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WO2019020267A1 - Proportionalventil zum steuern eines gasförmigen mediums - Google Patents

Proportionalventil zum steuern eines gasförmigen mediums Download PDF

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WO2019020267A1
WO2019020267A1 PCT/EP2018/065572 EP2018065572W WO2019020267A1 WO 2019020267 A1 WO2019020267 A1 WO 2019020267A1 EP 2018065572 W EP2018065572 W EP 2018065572W WO 2019020267 A1 WO2019020267 A1 WO 2019020267A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
proportional valve
closing element
controlling
gaseous medium
passage opening
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2018/065572
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Kurz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US16/634,191 priority Critical patent/US20210033212A1/en
Priority to JP2020501453A priority patent/JP2020526725A/ja
Priority to CN201880049852.6A priority patent/CN110959084A/zh
Publication of WO2019020267A1 publication Critical patent/WO2019020267A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
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    • F16K31/36—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor
    • F16K31/40—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor with electrically-actuated member in the discharge of the motor
    • F16K31/406—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor with electrically-actuated member in the discharge of the motor acting on a piston
    • F16K31/408—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor with electrically-actuated member in the discharge of the motor acting on a piston the discharge being effected through the piston and being blockable by an electrically-actuated member making contact with the piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16K1/32—Details
    • F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
    • F16K1/44—Details of seats or valve members of double-seat valves
    • F16K1/443—Details of seats or valve members of double-seat valves the seats being in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
  • a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen
  • the proportional valve comprises a nozzle body, a closing element and an elastic sealing element.
  • the nozzle body In the nozzle body, at least one passage opening is formed, which can be released or closed by the closing element on a valve seat.
  • the elastic sealing element seals on the valve seat and has a recess with an inner wall area. The inner wall area is acted upon in the closed state of the proportional valve with pressure of the gaseous medium.
  • Proportional valves are characterized to the effect that when using these only small pressure fluctuations in the anode path of a fuel cell occur and quiet operation can be ensured.
  • frequent opening and closing operations occur.
  • additional switching operations may also be desired.
  • Frequent opening and closing of the proportional valve leads to wear on the valve seat, especially when a closing element is used with an elastic sealing element.
  • a frequent opening and closing of the valve leads to an increased stress on the switching force of the electromagnet, which in turn leads to the wear of the entire proportional valve.
  • the proportional valve according to the invention for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen has the advantage that even with high demands on the controllability of the proportional valve, a low switching force of the electromagnet and the same extent a small spring force or spring stiffness of the springs required in operation is achieved , Thus, a low wear on the proportional valve is guaranteed.
  • the proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen a valve housing.
  • a first closing element is arranged in the valve housing, in which a first closing element is arranged.
  • the first closing element cooperates with a first valve seat for opening or closing a first passage opening.
  • a second closing element is arranged in the interior, wherein the second closing element for opening and closing a second passage opening cooperates with a second valve seat.
  • the first valve seat is further formed on the second closing element.
  • the first passage opening opens into the second passage opening.
  • the second closing element is cup-shaped and has a recess, wherein the first closing element is received in the recess.
  • the valve housing comprises a nozzle body on which nozzle body a nozzle is arranged, wherein the second valve seat is formed on the nozzle.
  • an inner elastic sealing element is arranged between the first closing element and the first valve seat.
  • an outer elastic sealing element is arranged between the second closing element and the second valve seat.
  • a passage opening is formed, wherein the passage opening is connectable to the second passage opening via the second valve seat.
  • the interior comprises a control chamber, wherein the control chamber is connectable via the first passage opening with a discharge area at the second passage opening.
  • the lifting movement of the second closing element and thus the opening of the second passage opening can be controlled via the change in the pressure conditions in the control chamber.
  • the interior comprises a magnet armature space, wherein the magnet armature space is connected via a connecting channel with the passage opening.
  • a lifting magnet armature device is arranged, which magnet armature device is fixedly connected to the first closing element.
  • an electromagnet is arranged in the interior space, wherein the magnet armature device can be moved by the electromagnet.
  • a closing spring is arranged in the interior space between the valve housing and the magnet armature device, wherein the closing spring acts on the magnet armature device with a force in the direction of the second passage opening.
  • a further spring is arranged, wherein the spring acts on the second closing element with a force in the direction of the magnetic armature device.
  • control chamber and the magnet armature space are connected to each other via a connecting bore.
  • control volume of gaseous medium in the control room can be increased.
  • control chamber and the passageways are fluidly connected to each other. In this case, a more rapid closure takes place of the entire proportional valve.
