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WO2019101395A1 - Dosierventil und strahlpumpeneinheit zum steuern eines gasförmigen mediums - Google Patents

Dosierventil und strahlpumpeneinheit zum steuern eines gasförmigen mediums Download PDF

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WO2019101395A1
WO2019101395A1 PCT/EP2018/075790 EP2018075790W WO2019101395A1 WO 2019101395 A1 WO2019101395 A1 WO 2019101395A1 EP 2018075790 W EP2018075790 W EP 2018075790W WO 2019101395 A1 WO2019101395 A1 WO 2019101395A1
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WO
WIPO (PCT)
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metering valve
valve
jet pump
housing
nozzle
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2018/075790
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Christoph Magel
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.)
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Publication date
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Priority to EP18779329.4A priority patent/EP3714347A1/de
Priority to KR1020207017394A priority patent/KR20200084351A/ko
Priority to JP2020526432A priority patent/JP2021502531A/ja
Priority to US16/765,200 priority patent/US20200278706A1/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a metering valve and a jet pump unit for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
  • DE 10 2010 043 618 A1 describes a metering valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, wherein the metering valve comprises a valve housing, an ejector unit, an actuator and a closing element.
  • the valve housing a passage opening is formed, which can be released or closed by the closing element on a valve seat.
  • the ejector unit comprises an inflow region to which a first gasförmi saturated medium is supplied under pressure, a suction, where a second medium is present and a mixing tube region, from which emerges a mixture of the first and second gaseous medium.
  • the passage opening is arranged between the inflow area and the suction area of the ejector unit.
  • a wear and leakage reduction and thus optimal operation of the metering valve and the jet pump in the fuel cell assembly can be achieved by an improved design of the combination of metering valve and jet pump.
  • the metering valve according to the invention and the jet pump unit for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen has the advantage that improved by an optimized integration of a metering valve in a jet pump unit, the tolerances on the valve seat and thereby the tightness inner half of the metering valve is increased.
  • the metering valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen a valve housing, in which an interior space is formed.
  • a movable along a longitudinal axis of the metering valve closing element is arranged, which cooperates tilsitz for opening or closing an opening cross-section of an inflow region in a passageway with a Ven.
  • the metering valve has a nozzle, in which the passage channel is formed, wherein at least one sealing element is arranged on an outer side of the nozzle, which is adapted to seal a gap in a nozzle receiving the opening.
  • a jet pump unit comprises the metering valve according to the invention, a jet pump housing, a mixing tube area, an intake passage and a drainage area.
  • the jet pump housing comprises the valve housing of the metering valve and a pump housing.
  • the longitudinal axis of the metering valve is identical to a longitudinal axis of the jet pump unit.
  • the pump housing has an at least partially stepped through bore, wherein the nozzle of the metering valve is arranged coaxially in the pump housing in front of the mixing tube area and received in a Publ tion of the pump housing, wherein the at least one you telement the nozzle seals a gap between the nozzle and the pump housing from.
  • the through-bore is advantageously at least conically tapered at least from section, wherein a flow channel of the jet pump unit radially to the longitudinal axis of the jet pump unit in the Pumpenge- housing is formed in the conical region of the through hole.
  • the inlet channel of the metering valve is advantageously radially to the longitudinal axis of the jet pump unit at least partially formed in the pump housing, wherein the valve housing is arranged with a step on the pump housing and fixedly connected thereto, preferably by means of a screw member. Before geous enough, the inflow region of the metering valve is arranged in the fürgangsboh tion.
  • the nozzle in the metering valve By integrating the nozzle in the metering valve, it is possible to direct the flow of the gaseous medium to the valve seat directly into the jet pump unit. As a result, an optimized design of metering valve and Pum pengetude the jet pump unit can be achieved. Furthermore, the connec tion point between the metering valve and the nozzle in the pump housing of the jet pump unit is arranged, wherein the nozzle is integrated at the first stage of the pump housing in the pump housing and is sealed by the Dichtele element against the pump housing, so that at the connection point between the metering valve and the nozzle leakage is minimized in the direction of the suction area.
  • the nozzle comprises a cup-shaped region, wherein the at least one you telement in the cup-shaped region is arranged. Furthermore, the topfför shaped area on a bottom of the pot on which the valve seat is formed.
  • the valve housing has a pin-shaped end, with wel chem the valve housing is received in the pot-shaped region of the nozzle, wherein the pin-shaped end in the inflow region has a surface which rests against a formed on the nozzle mating surface.
  • valve seat is formed as a flat seat and disposed between the valve seat and the closing element is a elastic cal sealing element.
  • the metering valve comprises an electromagnet with an inner pole, wherein the In nenpol and the valve housing via a magnetic throttle point are operatively connected to each other. Due to the one-piece design of the inner pole and the Ven tilgephaseuses and in combination with the connection point between the Ventilge housing and the nozzle tolerances on the valve seat can be minimized and the totality of the tightness of the metering valve can be improved.
