Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
GAS VALVE HAVING INCREASED MAGNETIC FORCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024507
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a gas valve for supplying a gaseous medium, comprising a closing element (2) for exposing and closing at least one outlet opening (3), an armature (4) connected to the closing element (2), a magnetic core (5), a magnetic coil (6), and a magnetic return element (7), wherein the armature (4) has an armature end face (40) directed in the direction of the center axis (X-X), which is completely covered by the magnetic core (5) in the direction of the center axis (X-X).

Inventors:
WESSNER, Jochen (Katharinenstr. 63, Esslingen, 73728, DE)
Application Number:
EP2017/068456
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
July 21, 2017
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
ROBERT BOSCH GMBH (Postfach 30 02 20, Stuttgart, 70442, DE)
International Classes:
F02M21/02; F16K1/12; G05D16/00
Foreign References:
DE102010043621A12012-05-10
US20110048381A12011-03-03
US20050178991A12005-08-18
US20130062442A12013-03-14
US20030110780A12003-06-19
Other References:
None
Download PDF:
Claims:
Ansprüche

1 . Gasventil zum Zuführen eines gasförmigen Mediums, umfassend:

- ein Schließelement (2) zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Durchlassöffnung (3),

- ein mit dem Schließelement (2) verbundener Anker (4),

- einen Magnetkern (5),

- eine Magnetspule (6), und

- ein magnetisches Rückschlusselement (7),

- wobei der Anker (4) eine zum Magnetkern (5) in Richtung der

Mittelachse (X-X) gerichtete Ankerstirnfläche (40) aufweist, welche in Richtung der Mittelachse (X-X) vom Magnetkern (5) vollständig überdeckt ist.

2. Gasventil nach Anspruch 1 , wobei die Ankerstirnfläche (40) sich

verjüngend ausgebildet ist, insbesondere sich konisch verjüngend ausgebildet ist.

3. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die

geometrische Form einer zum Anker (4) gerichteten Magnetkern- Stirnfläche (50) komplementär zu der geometrischen Form der

Ankerstirnfläche (40) ist.

4. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der

Magnetkern (5) zusätzlich zu einer Axialüberdeckung in Richtung der Mittelachse (X-X) auch eine Radialüberdeckung des Ankers (4) aufweist.

5. Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der

Magnetkern (5) einen sich in Richtung der Mittelachse (X-X) erstreckenden Zylinderfortsatz (51 ) umfasst.

6. Gasventil nach Anspruch 5, wobei im geschlossenen Zustand des

Gasventils eine Ebene (E1 ), welche senkrecht zur Mittelachse (X-X) ist, durch eine Kante (41 ) an einem Übergang zwischen der Ankerstirnfläche (40) und einer Ankermantelfläche (42) verläuft und wobei in der Ebene (E1 ) eine Endfläche (53) des Magnetkerns, insbesondere des Zylinderfortsatzes (51 ), liegt.

Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anker (4) an einem von der Durchlassöffnung (3) abgewandten Endbereich einen ersten Durchmesser D1 aufweist, welcher größer ist als ein zweiter Durchmesser (D2) an restlichen Bereichen des Ankers.

Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das

Schließelement (2) einen langgestreckten Nadelbereich (20) aufweist, an welchem der Anker (4) fixiert ist, wobei in Richtung der Mittelachse (X-X) zwischen einem ersten Lager (1 1 ) zur Lagerung des Schließelements (2) und dem Anker (4) ein Teilbereich (52) des Magnetkerns angeordnet ist.

Gasventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Luftspalt (9) zwischen dem Anker (4) und dem Magnetkern (5) durch eine

konusförmige Ankerstirnfläche (40) und eine konusförmige Magnetkern- Stirnfläche (50) definiert ist.

Gasventil nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei eine Trennhülse (8) zur Trennung eines magnetischen Flusses am Zylinderfortsatz (51 ) des Magnetkerns (5) fixiert ist.