  • the opening and closing operation of the proportional valve can thus be influenced via connections of the passage channels with the magnet armature chamber, the control chamber and the outflow region.
  • the described proportional valve is preferably suitable in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to an anode region of a fuel cell. Advantages are the low pressure fluctuations in the anode path and a quiet operation.
  • the drawing shows exemplary embodiments of a proportional valve according to the invention for controlling a gas supply, in particular hydrogen, to a fuel cell. It shows in
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a proportional valve according to the invention with two closing elements in longitudinal section
  • FIG. 2a shows the embodiment of FIG. 1 in the closed state
  • FIG. 2b shows the embodiment of FIG. 1 when opening the proportional valve
  • FIG. 2c shows the embodiment from FIG. 1 in an opened state
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the proportional valve according to the invention with two closing elements in longitudinal section
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the proportional valve according to the invention with two closing elements in longitudinal section.
  • Fig.l shows a first embodiment of a proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section.
  • the proportional valve 1 has a valve housing 2, wherein the valve housing 2 has a holding body 3 and a nozzle body 13 includes, which are connected to each other gas-tight. In the nozzle body 13, a nozzle 131 is received.
  • an electromagnet 24 is arranged, wherein the electromagnet 24 comprises a magnetic coil 23 and a magnetic core 7.
  • an interior 9 is formed in the valve housing 2, in which a lifting magnet armature device 25 is arranged.
  • the magnet armature device 25 comprises a magnet armature 8 and a cylinder-shaped connecting element 10, wherein the connecting element 10 is received in a recess 22 of the magnet armature 8 and thus firmly connected to the magnet armature 8, for example by a weld or by compression.
  • the armature 8 is designed as a solenoid plunger and received in the magnetic core 7.
  • the connecting element 10 is received and guided in a recess of the magnetic core 7 on a first seal 11 on a first guide section 6.
  • the valve housing 2 and the magnetic core 7 define a spring chamber 90, which forms part of the interior 9.
  • a closing spring 4 is arranged, which is supported between the valve housing 2 and a plate-shaped end 5 of the connecting element 10.
  • the closing spring 4 acts on the magnet armature device 25 with a force in the direction of the nozzle body 13.
  • the interior space 9 furthermore comprises a magnet armature space 91, which is bounded by the valve housing 2, the magnetic core 7 and the nozzle body 13. In this magnet armature space 91 of the armature 8 is arranged.
  • a connecting channel 15 is formed, via which throttled gaseous medium from the through-channels 12 can enter into the magnet armature chamber 91.
  • a second guide section 28 for the connecting element 10 of the magnet armature device 25 is formed on a second seal 17.
  • a first closing element 16 is arranged at the plate-shaped end 5 of the connecting element 10 opposite end. This first closing element 16 is firmly connected to the connecting element 10, for example by a weld or by pressing. Furthermore, the first closing element 16 is adjoined by an inner elastic sealing element 18, which is disc-shaped, and is firmly connected thereto.
  • a second closing element 36 is arranged in the interior 9 and received and guided on a guide region 34 in the nozzle body 13.
  • the second closing element 36 is cup-shaped and has a recess 31.
  • the connecting element 10 and the first closing element 16 is received with the inner elastic sealing element 18.
  • a first passage opening 14 is formed, wherein the first closing element 16 for opening and closing the first passage opening 14 cooperates with a first valve seat 19 on the second closing element 36.
  • the first valve seat 19 is formed flat.
  • the first passage opening 14 opens into a second passage opening 20 formed in an outflow region 32.
  • An outer elastic sealing element 38 which is disc-shaped, adjoins the second closing element 36 and is fixedly connected thereto.
  • the second closing element 36 seals the second passage opening 20 when the outer elastic sealing element 38 abuts against a second valve seat 29 formed on the nozzle 131, so that no gaseous medium can emerge from the proportional valve 1.
  • the second valve seat 29 is functionally designed to be partially acted upon by the pressure of the passageways 12, so that a force in the opening direction, i. in the direction of the magnet armature device 25 acts. However, this force is smaller than the force of the closing spring 4 when the solenoid coil 23 is de-energized, so that the second passage opening 20 is sealed by the second closing element 36.
  • the second closing element 36 and the nozzle body 13 delimit a control chamber 92, the interior 9 comprising the control chamber 92.
  • a leakage At the second Seal 17 on the second guide portion 28 of the connecting element 10 is formed a leakage, so that the control chamber 92 is fluidly connected to the armature chamber 91.