  • the closing element is operatively connected to a Magnetankervor direction, wherein the inner pole has a first guide portion and a second guide portion and wherein second bearing bushes are arranged on the second guide, at which second Lagerbüch sen, the magnet armature device is guided with a piston-shaped portion.
  • the piston-shaped portion is made of a material having high mechanical strength.
  • the jet pump unit described is preferably suitable in a fuel cell fuel assembly for controlling a hydrogen supply to a Anodenbe rich a fuel cell. Advantages are the low pressure fluctuations in the anode path and a quiet operation.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a metering valve according to the invention with a nozzle in longitudinal section
  • Fig. 2 shows an embodiment of a Strahlpumpenein invention unit with the metering valve shown in Fig. 1 in longitudinal section.
  • Fig.l shows a first embodiment of a Dosierven tils 1 according to the invention in longitudinal section.
  • the metering valve 1 has a valve housing 2 with a nenraum 3 in.
  • an electromagnet 26 is arranged, wel cher a magnetic coil 12, an inner pole 14 and an outer pole 13 includes.
  • a lifting magnet armature device 25 is arranged in the interior 3.
  • the magnet armature device 25 comprises a magnet armature 8 and a connecting element 9, which is received in a recess 22 of the Magnetan kers 8 and thus firmly connected to the armature 8, for example, by a weld or by compression.
  • the magnet armature 8 is designed as a plunger armature and received in the inner pole 14.
  • the In nenpol 14 has a recess 21 with a recess edge 24 in which the armature 8 is immersed in its lifting movement.
  • first bearing bushes 60 are arranged in a recess, in which the connecting element 9 cut at a first Whysab 6 of the inner pole 14 is received and guided. Furthermore, at the Valve housing 2 second bearing bushes 70 are arranged, in which a kolbenför Miger section 23 of the connecting element 9 in a second Whysab section 7 is received and guided.
  • the piston-shaped portion 23 of the Ver connecting element 9 is made of a material with high mechanical Festig speed.
  • the metering valve 1 comprises a nozzle 15, which has a cup-shaped region 151 with a pot base 1510 and a pin 152.
  • the Ven tilgepuruse 2 is received with a the electromagnet 26 facing away from zapfenförmi gene 38 in the cup-shaped portion 151 of the nozzle 15, wherein the valve housing 2 rests with a surface 381 on a counter surface 153 of the nozzle 15.
  • an adjusting element 36 is arranged between the pin-shaped end 38 of the valve housing 2 and the nozzle 15.
  • sealing elements 54 and on the valve housing 2 Dichtele elements 53 are arranged on an outer side 90 of the nozzle.
  • the connecting element 9 is fixedly connected at one end to a closing element 10.
  • the closing element 10 has an elastic sealing element 11 at its end facing away from the connecting element 9.
  • the elastic Dichtele element 11 cooperates with a formed on the pot bottom 1510 of the nozzle 15 valve seat 19, so that when the elastic sealing element 11 resting on the valve seat 19 formed in the nozzle 15 passage channel 18 ge closed.
  • the valve seat 19 is formed here as a flat seat.
  • a spring chamber 30 is formed, which forms a part of the inner space 3 in nen.
  • a closing spring 4 is arranged, wel che between the inner pole 14 and a plate-shaped end 5 of the connec tion elements 9 is supported.
  • the closing spring 4 acts on the Magnetankervor device 25 with a force in the direction of the valve seat 19th
  • the interior space 3 comprises a magnet armature space 300, in which the magnet armature 8 is arranged.
  • the armature space 300 is connected via a connec tion channel 16 with the spring chamber 30.
  • the Sch concentrated region 10 facing the end of the armature 8 is adjacent to an inflow region 28, which is arranged via a ra dial with respect to a longitudinal axis 40 of the metering valve 1 and formed in the valve housing 2 inlet channel 17 with gaseous medium, for example hydrogen, can be filled.
  • gaseous medium for example hydrogen
  • the valve housing 2 and the inner pole 14 are connected via a magnetic throttle point 20 magnetically and mechanically interconnected.
  • a magnetic throttle point 20 magnetically and mechanically interconnected.
  • the magnetic throttle body 20 comprises a thin-walled cylindrical web 201 and a conical region 202, whereby an annular groove 301 is formed in the magnet armature space 300.
  • the stroke of the closing element 10 can be adjusted via the height of the current at the magnetic coil 12. The higher the current to the solenoid coil 12, the greater the stroke of the closing element 10 and the higher is the gas flow in the metering valve 1, since the force of the closing spring 4 is dependent on hubab. If the current intensity at the magnetic coil 12 is reduced, the stroke of the closing element 10 is also reduced and thus the gas flow rate is throttled.
