WO2023208535A1 - Ventilvorrichtung mit einem rotationsantrieb, sowie fluidsystem - Google Patents

Ventilvorrichtung mit einem rotationsantrieb, sowie fluidsystem Download PDF

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WO2023208535A1
WO2023208535A1 PCT/EP2023/058779 EP2023058779W WO2023208535A1 WO 2023208535 A1 WO2023208535 A1 WO 2023208535A1 EP 2023058779 W EP2023058779 W EP 2023058779W WO 2023208535 A1 WO2023208535 A1 WO 2023208535A1
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fluid
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Holger Rapp
Dietmar Schmieder
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Valve devices are known from the prior art, which can be switched between an opening state and a closing state by means of an electromagnet and a magnet armature. Such valve devices are often used, for example, to seal a tank. Such valve devices are essentially designed for small valve strokes in which only a small movement is required to establish the opening state. Furthermore, such valve devices are often limited to changes between the closed state and a defined opening state.
  • valve lifts are often advantageous, especially when using valve devices with hydrogen tanks. Furthermore, it is desirable to enable pressure control through the valve device.
  • the invention relates to a valve device for a fluid system and a fluid system.
  • a valve device for a fluid system has a valve unit which can be brought into an opening state for releasing a valve opening for a fluid flow in the fluid system and a closing state for closing the valve opening. Furthermore, the valve device a drive unit with a rotation drive for generating a rotational movement. Furthermore, the valve device comprises a transformation unit for transferring the valve unit from the closed state to the open state by a translational movement depending on the rotational movement.
  • a valve device is provided, through which control of a valve lift is improved.
  • the fluid of the fluid flow can be a gas or a liquid. It is preferably provided that the fluid comprises hydrogen or consists of hydrogen.
  • valve unit is arranged between a valve inlet for the fluid to flow in and a valve outlet for the fluid to flow out.
  • the valve opening is in particular part of the valve unit.
  • the valve opening can have a cross section through which the fluid, in particular the fluid flow, can flow when the valve unit is open.
  • the valve opening can z. B. be closed by a valve body of the valve unit.
  • the valve body can be pressed onto a valve seat, for example by the drive unit and/or a valve-side closure element.
  • the valve opening is completely closed in the closed state. However, it is conceivable that a leakage flow can continue to flow through the valve opening in the closed state.
  • the rotation drive for generating the rotational movement can advantageously be an electric motor, such as. B. include a stepper motor.
  • the valve device can have an electrical line for connecting the rotary drive to a power supply.
  • the valve unit can in particular also be brought from the open state to the closed state.
  • the rotary drive further comprises a transmission gear for adapting a drive speed.
  • the translational movement can be understood to mean, in particular, a movement in the axial direction.
  • the transformation unit can in particular convert the rotational movement into the translational movement. In particular, the transformation unit converts a torque into a translational force. The valve unit can thus be transferred from the closed state to the open state and/or vice versa by the rotational movement of the rotary drive.
  • the translational movement can therefore carry out a valve lift of the valve unit, which can be controlled by the rotational movement of the rotary drive.
  • the valve unit can be designed for a valve lift greater than or equal to 0.6 mm, preferably greater than or equal to 0.8 mm, particularly preferably greater than or equal to 1 mm.
  • the rotary drive can ensure that the respective state of the valve unit is automatically secured if the drive unit is e.g. B. is designed to be self-locking or self-braking.
  • the valve device can therefore preferably be designed to implement pressure control.
  • the transformation unit enables, for example, an adjustment of a valve body in the axial direction, whereby the valve unit can be easily brought from the closed state to the open state and/or vice versa.
  • the drive unit can be controlled by a control unit in order to move the valve unit depending on the rotational movement, preferably from the opening state, into at least one intermediate state in which a flow cross section of the valve opening is reduced compared to the opening state bring, wherein the valve device preferably has a sensor for sending at least one flow parameter to the control unit.
  • the valve opening In the intermediate state, the valve opening can be partially closed in order to reduce the flow cross section.
  • the sensor can preferably be a pressure sensor for detecting a pressure of the fluid in the valve device.
  • the control unit can be installed in the valve device be integrated. However, it is also conceivable that the control unit is part of an external control device.
  • control unit can comprise a processor and/or a microprocessor.
  • the intermediate state can therefore be used to regulate pressure through the valve device in the fluid system.
  • the intermediate state can be precisely controlled by the rotation drive, for example by adjusting a rotation angle of the rotation drive.
  • the rotary drive can z. B. include a stepper motor.
  • the pressure control takes place by adjusting a timing, an electrical voltage and/or an angular position of a drive shaft of the rotary drive.
  • valve unit has a closure element which is biased into the closed state by a valve-side biasing unit, so that the valve opening is closed in the closed state, and which is movable against the fluid flow in order to transfer the valve unit into the open state
  • transformation unit has a thrust element for moving the closure element when transferring the valve unit into the opening state.
  • the push element can comprise a projection and/or a plunger in order to press against the closure element when the valve unit is transferred into the open state.
  • a pretensioning force of the valve-side pretensioning unit can be overcome by the thrust element.
  • the valve-side biasing unit can comprise a spring, in particular in the form of a compression spring.
  • valve-side biasing unit for example, it is not necessary for the thrust element and the closure element to be connected to one another. It can thus be provided that the thrust element only actively moves the closure element when the valve unit is transferred to the open state. During the reverse movement, in which the valve unit is transferred from the open state to the closed state, it can be provided that the closure element is moved by the biasing unit, provided that it is not braked and/or stopped by the thrust element. By biasing the closure element against the fluid flow, the closure element can also be designed to be self-locking.