  • the control chamber 92 can be connected to the outflow region 32 via the first passage opening 14.
  • the stroke of the first closing element 16 and thus of the second closing element 36 can be adjusted via the height of the current at the magnetic coil 23.
  • Closing spring 4 is dependent on the stroke. If the current intensity at the magnetic coil 23 is reduced, the stroke of the first closing element 16 or of the second closing element 36 is also reduced and thus the gas flow rate is throttled.
  • This spring 26 is supported between a shoulder 21 on the second closing element 36 and the end of the nozzle 131, on which also the second valve seat 29 is formed.
  • the second closing element 36 lifts earlier from the second valve seat 29 and follows the lifting movement of the first closing element 16 faster. That is, a slight pressure reduction in the control chamber 92 is sufficient to achieve a lifting movement of the second closing element 36.
  • the closing spring 4 presses the further spring 26 so that the first closing element 16 and the second closing element 36 do not release the first passage opening 14 and the second passage opening 20 in the closed position.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. Components with the same function have been designated with the same reference numeral as in Fig.l.
  • a connecting bore 33 is formed in the nozzle body 13, whereby the armature space 91 is connected to the control chamber 92. In this way, the control volume of gaseous medium in the control chamber 92 can be increased. This has the consequence that the closure of the entire proportional valve 1 runs faster.
  • a connection by means of a bore or throttle between the passage channels 12 and the control chamber 92 increases the control volume of Gaseous medium in the control chamber 92 and thus also leads to a faster closure of the entire proportional valve 1. Furthermore, can be influenced by connections of the passage channels 12 with the armature chamber 91 and the control chamber 92 and the outflow 32 of the opening or closing operation of the entire proportional valve 1 become.
  • the proportional valve 1 can be used for example in a fuel cell assembly.
  • hydrogen can be supplied from a tank to an anode region of the fuel cell.
  • a flow cross-section at the second passage opening 20 is changed so that a demand-adjusted adjustment of the fuel cell continuously supplied Gas flow takes place.
  • the proportional valve 1 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 second passage opening 20 while controlling the anode pressure substantially more accurately can.
  • 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 catalyst can be prevented.

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Abstract

Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), wobei in dem Ventilgehäuse (2) ein Innenraum (9) ausgebildet ist. In dem Innenraum (9) ist ein erstes Schließelement (16) angeordnet, wobei das erste Schließelement (16) zum Öffnen oder Schließen einer ersten Durchlassöffnung (14) mit einem ersten Ventilsitz (19) zusammenwirkt. Weiterhin ist in dem Innenraum (9) ein zweites Schließelement (36) angeordnet, wobei das zweite Schließelement (36) zum Öffnen und Schließen einer zweiten Durchlassöffnung (20) mit einem zweiten Ventilsitz (29) zusammenwirkt. Der erste Ventilsitz (19) ist an dem zweiten Schließelement (36) ausgebildet, wobei die erste Durchlassöffnung (14) in die zweite Durchlassöffnung (20) mündet.

Description

Beschreibung
Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums
Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
Stand der Technik
Die DE 10 2012 204 565 AI beschreibt ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Proportionalventil einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement um- fasst. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtelement dichtet dabei am Ventilsitz ab und weist eine Ausnehmung mit einem Innenwandbereich auf. Der Innenwandbereich ist im geschlossenen Zustand des Proportionalventils mit Druck des gasförmigen Mediums beaufschlagt.
Proportionalventile zeichnen sich dahingehend aus, dass bei Verwendung von diesen nur geringe Druckschwankungen im Anodenpfad einer Brennstoffzelle auftreten und ein leiser Betrieb gewährleistbar ist. Im normalen Betriebsbereich des Proportionalventils treten häufige Öffnungs- und Schließvorgänge auf. Zur Optimierung von Spülvorgängen im Anodenpfad der Brennstoffzelle oder zum optimierten Betrieb einer Saugstrahlpumpe in einer Brennstoffzellenanordnung können auch zusätzliche Schaltvorgänge gewünscht sein. Häufiges Öffnen und Schließen des Proportionalventils führt zu Verschleiß am Ventilsitz, insbesondere wenn ein Schließelement mit einem elastischen Dichtelement verwendet wird. Weiterhin führt ein häufiges Öffnen und Schließen des Ventils zu einer erhöhten Beanspruchung der Schaltkraft des Elektromagneten, was wiederum zum Verschleiß des gesamten Proportionalventils führt.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auch bei hohen Anforderungen an die Regelbarkeit des Proportionalventils eine geringe Schaltkraft des Elektromagneten sowie im gleichen Maße eine geringe Federkraft bzw. Federsteifigkeit der im Betrieb benötigten Federn erzielt wird. Somit ist ein geringer Verschleiß an dem Proportionalventil gewährleistet.