  • the magnetic force is reduced to the armature 8, so that the force on the closing element 10th is reduced by means of the connecting element 9.
  • the closing element 10 be moves in the direction of the passage channel 18 and seals with the elastic sealing element 11 on the valve seat 19 from.
  • the gas flow in the metering valve 1 is interrupted.
  • the metering valve 1 according to the invention can be used lenanowski extract example in a Brennstoffzel.
  • an Ano den Kunststoff the fuel cell hydrogen can be supplied from a tank.
  • a flow cross-section at the passage channel 18 is changed in such a way that a demand-oriented adjustment of the gas flow supplied to the fuel cell takes place continuously.
  • the metering valve 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 passage channel 18 while controlling the anode pressure much more accurate can be done.
  • the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion.
  • consequential damage such as damage to a downstream catalytic converter, can also be prevented.
  • the jet pump unit 46 has a Strahlpumpenge housing 41 which housing the valve housing 2 of the metering valve 1 and a Pumpenge 49 comprises.
  • the jet pump unit 46 has a longitudinal axis 40 ', which is identical to the longitudinal axis 40 of the metering valve 1.
  • the pump housing 49 In the pump housing 49 are axially to the longitudinal axis 40 'is a partially stu fenförmig and partially conical through hole 42 and radially to the longitudinal axis 40', an intake passage 43 and the inlet channel 17 of the metering valve 1 is formed.
  • the through-bore 42 In the through-bore 42 are a suction area 44, a mixing tube portion 52 and a drainage portion 45 are formed.
  • the metering valve 1 is accommodated coaxially in the pump housing 49 in sections.
  • the valve housing 2 with a step 37 on the pump housing 49 angeord net and is fixedly connected thereto via a screw member 35.
  • the nozzle 15 of the metering valve 1 rests against a step 39 formed on the pump housing 49 and is received in an opening 55 of the pump housing 49.
  • this is sealed against the first stage 39 of the pump housing 49, so that a gap 56 between the nozzle 15 and the pump housing 49 is sealed and no gaseous medium can pass through this gap 56 in the direction of the suction 44 , Gaseous medium from the inlet channel 17 thus only passes via the passage channel 18 in the direction of the suction region 44.
  • the pump housing 49 has a step 57 through which the nozzle 15 is radially centered in the pump housing 49 and thus coaxial in the Pum pengeophuse 49 is disposed in front of the mixing tube portion 52.
  • the La can tolerances of the metering valve 1, especially the nozzle 15, relative to the pump housing 49 in interaction with the stage 39 are minimized.
  • a drain channel 48 is formed radially to the longitudinal axis 40 'in the pump housing 49, wherein the through bore 42 is sealed to the end portion of the pump housing 49 with a lid 50 at the metering valve 1 till.
  • gaseous medium here hydrogen
  • gaseous medium here hydrogen
  • This hydrogen hits after exiting the nozzle 15 and entering the through-bore 42 in the intake 44 on gaseous medium, which has already been supplied to the fuel cell, but not consumed, and was guided back into the jet pump unit 46 via the intake passage 43.
  • the recycled gaseous medium mainly comprises hydrogen, but also water vapor and nitrogen.
  • a mass flow from the Ansaugbe rich 44 is sucked in by pulse exchange in the gaseous media and conveyed in the direction of the drain region 45 and thus in the direction of the anode region of the fuel cell.
  • a mass flow from the Ansaugbe rich 44 is sucked in by pulse exchange in the gaseous media and conveyed in the direction of the drain region 45 and thus in the direction of the anode region of the fuel cell.

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Abstract

Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), wobei in dem Ventilgehäuse (2) ein Innenraum (3) ausgebildet ist. In dem Innenraum (3) ist entlang einer Längsachse (40) des Dosierventils (1)ein bewegbares Schließelement (10)angeordnet, das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungsquerschnitts von einem Zuströmbereich (28) in einen Durchlasskanal (18) mit einem Ventilsitz (19) zusammenwirkt. Darüber hinaus weist das Dosierventil (1) eine Düse (15) auf, in welcher der Durchlasskanal (18) ausgebildet ist und an welcher mindestens ein Dichtelement (54) angeordnet ist, wobei das Dichtelement (54) dazu ausgebildet ist, einen Spalt (56) in einer die Düse (15) aufnehmenden Öffnung abzudichten.

Description

Beschreibung
Dosierventil und Strahlpumpeneinheit zum Steuern eines gasförmigen Mediums
Die Erfindung betrifft ein Dosierventil und eine Strahlpumpeneinheit zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur An wendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
Stand der Technik
Die DE 10 2010 043 618 Al beschreibt ein Dosierventil zum Steuern eines gas förmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Dosierventil ein Ventil gehäuse, eine Ejektoreinheit, einen Aktor und ein Schließelement umfasst. In dem Ventilgehäuse ist eine Durchgangsöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Die Ejektoreinheit umfasst einen Zuströmbereich, welchem ein erstes gasförmi ges Medium unter Druck zugeführt wird, einem Ansaugbereich, an welchem ein zweites Medium ansteht und einen Mischrohrbereich, aus welchem ein Gemisch des ersten und des zweiten gasförmigen Mediums austritt. Die Durchgangsöff nung ist zwischen dem Zuströmbereich und dem Ansaugbereich der Ejektorein heit angeordnet.