  • the transformation unit comprises a rotary element for executing the rotational movement, which is connected to the rotary drive, and a translation element for executing a translational movement, which is connected to the valve unit, in particular wherein the rotary element and the translation element are connected to one another by a thread, whereby the valve unit is moved during the rotational movement, in particular between the closed state and the open state.
  • the valve unit is moved by the thread when the rotary element rotates in the axial direction, preferably between the closed state and the open state.
  • the translation element can be connected to the thrust element, preferably formed integrally and/or using the same material.
  • the thread can be formed, for example, by a helical groove and/or two interlocking helical grooves.
  • the rotary element can, for example, be connected in a rotationally fixed manner to a drive shaft of the rotary drive in order to carry out the rotary movement. An advantageous translation of the rotational movement into the translational movement can thus be provided.
  • the transformation unit has at least one linear guide for guiding the translation element, in particular wherein the translation element, preferably per linear guide, has a guide opening in which a stationary guide pin is guided.
  • the translation element can be guided axially movably and/or linearly on the guide pin.
  • the translation element has a guide pin which is guided in a stationary guide opening.
  • the linear guide can be used to prevent rotation of the translation element.
  • the linear guide can ensure that the translation element only moves axially, i.e. in particular not rotationally, during a rotational movement of the rotary drive.
  • a single linear guide or several linear guides distributed over the circumference can be provided.
  • the transformation unit is in operative connection with a drive-side biasing unit for biasing the valve unit against the opening state.
  • the drive-side biasing unit can be designed to at least allow a movement of the valve unit against the opening state and/or into the closed state when the rotary drive is de-energized.
  • the rotary element By biasing the valve unit against the opening state, the rotary element can be biased against an opening direction of the rotational movement.
  • the thrust element can be pulled in the opposite direction to the closure element, whereby the closure element and the valve-side biasing unit can be released.
  • the closure element can close the valve opening and the closure state can be established.
  • the valve device can thus be secured against unintentional opening, particularly if the rotary drive is de-energized or fails.
  • the drive-side pretensioning unit can preferably also be referred to as a reset unit.
  • the drive-side biasing unit comprises at least one or more torsion springs, in particular wherein the drive-side biasing unit is coupled and/or connected to a drive shaft of the rotary drive.
  • the drive-side biasing unit can be coupled to the drive shaft in a simple manner in order to achieve the bias against the opening state.
  • the torsion springs can be connected mechanically in series or parallel to one another. As a result, a restoring force that is essentially independent of the angle of rotation and/or can be achieved. A higher restoring force can also result in a larger valve lift during a restoring movement of the valve unit.
  • higher gear ratios can be achieved in the transformation unit and/or the transmission gear of the drive unit.
  • the drive unit has a drive housing in which the rotary drive is arranged, the drive housing being protected by a sealing unit for closing a gap between the drive housing and the transformation unit is sealed against the fluid flow and/or the fluid of the fluid flow.
  • the transformation unit can be arranged at least partially in the drive housing.
  • the rotary drive can be protected against ingress of fluid by the drive housing.
  • the sealing unit can have at least one sealing element, e.g. B. in the form of a sealing ring.
  • the sealing element can be arranged in the gap.
  • the thrust element and/or the translation element can extend through the gap from a housing interior to a housing exterior of the drive housing. The translational movement can be made possible by the gap.
  • the sealing unit comprises at least two sealing elements, with a discharge line for discharging a fluid leak being arranged between the sealing elements.
  • the discharge line can, for example, lead to the outside of the valve. It can be provided that the fluid within the fluid system has an excess pressure compared to the outside of the valve. So if a leakage flow overcomes one of the sealing elements, the leakage flow is automatically directed to the outside via the discharge line. Penetration into the interior of the housing can also be prevented by the sealing element arranged downstream of the discharge line. As a result, the safety of the valve device can be further improved.
  • a fluid system includes a fluid tank for storing a fluid and a utilization device for utilizing the fluid. Furthermore, the fluid system comprises a valve device according to the invention, which is arranged between the fluid tank and the usage device.
  • a fluid system according to the invention thus brings with it the same advantages as have already been described in detail with reference to a valve device according to the invention.
  • the fluid system can be designed, for example, to be arranged in a vehicle.
  • the usage device can be a fuel cell system, in particular for driving the Vehicle, include.
  • the usage device can in particular also be referred to as a consumption device.
  • the fluid can be stored or stored in the fluid tank, in particular under high pressure.
  • the valve device can be used to influence, in particular regulate, a fluid flow of the fluid from the fluid tank to the usage device. It is conceivable that the fluid system has a control unit for controlling a drive unit of the valve device.
  • FIG. 1 shows a fluid system according to the invention with a valve device according to the invention in a first exemplary embodiment
  • Figure 2 shows a valve unit of the valve device in a closed state
  • FIG. 3 shows the valve unit in an opening state
  • Figure 4 shows a part of a valve device according to the invention in a further exemplary embodiment
  • Figure 5 shows part of a valve device according to the invention in a further exemplary embodiment.
  • Figure 1 shows a fluid system 1 according to the invention in a first exemplary embodiment.
  • the fluid system 1 includes a fluid tank 2 for storing a fluid and a usage device 3 for using the fluid.
  • the fluid can preferably be hydrogen.
  • the usage device 3 can include, for example, a fuel cell system.
  • a valve device 10 according to the invention is also arranged between the fluid tank 2 and the usage device 3 in order to influence a fluid flow 200 of the fluid from the fluid tank 2 to the usage device 3.