Dazu weist das Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf. In dem Ventilgehäuse ist ein Innenraum ausgebildet, in dem ein erstes Schließelement angeordnet ist. Das erste Schließelement wirkt dabei zum Öffnen oder Schließen einer ersten Durchlassöffnung mit einem ersten Ventilsitz zusammen. Darüber hinaus ist in dem Innenraum ein zweites Schließelement angeordnet ist, wobei das zweite Schließelement zum Öffnen und Schließen einer zweiten Durchlassöffnung mit einem zweiten Ventilsitz zusammenwirkt. Der erste Ventilsitz ist weiterhin an dem zweiten Schließelement ausgebildet. Weiterhin mündet die erste Durchlassöffnung in die zweite Durchlassöffnung.
Dieser Aufbau begünstigt eine geringe Schaltkraft des Elektromagneten für die Öffnung der ersten Durchlassöffnung. Dadurch wird neben der Reduzierung des Verschleißes eine präzisere Einstellbarkeit der Schaltkraft erzielt. Dies führt zu einer optimierten Regelbarkeit und Funktionsweise des gesamten Proportionalventils. Außerdem ist bei unterschiedlichen Durchflussanforderungen keine neue Auslegung des Proportionalventils erforderlich, da hierfür die Durchlassöffnung angepasst werden kann. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das zweite Schließelement topfförmig ausgebildet ist und eine Ausnehmung aufweist, wobei das erste Schließelement in der Ausnehmung aufgenommen ist. Dadurch kann die in dem zweiten Schließelement ausgebildete erste Durchlassöffnung auf einfache und bauraumsparende Weise geöffnet oder geschlossen werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Ventilgehäuse einen Düsenkörper umfasst, an welchem Düsenkörper eine Düse angeordnet ist, wobei der zweite Ventilsitz an der Düse ausgebildet ist. So kann eine platzsparende und konstruktiv einfache Montierung des Proportionalventils erzielt werden.
In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist zwischen dem ersten Schließelement und dem ersten Ventilsitz ein inneres elastisches Dichtelement angeordnet. Vorteilhafterweise ist zwischen dem zweiten Schließelement und dem zweiten Ventilsitz ein äußeres elastisches Dichtelement angeordnet. Durch die Verwendung eines elastischen Dichtelements beispielsweise in Verbindung mit einem flachen Ventilsitz kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Proportionalventils sichergestellt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es weiterhin vorgesehen, dass in dem Düsenkörper eine Durchgangsöffnung ausgebildet ist, wobei die Durchgangsöffnung mit der zweiten Durchlassöffnung über den zweiten Ventilsitz verbindbar ist. Dadurch kann gasförmiges Medium von der Durchgangsöffnung in Richtung der zweiten Durchlassöffnung durch das Proportionalventil geleitet werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung umfasst der Innenraum einen Steuerraum, wobei der Steuerraum über die erste Durchlassöffnung mit einem Abströmbereich an der zweiten Durchlassöffnung verbindbar ist. So kann über die Veränderung der Druckverhältnisse im Steuerraum die Hubbewegung des zweiten Schließelements und damit die Öffnung der zweiten Durchlassöffnung gesteuert werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Innenraum einen Magnetankerraum umfasst, wobei der Magnetankerraum über einen Verbindungskanal mit der Durchgangsöffnung verbunden ist. Durch diese Verbindung ist der Druck in dem Steuerraum beeinflussbar, da durch den Magnetankerraum gasförmiges Medium von der Durchgangsöffnung über eine Leckage in den Steuerraum geleitet werden kann.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in dem Magnetankerraum eine hubbewegliche Magnetankervorrichtung angeordnet ist, welche Magnetankervorrichtung mit dem ersten Schließelement fest verbunden ist. Vorteilhafterweise ist in dem Innenraum ein Elektromagnet angeordnet, wobei die Magnetankervorrichtung durch den Elektromagnet hubbewegbar ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Innenraum zwischen dem Ventilgehäuse und der Magnetankervorrichtung eine Schließfeder angeordnet, wobei die Schließfeder die Magnetankervorrichtung mit einer Kraft in Richtung der zweiten Durchlassöffnung beaufschlagt. Dadurch ist die Dichtheit des Proportionalventils im ausgeschalteten Zustand gewährleistet, so dass kein gasförmiges Medium durch das Proportionalventil fließen kann.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zwischen der Düse und dem zweiten Schließelement eine weitere Feder angeordnet ist, wobei die Feder das zweite Schließelement mit einer Kraft in Richtung der Magnetankervorrichtung beaufschlagt. Durch die weitere Feder kann die Hubbewegung des zweiten Schließelements und damit die Öffnung der zweiten Durchlassöffnung beschleunigt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind der Steuerraum und der Magnetankerraum über eine Verbindungsbohrung miteinander verbunden. Dadurch kann das Steuervolumen von gasförmigem Medium in dem Steuerraum vergrößert werden. Vorteilhafterweise sind der Steuerraum und die Durchgangskanäle fluidisch miteinander verbunden. In diesem Fall erfolgt eine zügigere Schließung des gesamten Proportionalventils. Der Öffnungs- und Schließvorgang des Proportionalventils ist somit über Verbindungen der Durchgangskanäle mit dem Magnetankerraum, dem Steuerraum und dem Abströmbereich beeinflussbar.