Optimierungen von Spülvorgängen in einem Anodenpfad einer Brennstoffzellena nordnung kann durch eine Kombination aus einem Dosierventil und einer Strahl pumpe erzielt werden. Dies kann jedoch zu einer Verringerung der Dichtheit des Dosierventils und zu Leckage an den beteiligten Bauteilen führen.
Eine Verschleiß- und Leckagereduzierung und damit eine optimale Funktions weise des Dosierventils und der Strahlpumpe in der Brennstoffzellenanordnung kann durch eine verbesserte Auslegung der Kombination aus Dosierventil und Strahlpumpe erzielt werden. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Dosierventil und die Strahlpumpeneinheit zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist den Vorteil auf, dass durch eine optimierte Integration eines Dosierventils in eine Strahlpumpen einheit die Toleranzen am Ventilsitz verbessert und dadurch die Dichtheit inner halb des Dosierventils erhöht wird.
Dazu weist das Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbeson dere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in dem ein Innenraum ausgebildet ist. In dem Innenraum ist ein entlang einer Längsachse des Dosierventils bewegbares Schließelement angeordnet, das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungs querschnitts von einem Zuströmbereich in einen Durchlasskanal mit einem Ven tilsitz zusammenwirkt. Weiterhin weist das Dosierventil eine Düse auf, in welcher der Durchlasskanal ausgebildet ist, wobei an einer Außenseite der Düse mindes tens ein Dichtelement angeordnet ist, welches dazu ausgebildet ist, einen Spalt in einer die Düse aufnehmenden Öffnung abzudichten.
Weiterhin umfasst eine Strahlpumpeneinheit das erfindungsgemäße Dosierventil, ein Strahlpumpengehäuse, einen Mischrohrbereich, einen Ansaugkanal und ei nen Ablaufbereich. Das Strahlpumpengehäuse umfasst dabei das Ventilgehäuse des Dosierventils und ein Pumpengehäuse. Die Längsachse des Dosierventils ist identisch mit einer Längsachse der Strahlpumpeneinheit.
Vorteilhafterweise weist das Pumpengehäuse eine zumindest abschnittsweise stufenförmig ausgebildete Durchgangsbohrung auf, wobei an einer an dem Pum pengehäuse ausgebildeten ersten Stufe die Düse des Dosierventils koaxial in dem Pumpengehäuse vor dem Mischrohrbereich angeordnet ist und in einer Öff nung des Pumpengehäuses aufgenommen ist, wobei das mindestens eine Dich telement die Düse einen Spalt zwischen der Düse und dem Pumpengehäuse ab dichtet. Weiterhin ist die Durchgangsbohrung vorteilhafterweise zumindest ab schnittsweise konisch ausgebildet ist, wobei ein Ablaufkanal der Strahlpumpen einheit radial zu der Längsachse der Strahlpumpeneinheit in dem Pumpenge- häuse im konischen Bereich der Durchgangsbohrung ausgebildet ist. Der Zulauf kanal des Dosierventils ist vorteilhafterweise radial zu der Längsachse der Strahl pumpeneinheit zumindest teilweise in dem Pumpengehäuse ausgebildet, wobei das Ventilgehäuse mit einer Stufe an dem Pumpengehäuse angeordnet und mit diesem fest verbunden ist, vorzugsweise mittels eines Schraubenelements. Vor teilhafterweise ist der Zuströmbereich des Dosierventils in der Durchgangsboh rung angeordnet.