  • the valve device 10 comprises a valve unit 20, which can be brought into an opening state I for releasing a valve opening 21 for a fluid flow 200 in the fluid system 1 and a closing state III for closing the valve opening 21.
  • the opening state I is shown in Figure 3, the closing state III is shown in Figure 2.
  • the valve unit 20 has a closure element 22, which is biased into the closure state III by a valve-side biasing unit 23, so that the valve opening 21 is closed in the closure state III.
  • the closure element 22 can be moved against the fluid flow 200 in order to transfer the valve unit 20 into the opening state I.
  • the closure element 22 can also be referred to as a valve body.
  • the closure element 22 can contact a contact surface of a valve seat 24 in order to close the valve opening 21.
  • the valve device 10 further comprises a drive unit 30 with a rotary drive 31 for generating a rotational movement 210.
  • the rotary drive 31 can have an electric motor, in particular in the form of a stepper motor or a servo motor, and / or a transmission gear 31.2 exhibit.
  • the valve device 10 has a transformation unit 40 for transferring the valve unit 20 from the closed state III to the open state I.
  • the transformation unit 40 includes a rotation element 42 for executing the rotational movement 210, which is connected to the rotation drive 31, and a translation element 43 for executing a translational movement 211, which is connected to the valve unit 20.
  • the rotary element 42 and the translation element 43 are connected to one another by a thread 44, in particular with a helical groove, whereby the valve unit 20 is moved between the closure state III and the opening state I during the rotational movement 210.
  • the translational movement 211 is initiated by the transformation unit 40 as a function of the rotational movement 210, that is, in particular, a conversion from the rotational movement 210 and/or a torque into the translational movement 211 and/or a force takes place.
  • the closure element 22 is moved by a thrust element 41 of the transformation unit 40 for moving the closure element 22 when the valve unit 20 is transferred to the opening state I.
  • the thrust element 41 can advantageously contact the closure element 22 in an unfastened manner and thus in particular only act against the closure element 22 in one direction.
  • the transformation unit 40 has a linear guide 45 for guiding the translation element 43.
  • the linear guide 45 includes a guide opening 45.1 in the translation element 43, in which a stationary guide pin 45.2 is guided.
  • the guide pin 45.2 can be attached to the drive unit 30, for example.
  • a single linear guide 45 or several linear guides 45 distributed over the circumference can be provided.
  • the drive unit 30 can be controlled in particular by a control unit 50 in order to bring the valve unit 20 into at least one intermediate state II, in which a flow cross section of the valve opening 21 is reduced compared to the opening state I, depending on the rotational movement 210.
  • a control unit 50 in order to bring the valve unit 20 into at least one intermediate state II, in which a flow cross section of the valve opening 21 is reduced compared to the opening state I, depending on the rotational movement 210.
  • several intermediate states II in particular continuously, can be provided.
  • the valve device 10 can include a sensor 51, in particular in the form of a pressure sensor, for sending at least one flow parameter to the control unit 50.
  • the transformation unit 40 is also operatively connected to a drive-side biasing unit 46.
  • the drive-side biasing unit 46 includes at least one torsion spring 46.1, which is connected to a drive shaft 31.1 of the rotary drive 31. It is conceivable that the drive-side biasing unit 46, as shown in Figure 4, comprises a plurality of torsion springs 46.1, which are mechanically connected in series to one another in order to achieve a spring force that is less dependent on the angle of rotation.
  • the drive unit 30 has a drive housing 32 in which the rotary drive 31 is arranged.
  • the drive housing 32 surrounds the rotary drive 31 and is sealed from the fluid flow 200 by a sealing unit 33 for closing a gap 34 between the drive housing 32 and the transformation unit 40.
  • the thrust element 41 and/or the translation element 43 extends along the gap 34 through an opening in the drive housing 32 in order to enable movement of the valve unit 20 relative to the drive housing 32.
  • the sealing unit 33 can have at least two sealing elements 35, e.g. B. in the form of sealing rings, and a discharge line 36 for discharging fluid leakage can be arranged between the sealing elements 35.
  • a leakage flow from the valve-side sealing element 35 can be discharged via the discharge line 36 without penetrating the rotary drive 31.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung (10) für ein Fluidsystem (1), aufweisend eine Ventileinheit (20), welche in einen Öffnungszustand (I) zur Freigabe einer Ventilöffnung (21) für eine Fluidströmung (200) in dem Fluidsystem (1) und einen Verschlusszustand (III) zum Verschließen der Ventilöffnung (21) bringbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Fluidsystem (1).

Description

Beschreibung
Titel
Ventilvorrichtung mit einem Rotationsantrieb, sowie Fluidsystem
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Ventilvorrichtungen bekannt, die mittels eines Elektromagneten und eines Magnetankers zwischen einem Öffnungszustand und einem Verschlusszustand umgeschaltet werden können. Derartige Ventilvorrichtungen werden häufig beispielsweise zum Abdichten eines Tanks eingesetzt. Derartige Ventilvorrichtungen sind im Wesentlichen für kleine Ventilhübe ausgelegt, bei denen nur eine geringe Bewegung zum Herstellen des Öffnungszustands erforderlich ist. Weiterhin sind derartige Ventilvorrichtungen häufig auf Wechsel zwischen dem Verschlusszustand und einem definierten Öffnungszustand begrenzt.
