventil 1 zu betätigen.
Die Drehachse 13 der Ventilantriebswelle 8 ist in einem spitzen Winkel 17 von vorzugsweise fünfundvierzig Grad zu einer Ventilkörperebene 15 des Ventiltellers 6 des Ventilschließkörpers 5 angeordnet. Darüber hinaus ist die Drehachse 13 der Ventilantriebswelle 8 in einem spitzen Winkel 16 von vorzugsweise ebenfalls fünfundvierzig Grad zu einer Längsachse 14 des Mediumdurchlasses 2 angeordnet.
Der Elektromotor 18 des Ventilantriebs 10 ist über eine Motorwelle 19
antriebsmäßig mit einer Schneckenspindel 20 verbunden. Die Schneckenspindel 20 wirkt mit dem Betätigungskörper 21 zusammen, der als Schneckenrad 22 ausgeführt ist. Zur Betätigung des Ventils 1 wird der Elektromotor 18
angesteuert. Über die Schneckenspindel 20 und das Schneckenrad 22 wird der Ventilteller 6 mit Hilfe der Ventilantriebswelle 8 in eine oszillierende Bewegung versetzt.
In den Figuren 3 bis 6 ist veranschaulicht, dass zum Öffnen und Schließen des Ventils 1 vorteilhaft keine Drehrichtungsänderung des Elektromotors 18 notwendig ist. In Figur 3 ist gezeigt, dass der Ventilschließkörper 5 im
Mediumdurchlass 2 bei einem Verdrehwinkel der Ventilantriebswelle 8 von null Grad und dreihundertsechzig Grad vollständig verschließt.
In Figur 4 sieht man, dass der Ventilschließkörper 5 den Mediumdurchlass 2 bei einem Verdrehwinkel von neunzig Grad teilweise freigibt.
In Figur 5 sieht man, dass der Ventilschließkörper 5 den Mediumdurchlass 2 bei einem Verdrehwinkel von einhundertachtzig Grad vollständig freigibt, abgesehen davon, dass der Ventilschließkörper 5 mit dem zugehörigen Ende der
Ventilantriebswelle 8 noch in dem Mediumdurchlass 2 angeordnet ist.
In Figur 6 sieht man, dass der Ventilschließkörper 5 den Mediumdurchlass 2 bei einem Verdrehwinkel von zweihundertsiebzig Grad teilweise verschließt.
Zur Bestimmung der Winkellage der Ventilantriebswelle 8 beziehungsweise des Ventiltellers 6, der an der Ventilantriebswelle 8 befestigt ist, dient zum Beispiel eine Sensoreinrichtung 24, die dem Schneckenrad 22 zugeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann dem Ventilschließkörper 5 eine Sensoreinrichtung 25 zugeordnet sein. Darüber hinaus kann der Ventilantriebswelle 8 eine
Sensoreinrichtung 26 zugeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann dem Elektromotor 18 eine Sensoreinrichtung 27 zugeordnet sein. Die
Sensoreinrichtungen 24 bis 27 sind in Figur 2 nur durch Rechtecke angedeutet.

Claims

Ansprüche
1. Ventil (1) mit einem Ventilschließkörper (5), der zum Verschließen oder
Freigeben eines Mediumdurchlasses (2) betätigungsmäßig mit einem elektromotorischen Ventilantrieb (10) verbunden ist, der eine
Ventilantriebswelle (8) umfasst, die zur Betätigung des Ventils (1) um eine Drehachse (13) drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verschließkörper (5) so in dem Mediumdurchlass (2) angeordnet und mit der Ventilantriebswelle (8) verbunden ist, dass der Ventilschließkörper (5) in dem Mediumdurchlass (2) um die Drehachse (13) der Ventilantriebswelle (8) drehbar ist.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und
Schließen des Ventils (1) ohne eine Drehrichtungsumkehr des Ventilantriebs (10) möglich ist.
3. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (5) als Ventilteller (6) ausgeführt ist.
4. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumdurchlass (2) die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels (4) aufweist.
5. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (13) der Ventilantriebswelle (8) in einem spitzen Winkel (16) zu einer Längsachse (14) des Mediumdurchlasses (2) angeordnet ist.
6. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilkörperebene (15) in einem spitzen Winkel (17) zur Drehachse (13) der Ventilantriebswelle (8) angeordnet ist.
7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper (5) an einem ersten Ende (11) der
Ventilantriebswelle (8) angebracht ist.
8. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betätigungskörper (21) an einem zweiten Ende (12) der
Ventilantriebswelle (8) angebracht ist.
9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der
Betätigungskörper (21) als Schneckenrad (22) ausgeführt ist, das mit einer Schneckenspindel (20) zusammenwirkt.
10. Ventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem
Betätigungskörper (21) eine Sensoreinrichtung (24) zugeordnet ist, die einen
Betätigungswinkel oder Betätigungsweg des Betätigungskörpers (21) erfasst.
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