Durch die Integration der Düse in das Dosierventil ist es möglich, die Strömung des gasförmigen Mediums nach dem Ventilsitz direkt in die Strahlpumpeneinheit zu führen. Dadurch kann eine optimierte Auslegung von Dosierventil und Pum pengehäuse der Strahlpumpeneinheit erzielt werden. Weiterhin ist die Verbin dungsstelle zwischen dem Dosierventil und der Düse in dem Pumpengehäuse der Strahlpumpeneinheit angeordnet, wobei die Düse an der ersten Stufe des Pumpengehäuses in das Pumpengehäuse integriert ist und durch das Dichtele ment gegen das Pumpengehäuse abgedichtet ist, so dass an der Verbindungs stelle zwischen dem Dosierventil und der Düse die Leckage in Richtung des An saugbereichs minimiert ist.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Düse einen topfförmigen Bereich umfasst, wobei das mindestens eine Dich telement in dem topfförmigen Bereich angeordnet ist. Weiterhin weist der topfför mige Bereich einen Topfgrund auf, an welchem der Ventilsitz ausgebildet ist. Vorteilhafterweise weist das Ventilgehäuse ein zapfenförmiges Ende auf, mit wel chem das Ventilgehäuse in dem topfförmigen Bereich der Düse aufgenommen ist, wobei das zapfenförmige Ende in dem Zuströmbereich eine Fläche aufweist, welche an einer an der Düse ausgebildeten Gegenfläche anliegt. So kann in ein facher konstruktiver Weise die Düse mit dem Ventilgehäuse verbunden werden, wobei eine Dichtheit nicht gewährleistet werden muss, da das Dosierventil mittels des Dichtelements gegen das Pumpengehäuse abgedichtet ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass zwi schen dem Ventilgehäuse und der Düse ein Einstellelement angeordnet ist. So wird eine variable Einstellung des axialen Hubes des Schließelements erzielt. In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Ventilsitz als Flachsitz ausgebildet und zwischen dem Ventilsitz und dem Schließelement ein elasti sches Dichtelement angeordnet ist. Durch die Verwendung eines flachen Ventil sitzes in Kombination eines elastischen Dichtelements zur Abdichtung am Ventil sitz kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Dosierventils sichergestellt werden, so dass beispielsweise kein Wasserstoff aus dem Dosierventil austreten kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Dosierventil einen Elektromagneten mit einem Innenpol umfasst, wobei der In nenpol und das Ventilgehäuse über eine magnetische Drosselstelle miteinander wirkverbunden sind. Durch die einteilige Ausführung des Innenpols und des Ven tilgehäuses und in Kombination der Verbindungsstelle zwischen dem Ventilge häuse und der Düse können die Toleranzen am Ventilsitz minimiert und insge samt die Dichtheit des Dosierventils verbessert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung ist das Schließelement mit einer Magnetankervor richtung wirkverbunden, wobei der Innenpol einen ersten Führungsabschnitt und einen zweiten Führungsabschnitt aufweist und wobei an dem zweiten Führungs abschnitt zweite Lagerbüchsen angeordnet sind, an welchen zweiten Lagerbüch sen die Magnetankervorrichtung mit einem kolbenförmigen Abschnitt geführt ist. Vorteilhafterweise ist der kolbenförmige Abschnitt aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt. Dadurch werden radiale Verkippungen der Magnetankervorrichtung minimiert und auch der Verschleiß an dem Magnetanker verringert, wenn die Führung an dem kolbenförmigen Abschnitt erfolgt. Weiterhin kann dieser dann an die mechanischen Gegebenheiten angepasst werden, wie beispielsweise die Wahl eines Materials mit hoher mechanischer Festigkeit.
Die beschriebene Strahlpumpeneinheit eignet sich vorzugsweise in einer Brenn stoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbe reich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb. Zeichnungen
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Dosier ventils und einer Strahlpumpeneinheit zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbeson dere Wasserstoff, zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierventils mit einer Düse im Längsschnitt,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenein heit mit dem in Fig. 1 gezeigten Dosierventil im Längsschnitt.
Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierven tils 1 im Längsschnitt. Das Dosierventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 mit einem In nenraum 3 auf. In dem Innenraum 3 ist ein Elektromagnet 26 angeordnet, wel cher eine Magnetspule 12, einen Innenpol 14 und einen Außenpol 13 umfasst.
Weiterhin ist in dem Innenraum 3 eine hubbewegliche Magnetankervorrichtung 25 angeordnet. Die Magnetankervorrichtung 25 umfasst einen Magnetanker 8 und ein Verbindungselement 9, welches in einer Ausnehmung 22 des Magnetan kers 8 aufgenommen und somit fest mit dem Magnetanker 8 verbunden ist, bei spielsweise durch eine Schweißnaht oder durch Verpressung. Der Magnetanker 8 ist als Tauchanker ausgebildet und in dem Innenpol 14 aufgenommen. Der In nenpol 14 weist eine Ausnehmung 21 mit einer Ausnehmungskante 24 auf, in der der Magnetanker 8 bei seiner Hubbewegung eintaucht.
An dem Innenpol 14 sind in einer Ausnehmung 34 erste Lagerbüchsen 60 ange ordnet, in welchen das Verbindungselement 9 an einem ersten Führungsab schnitt 6 des Innenpols 14 aufgenommen und geführt ist. Weiterhin sind an dem Ventilgehäuse 2 zweite Lagerbüchsen 70 angeordnet, in welchen ein kolbenför miger Abschnitt 23 des Verbindungselements 9 in einem zweiten Führungsab schnitt 7 aufgenommen und geführt ist. Der kolbenförmige Abschnitt 23 des Ver bindungselements 9 ist dabei aus einem Material mit hoher mechanischer Festig keit hergestellt.