Das beschriebene Proportionalventil eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb.
Zeichnungen
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Proportionalventils zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff, zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils mit zwei Schließelementen im Längsschnitt,
Fig. 2a das Ausführungsbeispiel aus der Fig. 1 im geschlossenen Zustand, Fig. 2b das Ausführungsbeispiel aus der Fig. 1 beim Öffnen des Proportionalventils,
Fig. 2c das Ausführungsbeispiel aus der Fig. 1 in einem geöffneten Zustand, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils mit zwei Schließelementen im Längsschnitt,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils mit zwei Schließelementen im Längsschnitt.
Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Das Proportionalventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, wobei das Ventilgehäuse 2 einen Haltekörper 3 und einen Düsenkörper 13 umfasst, die gasdicht miteinander verbunden sind. In dem Düsenkörper 13 ist eine Düse 131 aufgenommen. In dem Proportionalventil 1 ist ein Elektromagnet 24 angeordnet, wobei der Elektromagnet 24 eine Magnetspule 23 und einen Magnetkern 7 umfasst. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 2 ein Innenraum 9 ausgebildet, in welchem eine hubbewegliche Magnetankervorrichtung 25 angeordnet ist.
Die Magnetankervorrichtung 25 umfasst einen Magnetanker 8 und ein zylinderförmig ausgebildetes Verbindungselement 10, wobei das Verbindungselement 10 in einer Ausnehmung 22 des Magnetankers 8 aufgenommen ist und somit fest mit dem Magnetanker 8 verbunden ist, beispielsweise durch eine Schweißnaht oder durch Verpressung. Der Magnetanker 8 ist als Tauchanker ausgebildet und in dem Magnetkern 7 aufgenommen. Das Verbindungselement 10 ist in einer Ausnehmung des Magnetkerns 7 an einer ersten Dichtung 11 an einem ersten Führungsabschnitt 6 aufgenommen und geführt.
Das Ventilgehäuse 2 und der Magnetkern 7 begrenzen einen Federraum 90, welcher einen Teil des Innenraums 9 bildet. In dem Federraum 90 ist eine Schließfeder 4 angeordnet, welche sich zwischen dem Ventilgehäuse 2 und einem tellerförmigen Ende 5 des Verbindungselements 10 abstützt. Die Schließfeder 4 beaufschlagt die Magnetankervorrichtung 25 mit einer Kraft in Richtung des Düsenkörpers 13. Der Innenraum 9 umfasst weiterhin einen Magnetankerraum 91, welcher durch das Ventilgehäuse 2, den Magnetkern 7 und den Düsenkörper 13 begrenzt ist. In diesem Magnetankerraum 91 ist der Magnetanker 8 angeordnet.
In dem Düsenkörper 13 sind senkrecht zu einer Längsachse 40 des Proportionalventils 1 zwei Durchgangskanäle 12 ausgebildet, wodurch der Innenraum 9 mit gasförmigem Medium, beispielsweise Wasserstoff, befüllbar ist. In dem Düsenkörper 13 ist ein Verbindungskanal 15 ausgebildet, worüber gedrosselt gasförmiges Medium aus den Durchgangskanälen 12 in den Magnetankerraum 91 eintreten kann. An dem Düsenkörper 13 ist an einer zweiten Dichtung 17 ein zweiter Führungsabschnitt 28 für das Verbindungselement 10 der Magnetankervorrichtung 25 ausgebildet. An dem dem tellerförmigen Ende 5 des Verbindungselements 10 entgegengesetzte Ende ist ein erstes Schließelement 16 angeordnet. Dieses erste Schließelement 16 ist mit dem Verbindungselement 10 fest verbunden, beispielsweise durch eine Schweißnaht oder durch Verpressung. Weiterhin schließt sich an das erste Schließelement 16 ein inneres elastisches Dichtelement 18, welches scheibenförmig ausgebildet ist, an und ist mit diesem fest verbunden.