Gerade beim Einsatz von Ventilvorrichtungen mit Wasserstofftanks sind jedoch oft große Ventilhübe vorteilhaft. Weiterhin ist es wünschenswert, eine Druckregelung durch die Ventilvorrichtung zu ermöglichen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für ein Fluidsystem, sowie ein Fluidsystem.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Ventilvorrichtung für ein Fluidsystem vorgesehen. Die Ventilvorrichtung weist eine Ventileinheit auf, welche in einen Öffnungszustand zur Freigabe einer Ventilöffnung für eine Fluidströmung in dem Fluidsystem und einen Verschlusszustand zum Verschließen der Ventilöffnung bringbar ist. Ferner weist die Ventilvorrichtung eine Antriebseinheit mit einem Rotationsantrieb zum Erzeugen einer Rotationsbewegung auf. Weiterhin umfasst die Ventilvorrichtung eine Transformationseinheit zum Überführen der Ventileinheit vom Verschlusszustand in den Öffnungszustand durch eine Translationsbewegung in Abhängigkeit von der Rotationsbewegung.
Dadurch werden die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise behoben. Insbesondere wird eine Ventilvorrichtung bereitgestellt, durch welche eine Steuerung eines Ventilhubes verbessert wird.
Bei dem Fluid der Fluidströmung kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Fluid Wasserstoff umfasst oder aus Wasserstoff besteht.
Insbesondere ist die Ventileinheit zwischen einem Ventileingang zum Einströmen des Fluids und einem Ventilausgang zum Ausströmen des Fluids angeordnet. Die Ventilöffnung ist insbesondere Teil der Ventileinheit. Dabei kann die Ventilöffnung einen Querschnitt aufweisen, welcher im Öffnungszustand der Ventileinheit durch das Fluid, insbesondere die Fluidströmung, durchströmbar ist. Im Verschlusszustand kann die Ventilöffnung z. B. durch einen Ventilkörper der Ventileinheit verschlossen sein. Dazu kann der Ventilkörper beispielsweise durch die Antriebseinheit und/oder ein ventilseitiges Verschlusselement auf einen Ventilsitz gedrückt werden. Vorzugsweise ist die Ventilöffnung im Verschlusszustand vollständig verschlossen. Es ist jedoch denkbar, dass im Verschlusszustand weiterhin eine Leckageströmung durch die Ventilöffnung hindurchströmen kann.
Der Rotationsantrieb zum Erzeugen der Rotationsbewegung kann vorteilhafterweise einen Elektromotor, wie z. B. einen Schrittmotor, umfassen. Dabei kann die Ventilvorrichtung eine elektrische Leitung zum Anschluss des Rotationsantriebs an eine Stromversorgung aufweisen. Durch den Rotationsantrieb kann die Ventileinheit insbesondere auch vom Öffnungszustand in den Verschlusszustand bringbar sein. Vorzugsweise umfasst der Rotationsantrieb ferner ein Übersetzungsgetriebe zur Anpassung einer Antriebsdrehzahl. Unter der Translationsbewegung kann insbesondere eine Bewegung in axialer Richtung verstanden werden. Durch die Transformationseinheit kann insbesondere eine Umwandlung der Rotationsbewegung in die Translationsbewegung erfolgen. Insbesondere erfolgt durch die Transformationseinheit eine Umwandlung eines Drehmomentes in eine translatorisch wirkende Kraft. Somit kann die Ventileinheit durch die Rotationsbewegung des Rotationsantriebs vom Verschlusszustand in den Öffnungszustand und/oder umgekehrt überführt werden.
Durch die Translationsbewegung kann somit ein Ventilhub der Ventileinheit ausgeführt werden, der durch die Rotationsbewegung des Rotationsantriebs gesteuert werden kann. Beispielsweise kann die Ventileinheit für einen Ventilhub größer oder gleich 0,6 mm, vorzugsweise größer oder gleich 0,8 mm, besonders bevorzugt größer oder gleich 1 mm, ausgebildet sein. Gleichzeitig kann durch den Rotationsantrieb eine Eigensicherung des jeweiligen Zustandes der Ventileinheit erfolgen, wenn die Antriebseinheit z. B. selbsthemmend oder selbstbremsend ausgeführt ist. Somit kann die Ventilvorrichtung vorzugsweise zur Umsetzung einer Druckregelung ausgebildet sein. Weiterhin ermöglicht die Transformationseinheit beispielsweise ein Verstellen eines Ventilkörpers in axialer Richtung, wodurch die Ventileinheit in einfacher Art und Weise vom Verschlusszustand in den Öffnungszustand und/oder umgekehrt gebracht werden kann.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass die Antriebseinheit durch eine Steuereinheit ansteuerbar ist, um die Ventileinheit in Abhängigkeit von der Rotationsbewegung, vorzugsweise aus dem Öffnungszustand, in zumindest einen Zwischenzustand, in welchem ein Strömungsquerschnitt der Ventilöffnung gegenüber dem Öffnungszustand reduziert ist, zu bringen, wobei die Ventilvorrichtung vorzugsweise einen Sensor zum Senden zumindest eines Strömungsparameters an die Steuereinheit aufweist. In dem Zwischenzustand kann die Ventilöffnung teilweise verschlossen sein, um den Strömungsquerschnitt zu reduzieren. Bei dem Sensor kann es sich vorzugsweise um einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks des Fluides in der Ventilvorrichtung handeln. Die Steuereinheit kann in die Ventilvorrichtung integriert sein. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass die Steuereinheit Teil eines externen Steuergerätes ist. Insbesondere kann die Steuereinheit einen Prozessor und/oder einen Mikroprozessor umfassen. Somit kann durch den Zwischenzustand eine Druckregelung durch die Ventilvorrichtung im Fluidsystem erfolgen. Durch den Rotationsantrieb kann der Zwischenzustand, beispielsweise durch Einstellen eines Drehwinkels des Rotationsantriebs, präzise angesteuert werden. Zur Ansteuerung mehrerer Zwischenzustände kann der Rotationsantrieb z. B. einen Schrittmotor umfassen. Weiterhin ist es denkbar, dass die Druckregelung durch eine Verstellung einer Taktung, einer elektrischen Spannung und/oder einer Winkellage einer Antriebswelle des Rotationsantriebs erfolgt.
Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung denkbar, dass die Ventileinheit ein Verschlusselement aufweist, welches durch eine ventilseitige Vorspanneinheit in den Verschlusszustand vorgespannt ist, sodass die Ventilöffnung im Verschlusszustand verschlossen, und welches zum Überführen der Ventileinheit in den Öffnungszustand entgegen der Fluidströmung bewegbar ist, insbesondere wobei die Transformationseinheit ein Schubelement zum Bewegen des Verschlusselementes beim Überführen der Ventileinheit in den Öffnungszustand aufweist. Das Schubelement kann einen Vorsprung und/oder einen Stößel umfassen, um beim Überführen der Ventileinheit in den Öffnungszustand gegen das Verschlusselement zu drücken. Dabei kann eine Vorspannkraft der ventilseitigen Vorspanneinheit durch das Schubelement überwunden werden. Die ventilseitige Vorspanneinheit kann eine Feder, insbesondere in Form einer Druckfeder, umfassen. Durch die ventilseitige Vorspanneinheit ist es beispielsweise nicht notwendig, dass das Schubelement und das Verschlusselement miteinander verbunden sind. So kann vorgesehen sein, dass das Schubelement das Verschlusselement lediglich beim Überführen der Ventileinheit in den Öffnungszustand aktiv bewegt. Bei der umgekehrten Bewegung, bei welcher die Ventileinheit vom Öffnungszustand in den Verschlusszustand überführt wird, kann vorgesehen sein, dass das Verschlusselement durch die Vorspanneinheit bewegt wird, sofern es nicht durch das Schubelement gebremst und/oder aufgehalten wird. Durch die Vorspannung des Verschlusselementes entgegen der Fluidströmung kann das Verschlusselement ferner selbstsichernd ausgebildet sein. Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung denkbar, dass die Transformationseinheit ein Drehelement zum Ausführen der Rotationsbewegung, welches mit dem Rotationsantrieb verbunden ist, und ein Translationselement zum Ausführen einer Translationsbewegung, welches mit der Ventileinheit verbunden ist, umfasst, insbesondere wobei das Drehelement und das Translationselement durch ein Gewinde miteinander verbunden sind, wodurch die Ventileinheit bei der Rotationsbewegung, insbesondere zwischen dem Verschlusszustand und dem Öffnungszustand, bewegt wird. Insbesondere wird die Ventileinheit durch das Gewinde bei einer Rotation des Drehelementes in axialer Richtung, vorzugsweise zwischen dem Verschlusszustand und dem Öffnungszustand, bewegt. Das Translationselement kann mit dem Schubelement verbunden, vorzugsweise integral und/oder materialeinheitlich ausgebildet, sein. Das Gewinde kann beispielsweise durch eine Wendelnut und/oder zwei ineinandergreifende Wendeinuten gebildet sein. Das Drehelement kann beispielsweise mit einer Antriebswelle des Rotationsantriebs drehfest verbunden sein, um die Rotationsbewegung auszuführen. Somit kann eine vorteilhafte Übersetzung der Rotationsbewegung in die Translationsbewegung vorgesehen sein.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass die Transformationseinheit zumindest eine Linearführung zum Führen des Translationselementes aufweist, insbesondere wobei das Translationselement, vorzugsweise pro Linearführung, eine Führungsöffnung aufweist, in welcher ein ortsfester Führungsstift geführt ist. Dadurch kann das Translationselement an dem Führungsstift axial beweglich und/oder linear geführt sein. Es ist ebenso denkbar, dass das Translationselement einen Führungsstift aufweist, der in einer ortsfesten Führungsöffnung geführt wird. Durch die Linearführung kann eine Verdrehsicherung für das Translationselement gebildet sein. Insbesondere kann durch die Linearführung sichergestellt sein, dass sich das Translationselement bei einer Rotationsbewegung des Rotationsantriebs nur axial, also insbesondere nicht rotatorisch, bewegt. Insbesondere können dabei eine einzige Linearführung oder mehrere, über den Umfang verteilte Linearführungen vorgesehen sein. Weiterhin ist es bei einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung denkbar, dass die Transformationseinheit mit einer antriebsseitigen Vorspanneinheit zum Vorspannen der Ventileinheit gegen den Öffnungszustand in Wirkverbindung steht Insbesondere kann die antriebsseitige Vorspanneinheit dazu ausgebildet sein, eine Bewegung der Ventileinheit gegen den Öffnungszustand und/oder in den Verschlusszustand zumindest zuzulassen, wenn der Rotationsantrieb stromlos ist. Durch das Vorspannen der Ventileinheit gegen den Öffnungszustand kann das Drehelement entgegen einer Öffnungsrichtung der Rotationsbewegung vorgespannt sein. Dadurch kann das Schubelement entgegensetzt zum Verschlusselement gezogen werden, wodurch das Verschlusselement und die ventilseitige Vorspanneinheit freigegeben werden können. Dadurch kann das Verschlusselement die Ventilöffnung verschließen und der Verschlusszustand hergestellt werden. Somit kann die Ventilvorrichtung gegen eine unbeabsichtigte Öffnung gesichert sein, insbesondere wenn der Rotationsantrieb stromlos ist oder ausfällt. Die antriebsseitige Vorspanneinheit kann vorzugsweise auch als Rückstelleinheit bezeichnet werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin denkbar, dass die antriebsseitige Vorspanneinheit zumindest eine oder mehrere Drehfedern umfasst, insbesondere wobei die antriebsseitige Vorspanneinheit mit einer Antriebswelle des Rotationsantriebs gekoppelt und/oder verbunden ist. Durch den Einsatz zumindest einer Drehfeder kann die antriebsseitige Vorspanneinheit in einfacher Art und Weise mit der Antriebswelle gekoppelt sein, um die Vorspannung gegen den Öffnungszustand zu erreichen. Die Drehfedern können mechanisch in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sein. Dadurch kann eine im Wesentlichen vom Drehwinkel unabhängige und/oder höhere Rückstellkraft erzielt werden. Durch eine höhere Rückstellkraft kann ferner ein größerer Ventilhub bei einer Rückstellbewegung der Ventileinheit erfolgen. Ferner können dadurch höhere Getriebeübersetzungen bei der Transformationseinheit und/oder dem Übersetzungsgetriebe der Antriebseinheit realisiert werden.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Antriebseinheit ein Antriebsgehäuse aufweist, in welchem der Rotationsantrieb angeordnet ist, wobei das Antriebsgehäuse durch eine Abdichteinheit zum Verschließen eines Spaltes zwischen dem Antriebsgehäuse und der Transformationseinheit gegenüber der Fluidströmung und/oder dem Fluid der Fluidströmung abgedichtet ist. Die Transformationseinheit kann zumindest teilweise in dem Antriebsgehäuse angeordnet sein. Der Rotationsantrieb kann durch das Antriebsgehäuse gegen ein Eindringen des Fluides geschützt sein. Somit kann beispielsweise die Sicherheit der Ventilvorrichtung bei Verwendung eines entzündlichen Gases als Fluid verbessert sein. Die Abdichteinheit kann zumindest ein Abdichtelement, z. B. in Form eines Dichtrings, umfassen. Das Abdichtelement kann in dem Spalt angeordnet sein. Insbesondere kann sich das Schubelement und/oder das Translationselement durch den Spalt von einem Gehäuseinnenraum zu einer Gehäuseaußenseite des Antriebsgehäuses erstrecken. Dabei kann durch den Spalt die Translationsbewegung ermöglicht sein.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Abdichteinheit zumindest zwei Abdichtelemente umfasst, wobei zwischen den Abdichtelementen eine Abführleitung zum Abführen einer Fluidleckage angeordnet ist. Die Abführleitung kann beispielsweise zu einer Ventilaußenseite führen. Es kann vorgesehen sein, dass das Fluid innerhalb des Fluidsystems im Vergleich zur Ventilaußenseite einen Überdruck aufweist. Wenn also eine Leckageströmung eines der Dichtelemente überwindet, wird die Leckageströmung automatisch über die Abführleitung nach außen geleitet. Ein Eindringen in den Gehäuseinnenraum kann ferner durch das der Abführleitung nachgeordnete Abdichtelement ausgeschlossen sein. Dadurch kann die Sicherheit der Ventilvorrichtung weiter verbessert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Fluidsystem vorgesehen. Das Fluidsystem umfasst einen Fluidtank zur Speicherung eines Fluides und eine Nutzungsvorrichtung zur Nutzung des Fluides. Weiterhin umfasst das Fluidsystem eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung, die zwischen dem Fluidtank und der Nutzungsvorrichtung angeordnet ist.
Somit bringt ein erfindungsgemäßes Fluidsystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung beschrieben worden sind. Das Fluidsystem kann beispielsweise zur Anordnung in einem Fahrzeug ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Nutzungsvorrichtung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere zum Antrieb des Fahrzeuges, umfassen. Die Nutzungsvorrichtung kann insbesondere auch als Verbrauchsvorrichtung bezeichnet werden. In dem Fluidtank kann das Fluid, insbesondere unter Hochdruck, speicherbar oder gespeichert sein. Durch die Ventilvorrichtung kann eine Fluidströmung des Fluides vom Fluidtank zur Nutzungsvorrichtung beeinflussbar, insbesondere regelbar, sein. Es ist denkbar, dass das Fluidsystem eine Steuereinheit zum Ansteuern einer Antriebseinheit der Ventilvorrichtung aufweist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Fluidsystem mit einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine Ventileinheit der Ventilvorrichtung in einem Verschlusszustand,
Figur 3 die Ventileinheit in einem Öffnungszustand,
Figur 4 ein Teil einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
Figur 5 ein Teil einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung werden für die gleichen technischen Merkmale auch in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen die identischen Bezugszeichen verwendet. Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Fluidsystem 1 in einem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei umfasst das Fluidsystem 1 einen Fluidtank 2 zur Speicherung eines Fluides und eine Nutzungsvorrichtung 3 zur Nutzung des Fluides. Bei dem Fluid kann es sich vorzugsweise um Wasserstoff handeln. Die Nutzungsvorrichtung 3 kann beispielsweise ein Brennstoffzellensystem umfassen. Zwischen dem Fluidtank 2 und der Nutzungsvorrichtung 3 ist ferner eine erfindungsgemäße Ventilvorrichtung 10 angeordnet, um eine Fluidströmung 200 des Fluides vom Fluidtank 2 zur Nutzungsvorrichtung 3 zu beeinflussen.