Weiterhin umfasst das Dosierventil 1 eine Düse 15, welche einen topfförmigen Bereich 151 mit einem Topfgrund 1510 und einen Zapfen 152 aufweist. Das Ven tilgehäuse 2 ist mit einem dem Elektromagneten 26 abgewandten zapfenförmi gen Ende 38 in dem topfförmigen Bereich 151 der Düse 15 aufgenommen, wobei das Ventilgehäuse 2 mit einer Fläche 381 an einer Gegenfläche 153 der Düse 15 anliegt. Zwischen dem zapfenförmigen Ende 38 des Ventilgehäuses 2 und der Düse 15 ist ein Einstellelement 36 angeordnet. Weiterhin sind an einer Außen seite 90 der Düse 15 Dichtelemente 54 und an dem Ventilgehäuse 2 Dichtele mente 53 angeordnet.
Das Verbindungselement 9 ist an einem Ende mit einem Schließelement 10 fest verbunden. Das Schließelement 10 weist an seinem dem Verbindungselement 9 abgewandten Ende ein elastisches Dichtelement 11 auf. Das elastische Dichtele ment 11 wirkt mit einem an dem Topfgrund 1510 der Düse 15 ausgebildeten Ventilsitz 19 zusammen, so dass beim Aufliegen des elastischen Dichtelements 11 auf dem Ventilsitz 19 ein in der Düse 15 ausgebildeter Durchlasskanal 18 ge schlossen ist. Der Ventilsitz 19 ist hier als Flachsitz ausgebildet.
In dem Innenpol 14 ist ein Federraum 30 ausgebildet, welcher einen Teil des In nenraums 3 bildet. In dem Federraum 30 ist eine Schließfeder 4 angeordnet, wel che sich zwischen dem Innenpol 14 und einem tellerförmigen Ende 5 des Verbin dungselements 9 abstützt. Die Schließfeder 4 beaufschlagt die Magnetankervor richtung 25 mit einer Kraft in Richtung des Ventilsitzes 19.
Weiterhin umfasst der Innenraum 3 einen Magnetankerraum 300, in dem der Magnetanker 8 angeordnet ist. Der Magnetankerraum 300 ist über einen Verbin dungskanal 16 mit dem Federraum 30 verbunden. An seinem dem Schließele ment 10 zugewandten Ende grenzt der Magnetanker 8 an einen Zuströmbereich 28 an, welcher über einen bezüglich einer Längsachse 40 des Dosierventils 1 ra dial angeordneten und in dem Ventilgehäuse 2 ausgebildeten Zulaufkanal 17 mit gasförmigem Medium, beispielsweise Wasserstoff, befüllbar ist.
Das Ventilgehäuse 2 und der Innenpol 14 sind über eine magnetische Drossel stelle 20 magnetisch und mechanisch miteinander verbunden. Vorteilhafterweise können sie einteilig ausgebildet sein. Die magnetische Drosselstelle 20 umfasst einen dünnwandigen zylindrischen Steg 201 und einen konusförmigen Bereich 202, wodurch in dem Magnetankerraum 300 eine Ringnut 301 ausgebildet ist.
Funktionsweise des Dosierventils 1
Bei nicht bestromter Magnetspule 12 wird das Schließelement 10 über die Schließfeder 4 an den Ventilsitz 19 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Zuströmbereich 28 und dem Durchlasskanal 18 unterbrochen ist und kein Gasdurchfluss erfolgt.
Wird die Magnetspule 12 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Mag netanker 8 erzeugt, welcher der Schließkraft der Schließfeder 4 entgegengerich tet ist. Diese magnetische Kraft wird über das Verbindungselement 9 auf das Schließelement 10 übertragen, so dass die Schließkraft der Schließfeder 4 über kompensiert wird und das Schließelement 10 mit dem elastischen Dichtelement 11 vom Ventilsitz 19 abhebt. Ein Gasdurchfluss durch das Dosierventil 1 ist frei gegeben.
Der Hub des Schließelements 10 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 12 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnet spule 12, desto größer ist der Hub des Schließelements 10 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss im Dosierventil 1, da die Kraft der Schließfeder 4 hubab hängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 12 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 10 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt.
Wird der Strom an der Magnetspule 12 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 8 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 10 mittels des Verbindungselements 9 reduziert wird. Das Schließelement 10 be wegt sich in Richtung des Durchlasskanals 18 und dichtet mit dem elastischen Dichtelement 11 an dem Ventilsitz 19 ab. Der Gasdurchfluss im Dosierventil 1 ist unterbrochen.
Das erfindungsgemäße Dosierventil 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzel lenanordnung Verwendung finden. Mittels des Dosierventils 1 kann einem Ano denbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden.
Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 12 des Dosierventils 1 , durch welche der Hub des Schließelements 10 betätigt wird, wird damit ein Strömungs- querschnitt an dem Durchlasskanal 18 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt.