Weiterhin ist in dem Innenraum 9 ein zweites Schließelement 36 angeordnet und an einem Führungsbereich 34 in dem Düsenkörper 13 aufgenommen und geführt. Das zweite Schließelement 36 ist topfförmig ausgebildet und weist eine Ausnehmung 31 auf. In dieser Ausnehmung 31 ist das Verbindungselement 10 und das erste Schließelement 16 mit dem inneren elastischen Dichtelement 18 aufgenommen. In dem zweiten Schließelement 36 ist eine erste Durchlassöffnung 14 ausgebildet, wobei das erste Schließelement 16 zum Öffnen und Schließen der ersten Durchlassöffnung 14 mit einem ersten Ventilsitz 19 an dem zweiten Schließelement 36 zusammenwirkt. Der erste Ventilsitz 19 ist flach ausgebildet.
Die erste Durchlassöffnung 14 mündet in eine in einem Abströmbereich 32 ausgebildete zweite Durchlassöffnung 20. An das zweite Schließelement 36 schließt sich ein äußeres elastisches Dichtelement 38, welches scheibenförmig ausgebildet ist, an und ist mit diesem fest verbunden. So dichtet das zweite Schließelement 36 die zweite Durchlassöffnung 20 beim Anliegen des äußeren elastischen Dichtelements 38 an einem an der Düse 131 ausgebildeten zweiten Ventilsitz 29 ab, so dass kein gasförmiges Medium aus dem Proportionalventil 1 treten kann. Der zweite Ventilsitz 29 ist funktional so ausgelegt, dass er teilweise vom Druck der Durchgangskanäle 12 beaufschlagt ist, so dass eine Kraft in Öffnungsrichtung, d.h. in Richtung der Magnetankervorrichtung 25, wirkt. Diese Kraft ist jedoch bei unbestromter Magnetspule 23 kleiner als die Kraft der Schließfeder 4, so dass die zweite Durchlassöffnung 20 durch das zweite Schließelement 36 abgedichtet ist.
Das zweite Schließelement 36 und der Düsenkörper 13 begrenzen einen Steuerraum 92, wobei der Innenraum 9 den Steuerraum 92 umfasst. An der zweiten Dichtung 17 an dem zweiten Führungsabschnitt 28 des Verbindungselements 10 ist eine Leckage ausgebildet, so dass der Steuerraum 92 mit dem Magnetankerraum 91 fluidisch verbunden ist. Über die erste Durchlassöffnung 14 ist der Steuerraum 92 mit dem Abströmbereich 32 verbindbar.
Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels
Fig.2a zeigt das Proportionalventil 1 aus der Fig.l im ausgeschalteten Zustand. Bei nicht bestromter Magnetspule 23 werden das erste Schließelement 16 über die Kraft der Schließfeder 4 mittels der Magnetankervorrichtung 25 an den ersten Ventilsitz 19 und das zweite Schließelement 36 an den zweiten Ventilsitz 29 gedrückt, so dass die erste Durchlassöffnung 14 und die zweite Durchlassöffnung 20 gesperrt sind. So kann kein gasförmiges Medium durch das Proportionalventil 1 hindurchfließen. Im Magnetankerraum 91 und dem Steuerraum 92 herrscht aufgrund des Verbindungskanals 15 derselbe Druck wie in den Durchgangskanälen 12. In dem Abströmbereich 32 ist der Druck geringer als in dem Steuerraum 92.
Fig.2b zeigt das Ausführungsbeispiel aus der Fig.l mit bestromter Magnetspule 23. Bei Bestromung der Magnetspule 23 wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 8 erzeugt, welche der Kraft der Schließfeder 4 entgegengerichtet ist. Wird die Kraft der Schließfeder 4 durch die magnetische Kraft überkompensiert, bewegt sich die Magnetankervorrichtung 25 in Richtung der Feder 4. Das erste Schließelement 16 hebt vom ersten Ventilsitz 19 ab. Ein Gasdurchfluss vom Steuerraum 92 über die erste Durchlassöffnung 14 in die zweite Durchlassöffnung 20 und damit in den Abströmbereich 32 ist freigegeben.