Die Ventilvorrichtung 10 umfasst dabei eine Ventileinheit 20, welche in einen Öffnungszustand I zur Freigabe einer Ventilöffnung 21 für eine Fluidströmung 200 in dem Fluidsystem 1 und einen Verschlusszustand III zum Verschließen der Ventilöffnung 21 bringbar ist. Der Öffnungszustand I ist in Figur 3 dargestellt, der Verschlusszustand III ist in Figur 2 dargestellt. Dazu weist die Ventileinheit 20 ein Verschlusselement 22 auf, welches durch eine ventilseitige Vorspanneinheit 23 in den Verschlusszustand III vorgespannt ist, sodass die Ventilöffnung 21 im Verschlusszustand III verschlossen ist. Ferner ist das Verschlusselement 22 zum Überführen der Ventileinheit 20 in den Öffnungszustand I entgegen der Fluidströmung 200 bewegbar. Das Verschlusselement 22 kann auch als Ventilkörper bezeichnet werden. Im Verschlusszustand III kann das Verschlusselement 22 eine Auflagefläche eines Ventilsitzes 24 kontaktieren, um die Ventilöffnung 21 zu verschließen.
Zum Überführen der Ventileinheit 20 in den Öffnungszustand I umfasst die Ventilvorrichtung 10 ferner eine Antriebseinheit 30 mit einem Rotationsantrieb 31 zum Erzeugen einer Rotationsbewegung 210. Beispielsweise kann der Rotationsantrieb 31 einen Elektromotor, insbesondere in Form eines Schrittmotors oder eines Servomotors, und/oder ein Übersetzungsgetriebe 31.2 aufweisen.
Weiterhin weist die Ventilvorrichtung 10 zum Überführen der Ventileinheit 20 vom Verschlusszustand III in den Öffnungszustand I eine Transformationseinheit 40 auf. Die Transformationseinheit 40 umfasst ein Drehelement 42 zum Ausführen der Rotationsbewegung 210, welches mit dem Rotationsantrieb 31 verbunden ist, und ein Translationselement 43 zum Ausführen einer Translationsbewegung 211 , welches mit der Ventileinheit 20 verbunden ist Das Drehelement 42 und das Translationselement 43 sind durch ein Gewinde 44, insbesondere mit einer Wendelnut, miteinander verbunden, wodurch die Ventileinheit 20 bei der Rotationsbewegung 210 zwischen dem Verschlusszustand III und dem Öffnungszustand I bewegt wird. Dadurch wird die Translationsbewegung 211 durch die Transformationseinheit 40 in Abhängigkeit von der Rotationsbewegung 210 initiiert, d. h. insbesondere findet eine Umwandlung von der Rotationsbewegung 210 und/oder einem Drehmoment in die Translationsbewegung 211 und/oder eine Kraft statt. Das Verschlusselement 22 wird dabei durch ein Schubelement 41 der Transformationseinheit 40 zum Bewegen des Verschlusselementes 22 beim Überführen der Ventileinheit 20 in den Öffnungszustand I bewegt. Das Schubelement 41 kann das Verschlusselement 22 vorteilhafterweise unbefestigt kontaktieren und somit insbesondere nur in einer Richtung gegen das Verschlusselement 22 wirken.
Um eine Rotation des Translationselementes 43 infolge der Rotationsbewegung 210 des Drehelementes 42 zu verhindern, weist die Transformationseinheit 40 eine Linearführung 45 zum Führen des Translationselementes 43 auf. Die Linearführung 45 umfasst dabei eine Führungsöffnung 45.1 im Translationselement 43, in welcher ein ortsfester Führungsstift 45.2 geführt ist. Der Führungsstift 45.2 kann beispielsweise an der Antriebseinheit 30 befestigt sein. Insbesondere können dabei eine einzige Linearführung 45 oder mehrere, über den Umfang verteilte Linearführungen 45 vorgesehen sein.
Weiterhin ist die Antriebseinheit 30 insbesondere durch eine Steuereinheit 50 ansteuerbar, um die Ventileinheit 20 in Abhängigkeit von der Rotationsbewegung 210 in zumindest einen Zwischenzustand II, in welchem ein Strömungsquerschnitt der Ventilöffnung 21 gegenüber dem Öffnungszustand I reduziert ist, zu bringen. Vorzugsweise können mehrere Zwischenzustände II, insbesondere stufenlos, vorgesehen sein. Für eine Druckregelung in der Ventilvorrichtung 10 kann die Ventilvorrichtung 10 einen Sensor 51 , insbesondere in Form eines Drucksensors, zum Senden zumindest eines Strömungsparameters an die Steuereinheit 50 umfassen. Für eine verbesserte Sicherheit und zum Vorspannen der Ventileinheit 20 gegen den Öffnungszustand I, steht die Transformationseinheit 40 ferner mit einer antriebsseitigen Vorspanneinheit 46 in Wirkverbindung. Die antriebsseitige Vorspanneinheit 46 umfasst zumindest eine Drehfeder 46.1 , die mit einer Antriebswelle 31.1 des Rotationsantriebs 31 verbunden ist. Es ist denkbar, dass die antriebsseitige Vorspanneinheit 46, wie in Figur 4 dargestellt, mehrere Drehfedern 46.1 umfasst, die mechanisch in Reihe zueinander geschaltet sind, um eine weniger vom Drehwinkel abhängige Federkraft zu erzielen.