Das Dosierventil 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 des Durchlass- kanals 18 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter er- folgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folge- schäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden.
Fig.2 zeigt eine Strahlpumpeneinheit 46 mit dem erfindungsgemäßen Dosierven til 1 im Längsschnitt. Die Strahlpumpeneinheit 46 weist ein Strahlpumpenge häuse 41 auf, das das Ventilgehäuse 2 des Dosierventils 1 und ein Pumpenge häuse 49 umfasst. Die Strahlpumpeneinheit 46 weist eine Längsachse 40‘ auf, welche identisch mit der Längsachse 40 des Dosierventils 1 ist.
In dem Pumpengehäuse 49 sind axial zu der Längsachse 40‘ eine teilweise stu fenförmig und teilweise konisch ausgebildete Durchgangsbohrung 42 und radial zu der Längsachse 40‘ ein Ansaugkanal 43 und der Zulaufkanal 17 des Dosier ventils 1 ausgebildet. In der Durchgangsbohrung 42 sind ein Ansaugbereich 44, ein Mischrohrbereich 52 und ein Ablaufbereich 45 ausgebildet. Das Dosierventil 1 ist koaxial in dem Pumpengehäuse 49 abschnittsweise aufgenommen. Dabei ist das Ventilgehäuse 2 mit einer Stufe 37 an dem Pumpengehäuse 49 angeord net und ist mit diesem über ein Schraubenelement 35 fest verbunden. Durch die Dichtelemente 53 des Ventilgehäuses 2 und die Dichtelemente 54 der Düse 15 sind das Ventilgehäuse 2 und das Pumpengehäuse 49 gegeneinander abgedich tet.
Weiterhin liegt die Düse 15 des Dosierventils 1 an einer an dem Pumpengehäuse 49 ausgebildeten Stufe 39 auf und ist in einer Öffnung 55 des Pumpengehäuses 49 aufgenommen. Durch die Dichtelemente 54 an der Düse 15 ist diese gegen die erste Stufe 39 des Pumpengehäuses 49 abgedichtet, so dass ein Spalt 56 zwischen der Düse 15 und dem Pumpengehäuse 49 abgedichtet ist und kein gasförmiges Medium über diesen Spalt 56 in Richtung des Ansaugbereichs 44 gelangen kann. Gasförmiges Medium aus dem Zulaufkanal 17 gelangt so nur über den Durchlasskanal 18 in Richtung des Ansaugbereichs 44.
Des Weiteren weist das Pumpengehäuse 49 eine Stufe 57 auf, durch welche die Düse 15 radial in dem Pumpengehäuse 49 zentriert und so koaxial in dem Pum pengehäuse 49 vor dem Mischrohrbereich 52 angeordnet ist. So können die La getoleranzen des Dosierventils 1, vor allem der Düse 15, gegenüber dem Pum pengehäuse 49 im Zusammenspiel mit der Stufe 39 minimiert werden.
An dem dem Dosierventil 1 abgewandten Endbereich des Pumpengehäuses 49 ist radial zu der Längsachse 40‘ in dem Pumpengehäuse 49 ein Ablaufkanal 48 ausgebildet, wobei die Durchgangsbohrung 42 an dem dem Dosierventil 1 abge wandten Endbereich des Pumpengehäuses 49 mit einem Deckel 50 abgedichtet ist.
Funktionsweise der Strahlpumpeneinheit 46
Bei geöffnetem oder teilgeöffnetem Ventilsitz 19 des Dosierventils 1 strömt über den Ventilsitz 19 aus dem Zufuhrkanal 17 des Dosierventils 1 gasförmiges Me dium, hier Wasserstoff, aus dem Tank in den Durchlasskanal 18 in der Düse 15. Dieser Wasserstoff trifft nach Austritt aus der Düse 15 und Eintritt in die Durch gangsbohrung 42 in dem Ansaugbereich 44 auf gasförmiges Medium, welches der Brennstoffzelle bereits zugeführt, jedoch nicht verbraucht wurde, und über den Ansaugkanal 43 zurück in die Strahlpumpeneinheit 46 geführt wurde. Das zurückgeführte gasförmige Medium umfasst hauptsächlich Wasserstoff, aber auch Wasserdampf und Stickstoff. In dem Mischrohrbereich 52 wird durch Im pulsaustausch der gasförmigen Medien ein Massenstrom aus dem Ansaugbe reich 44 angesaugt und in Richtung Ablaufbereich 45 und somit in Richtung dem Anodenbereich der Brennstoffzelle gefördert. Je nach Geometrie der Durch- gangsbohrung 42 und dem Einsetzwinkel des Dosierventils 1 und damit der Düse
15 kann eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgen.