Durch den Druckausgleich des Steuerraums 92 mit dem Abströmbereich 32, welche nicht sehr von der Leckage an der zweiten Dichtung 17 an dem zweiten Führungsabschnitt 28 des Verbindungselements 10 beeinträchtigt ist, und die Druckunterwanderung des zweiten Ventilsitzes 29 durch das gasförmige Medium aus den Durchgangskanälen 12, hebt auch das zweite Schließelement 36 vom zweiten Ventilsitz 29 ab. Die zweite Durchlassöffnung 20 ist nun auch freigegeben, wie in Fig.2c gezeigt. Das zweite Schließelement 36 folgt dabei der Hubbewegung des ersten Schließelements 16 und schließt zu dem ersten Schließelement 16 auf. Dadurch liegt das erste Schließelement 16 wieder an dem ersten Ventilsitz 19 an und verschließt dadurch die erste Durchlassöffnung 14.
Der Hub des ersten Schließelements 16 und damit des zweiten Schließelements 36 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 23 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 23, desto größer ist der Hub des ersten Schließelements 16 bzw. des zweiten Schließelements 36 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss in dem Proportionalventil 1, da die Kraft der
Schließfeder 4 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 23 reduziert, wird auch der Hub des ersten Schließelements 16 bzw. des zweiten Schließelements 36 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt.
Verharrt die Magnetankervorrichtung 25 über einen längeren Zeitraum in der gleichen Öffnungsposition, baut sich in dem Steuerraum 92 aufgrund von Leckage an der zweiten Dichtung 17 an dem zweiten Führungsabschnitt 28 des Verbindungselements 10 ein Druck auf, welcher größer ist als der Druck im Abströmbereich 32. Dadurch bewegt sich das zweite Schließelement 36 in Richtung der zweiten Durchlassöffnung 20, so dass der erste Ventilsitz 19 und damit die erste Durchlassöffnung 14 freigegeben sind. Ein erneuter Druckausgleich des Steuerraums 92 mit dem Abströmbereich 32 führt wieder zu einer Schließung der ersten Durchlassöffnung 14. Dieser Effekt führt zu einer geringfügigen Oszillation des zweiten Schließelements 36 um die eingestellte Position der Magnetankervorrichtung 25.
Wird der Strom an der Magnetspule 23 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 8 abgebaut, so dass die Kraft auf die Magnetankervorrichtung 25 reduziert wird. Die Magnetankervorrichtung 25 und das erste Schließele- ment 16 bewegen sich simultan mit dem zweiten Schließelement 36 in Richtung der zweiten Durchlassöffnung 20, wobei das zweite Schließelement 36 mit dem äußeren elastischen Dichtelement 38 an dem zweiten Ventilsitz 29 abdichtet. Der Gasdurchfluss in dem Proportionalventil 1 ist unterbrochen. Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet wie in Fig.l. Hier ist zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel aus der Fig.l eine weitere Feder 26 in dem Proportionalventil 1 angeordnet. Diese Feder 26 stützt sich zwischen einem Absatz 21 an dem zweiten Schließelement 36 und dem Ende der Düse 131 ab, an welchem auch der zweite Ventilsitz 29 ausgebildet ist. Durch den Einsatz einer weiteren Feder 26 und der zusätzlichen Druckunterwanderung des Absatzes 21 durch den Druck in den Durchgangskanälen 12 hebt das zweite Schließelement 36 früher vom zweiten Ventilsitz 29 ab und folgt der Hubbewegung des ersten Schließelements 16 schneller. Das heißt, ein geringfügiger Druckabbau in dem Steuerraum 92 ist ausreichend, um eine Hubbewegung des zweiten Schließelements 36 zu erreichen. Bei unbestromter Magnetspule 23 überdrückt die Schließfeder 4 die weitere Feder 26, so dass das erste Schließelement 16 und das zweite Schließelement 36 in Schließstellung die erste Durchlassöffnung 14 und die zweite Durchlassöffnung 20 nicht freigeben.
Die prinzipielle Funktionsweise des weiteren Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels.
Fig.4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet wie in Fig.l. Hier ist zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel aus der Fig.l eine Verbindungsbohrung 33 in dem Düsenkörper 13 ausgebildet, wodurch der Magnetankerraum 91 mit dem Steuerraum 92 verbunden ist. Auf diese Weise kann das Steuervolumen von gasförmigem Medium in dem Steuerraum 92 vergrößert werden. Dies hat zur Folge, dass die Schließung des gesamten Proportionalventils 1 schneller abläuft.