Um ein Eindringen des Fluides in den Rotationsantrieb 31 zu vermeiden, ist ferner vorgesehen, dass die Antriebseinheit 30 ein Antriebsgehäuse 32 aufweist, in welchem der Rotationsantrieb 31 angeordnet ist. Das Antriebsgehäuse 32 umgibt dabei den Rotationsantrieb 31 und ist durch eine Abdichteinheit 33 zum Verschließen eines Spaltes 34 zwischen dem Antriebsgehäuse 32 und der Transformationseinheit 40 gegenüber der Fluidströmung 200 abgedichtet. Dabei erstreckt sich das Schubelement 41 und/oder das Translationselement 43 entlang des Spaltes 34 durch eine Öffnung im Antriebsgehäuse 32, um eine Bewegung der Ventileinheit 20 relativ zum Antriebsgehäuse 32 zu ermöglichen.
Für eine weitere Erhöhung der Abdichtwirkung kann die Abdichteinheit 33, wie in Figur 5 dargestellt, zumindest zwei Abdichtelemente 35, z. B. in Form von Dichtringen, umfassen und es kann zwischen den Abdichtelementen 35 eine Abführleitung 36 zum Abführen einer Fluidleckage angeordnet sein. Dadurch kann eine Leckageströmung des ventilseitigen Abdichtelementes 35 über die Abführleitung 36 abgeführt werden, ohne zum Rotationsantrieb 31 vorzudringen.

Claims

Ansprüche
1. Ventilvorrichtung (10) für ein Fluidsystem (1), aufweisend eine Ventileinheit (20), welche in einen Öffnungszustand (I) zur Freigabe einer Ventilöffnung (21) für eine Fluidströmung (200) in dem Fluidsystem (1) und einen Verschlusszustand (III) zum Verschließen der Ventilöffnung (21) bringbar ist, eine Antriebseinheit (30) mit einem Rotationsantrieb (31) zum Erzeugen einer Rotationsbewegung (210), und eine Transformationseinheit (40) zum Überführen der Ventileinheit (20) vom Verschlusszustand (III) in den Öffnungszustand (I) durch eine Translationsbewegung (211) in Abhängigkeit von der Rotationsbewegung (210).
2. Ventilvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (30) durch eine Steuereinheit (50) ansteuerbar ist, um die Ventileinheit (20) in Abhängigkeit von der Rotationsbewegung (210) in zumindest einen Zwischenzustand (II), in welchem ein Strömungsquerschnitt der Ventilöffnung (21) gegenüber dem Öffnungszustand (I) reduziert ist, zu bringen, wobei die Ventilvorrichtung (10) einen Sensor (51) zum Senden zumindest eines Strömungsparameters an die Steuereinheit (50) aufweist.
3. Ventilvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinheit (20) ein Verschlusselement (22) aufweist, welches durch eine ventilseitige Vorspanneinheit (23) in den Verschlusszustand (III) vorgespannt ist, sodass die Ventilöffnung (21) im Verschlusszustand (III) verschlossen, und welches zum Überführen der Ventileinheit (20) in den Öffnungszustand (I) entgegen der Fluidströmung (200) bewegbar ist, wobei die Transformationseinheit (40) ein Schubelement (41) zum Bewegen des Verschlusselementes (22) beim Überführen der Ventileinheit (20) in den Öffnungszustand (I) aufweist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationseinheit (40) ein Drehelement (42) zum Ausführen der Rotationsbewegung (210), welches mit dem Rotationsantrieb (31) verbunden ist, und ein Translationselement (43) zum Ausführen der Translationsbewegung (211), welches mit der Ventileinheit (20) verbunden ist, umfasst, wobei das Drehelement (42) und das Translationselement (43) durch ein Gewinde (44) miteinander verbunden sind, wodurch die Ventileinheit (20) bei der Rotationsbewegung (210) zwischen dem Verschlusszustand (III) und dem Öffnungszustand (I) bewegt wird. Ventilvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationseinheit (40) zumindest eine Linearführung (45) zum Führen des Translationselementes (43) aufweist, wobei das Translationselement (43) eine Führungsöffnung (45.1) aufweist, in welcher ein ortsfester Führungsstift (45.2) geführt ist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transformationseinheit (40) mit einer antriebsseitigen Vorspanneinheit (46) zum Vorspannen der Ventileinheit (20) gegen den Öffnungszustand (I) in Wirkverbindung steht. Ventilvorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die antriebsseitige Vorspanneinheit (46) zumindest eine oder mehrere Drehfedern (46.1) umfasst, wobei die antriebsseitige Vorspanneinheit (46) mit einer Antriebswelle (31.1) des Rotationsantriebs (31) verbunden ist. Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (30) ein Antriebsgehäuse (32) aufweist, in welchem der Rotationsantrieb (31) angeordnet ist, wobei das Antriebsgehäuse (32) durch eine Abdichteinheit (33) zum Verschließen eines Spaltes (34) zwischen dem Antriebsgehäuse (32) und der Transformationseinheit (40) gegenüber der Fluidströmung (200) abgedichtet ist. Ventilvorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichteinheit (33) zumindest zwei Abdichtelemente (35) umfasst, wobei zwischen den Abdichtelementen (35) eine Abführleitung (36) zum Abführen einer Fluidleckage angeordnet ist. Fluidsystem (1) aufweisend einen Fluidtank (2) zur Speicherung eines Fluides, eine Nutzungsvorrichtung (3) zur Nutzung des Fluides, und eine Ventilvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zwischen dem Fluidtank (2) und der Nutzungsvorrichtung (3) angeordnet ist.
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