Claims

Ansprüche
1. Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), wobei in dem Ventilgehäuse (2) ein Innenraum (3) ausgebildet ist, mit einem darin angeordneten entlang ei ner Längsachse (40) des Dosierventils (1) bewegbaren Schließelement (10), das zum Öffnen oder Schließen eines Öffnungsquerschnitts von einem Zu- strömbereich (28) in einen Durchlasskanal (18) mit einem Ventilsitz (19) zu sammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (1) eine Düse (15) aufweist, in welcher der Durchlasskanal (18) ausgebildet ist und an einer Außenseite (90) der Düse (15) mindestens ein Dichtelement (54) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Dichtelement (54) dazu ausgebil det ist, einen Spalt (56) in einer die Düse (15) aufnehmenden Öffnung (55) abzudichten.
2. Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (15) einen topfförmigen Bereich (151) umfasst, wobei das mindestens eine Dichtelement (54) in dem topfför migen Bereich (151) angeordnet ist und wobei der topfförmige Bereich (151) einen Topfgrund (1510) aufweist, an welchem Topfgrund (1510) der Ventil sitz (19) ausgebildet ist.
3. Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (2) ein zapfenförmiges Ende (38) aufweist, mit welchem das Ventilgehäuse (2) in dem topfförmigen Bereich (151) der Düse (15) aufgenommen ist, wobei das zapfenförmige Ende (38) in dem Zuströmbereich (28) eine Fläche (381) aufweist, welche an einer an der Düse (15) ausgebildeten Gegenfläche (153) anliegt.
4. Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ventilgehäuse (2) und der Düse (15) ein Einstellelement (36) angeordnet ist.
5. Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (19) als Flachsitz ausgebildet und zwischen dem Ventilsitz (19) und dem Schließelement (10) ein elastisches Dichtelement (11) angeordnet ist.
6. Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (1) einen Elektromagneten (26) mit einem Innenpol (14) umfasst, wobei der Innenpol (14) und das Ventilgehäuse (2) über eine magnetische Drossel stelle (20) miteinander wirkverbunden sind.
7. Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (10) mit einer Magnetan kervorrichtung (25) wirkverbunden ist, wobei der Innenpol (14) einen ersten Führungsabschnitt (6) und einen zweiten Führungsabschnitt (7) aufweist und wobei an dem zweiten Führungsabschnitt (7) zweite Lagerbüchsen (6) ange ordnet sind, an welchen zweiten Lagerbüchsen (6) die Magnetankervorrich tung (25) mit einem kolbenförmigen Abschnitt (23) geführt ist.
8. Dosierventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kolbenförmige Abschnitt (23) aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt ist.
9. Strahlpumpeneinheit (46), umfassend ein Dosierventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Strahlpumpengehäuse (41), wobei das Strahlpumpengehäuse (41) das Ventilgehäuse (2) des Dosierventils (1) und ein Pumpengehäuse (49) umfasst, einem Mischrohrbereich (52), einem Ansaugkanal (43) und einem Ablaufbereich (45), wobei eine Längsachse (40‘) der Strahlpumpeneinheit identisch mit der Längsachse (40) des Dosier ventils (1) ist.
10. Strahlpumpeneinheit (46) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (49) eine zumindest abschnittsweise stufenförmig aus gebildete Durchgangsbohrung (42) aufweist, wobei an einer an dem Pum pengehäuse (49) ausgebildeten ersten Stufe (39) die Düse (15) des Dosier ventils (1) koaxial in der Strahlpumpeneinheit (46) vor dem Mischrohrbereich (52) angeordnet und in einer Öffnung (55) des Pumpengehäuses (49) aufge nommen ist, wobei das mindestens eine Dichtelement (54) einen Spalt (56) zwischen der Düse (15) und dem Pumpengehäuse (49) abdichtet.
11. Strahlpumpeneinheit (46) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsbohrung (42) zumindest abschnittsweise konisch ausgebildet ist, wobei ein Ablaufkanal (48) der Strahlpumpeneinheit (46) radial zu der Längsachse (40‘) der Strahlpumpeneinheit (46) in dem Pumpengehäuse (49) im konischen Bereich der Durchgangsbohrung (42) ausgebildet ist.
12. Strahlpumpeneinheit (46) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, dass der Zulaufkanal (17) des Dosierventils (1) radial zu der Längsachse (40) der Strahlpumpeneinheit (46) zumindest teilweise in dem Pumpengehäuse (49) ausgebildet ist, wobei das Ventilgehäuse (2) mit einer Stufe (37) an dem Pumpengehäuse (49) angeordnet und mit diesem fest verbunden ist, vorzugsweise mittels eines Schraubenelements (35).
13. Strahlpumpeneinheit (46) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, dass der Zuströmbereich (28) des Dosierventils (1) in der Durchgangsbohrung (42) angeordnet ist.
14. Brennstoffzellenanordnung mit einer Strahlpumpeneinheit (46) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 9 bis 13.
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