Die prinzipielle Funktionsweise des weiteren Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels.
Auch eine Verbindung mittels einer Bohrung bzw. Drossel zwischen den Durchgangskanälen 12 und dem Steuerraum 92 vergrößert das Steuervolumen von gasförmigem Medium in dem Steuerraum 92 und führt so zu ebenfalls zu einer schnelleren Schließung des gesamten Proportionalventils 1. Weiterhin kann durch Verbindungen der Durchgangskanäle 12 mit dem Magnetankerraum 91 und dem Steuerraum 92 sowie dem Abströmbereich 32 der Öffnungs- bzw. Schließvorgang des gesamten Proportionalventils 1 beeinflusst werden.
Das erfindungsgemäße Proportionalventil 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung Verwendung finden. Mittels des Proportionalventils 1 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden. Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 23 des Proportionalventils 1 , durch welche der Hub des Schließelements 16 und damit des zweiten Schließelements 36 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt an der zweiten Durchlassöffnung 20 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt.
Das Proportionalventil 1 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 zweiten Durchlassöffnung 20 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter erfolgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folgeschäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden.

Claims

Ansprüche
1. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), wobei in dem Ventilgehäuse (2) ein Innenraum (9) ausgebildet ist, wobei in dem Innenraum (9) ein erstes Schließelement (16) angeordnet ist, wobei das erste Schließelement (16) zum Öffnen oder Schließen einer ersten Durchlassöffnung (14) mit einem ersten Ventilsitz (19) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (9) ein zweites Schließelement (36) angeordnet ist, wobei das zweite Schließelement (36) zum Öffnen und Schließen einer zweiten Durchlassöffnung (20) mit einem zweiten Ventilsitz (29) zusammenwirkt, wobei der erste Ventilsitz (19) an dem zweiten Schließelement (36) ausgebildet ist und wobei die erste Durchlassöffnung (14) in die zweite Durchlassöffnung (20) mündet.
2. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Schließelement (36) topfförmig ausgebildet ist und eine Ausnehmung (31) aufweist, wobei das erste Schließelement (16) in der Ausnehmung (31) aufgenommen ist.
3. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (2) einen Düsenkörper (13) umfasst, an welchem Düsenkörper (13) eine Düse (131) angeordnet ist, wobei der zweite Ventilsitz (29) an der Düse (131) ausgebildet ist.
4. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Schließelement (16) und dem ersten Ventilsitz (19) ein inneres elastisches Dichtelement (18) angeordnet ist.
5. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zweiten Schließelement (36) und dem zweiten Ventilsitz (29) ein äußeres elastisches Dichtelement (38) angeordnet ist.
6. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Düsenkörper (13) zwei Durchgangskanäle (12) ausgebildet sind, wobei die Durchgangskanäle (12) mit der zweiten Durchlassöffnung (20) über den zweiten Ventilsitz (29) verbindbar sind.
7. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (9) einen Steuerraum (92) um- fasst, wobei der Steuerraum (92) über die erste Durchlassöffnung (14) mit einem Abströmbereich (32) an der zweiten Durchlassöffnung (20) verbindbar ist.
8. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (9) einen Magnetankerraum (91) umfasst, wobei der Magnetankerraum (91) über einen Verbindungskanal (15) mit den Durchgangskanälen (12) verbunden ist.
9. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Magnetankerraum (91) eine hubbewegliche Magnetankervorrichtung (25) angeordnet ist, welche Magnetankervorrichtung (25) mit dem ersten Schließelement (16) fest verbunden ist.
10. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (9) ein Elektromagnet (24) angeordnet ist, wobei die Magnetankervorrichtung (25) durch den Elektromagnet (24) hubbewegbar ist.
11. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (9) zwischen dem Ventilgehäuse (2) und der Magnetankervorrichtung (25) eine Schließfeder (4) angeordnet ist, wobei die Schließfeder (4) die Magnetankervorrichtung (25) mit einer Kraft in Richtung der zweiten Durchlassöffnung (20) beaufschlagt.
12. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Düse (131) und dem zweiten Schließelement (36) eine weitere Feder (26) angeordnet ist, wobei die Feder (26) das zweite Schließelement (36) mit einer Kraft in Richtung der Magnetankervorrichtung (25) beaufschlagt.
13. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (92) und der Magnetankerraum (91) über eine Verbindungsbohrung (33) miteinander verbunden sind.
14. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 7 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (92) und die Durchgangskanäle (12) fluidisch miteinander verbunden sind.
15. Brennstoffzellenanordnung mit einem Proportionalventil (1) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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