Brennstoffzellenanordnung umfassend ein Gasventil (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:
Beschreibung Titel

Gasventil mit erhöhter Magnetkraft Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasventil zum Einblasen eines gasförmigen Kraftstoffs, insbesondere Wasserstoff, mit einer erhöhten Magnetkraft, um einen Öffnungsvorgang und eine Auslegung zu erleichtern. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Gasventil mit erhöhter Öffnungskraft.

Gasventile sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen

Ausgestaltungen bekannt. Insbesondere im Kraftfahrzeugbereich werden in jüngster Zeit verstärkt neben flüssigen Kraftstoffen auch gasförmige Kraftstoffe, wie z. B. Erdgas oder Wasserstoff verwendet. Bei der Auslegung derartiger Gasventile sind jedoch die für gasförmige Medien unterschiedlichen

Anforderungsprofile zu beachten. Da üblicherweise die gasförmigen Medien unter hohem Druck stehen, müssen insbesondere größere Öffnungskräfte bereitgestellt werden. Aufgrund der engen Bauraumverhältnisse in den

Brennkraftmaschinen ist eine weitere Anforderung hierbei jedoch, dass der Bauraum derartiger Gasventile möglichst klein ist.

Offenbarung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Gasventil zum Zuführen eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei gleicher Baugröße eine vergrößerte Magnetkraft und somit auch eine vergrößerte Öffnungskraft zum Öffnen eines Schließelements möglich ist. Das

Schließelement ist dabei zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Durchlassöffnung vorgesehen. Hierdurch kann auch eine deutlich verbesserte Systemauslegung des Gasventils im Hinblick auf das gasförmige Medium erreicht werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das

Schließelement mit einem Anker verbunden ist. Das Gasventil umfasst ferner einen Magnetkern, eine Magnetspule und ein magnetisches

Rückschlusselement. Somit ist das Gasventil ein elektromagnetisch

ansteuerbares Gasventil. Hierbei ist eine zum Magnetkern gerichtete

Ankerstirnfläche in Richtung der Mittelachse am Anker vorgesehen, welche in Richtung der Mittelachse vom Magnetkern vollständig überdeckt ist. Mit anderen Worten ist bei einer Draufsicht von oben auf das Gasventil die Ankerstirnfläche vollständig vom Magnetkern überdeckt. Durch diese Maßnahme kann

erfindungsgemäß eine Vergrößerung der Polfläche des Magnetkerns erreicht werden, wodurch stärkere Magnetkräfte erhalten werden.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. Vorzugsweise ist die Ankerstirnfläche sich verjüngend ausgebildet, insbesondere sich konisch verjüngend, zur Mittelachse. Hierdurch kann eine besonders kostengünstige Herstellbarkeit des Ankers sichergestellt werden.

Weiter bevorzugt ist eine geometrische Form der zum Anker gerichteten

Magnetkernstirnfläche komplementär zu einer geometrischen Form der

Ankerstirnfläche. D. h. wenn beispielsweise die Ankerstirnfläche konisch ausgebildet ist, ist auch die Magnetkernstirnfläche, welche zum Anker gerichtet ist, konisch mit gleicher Steigung ausgebildet. Um eine noch größere Magnetkraft bereitstellen zu können, weist der

Magnetkern vorzugsweise zusätzlich zur Axialüberdeckung in Richtung der Mittelachse auch eine Radialüberdeckung senkrecht zur Mittelachse eines Teilbereichs des Ankers auf. Dies wird besonders bevorzugt dadurch realisiert, dass der Magnetkern einen sich in Richtung der Mittelachse erstreckenden Zylinderfortsatz aufweist. Der Zylinderfortsatz ist somit ringförmig gebildet und umschließt radial einen Teilbereich des Ankers.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist im geschlossenen Zustand des Gasventils eine Ebene vorgesehen, welche senkrecht zur Mittelachse des Gasventils ist und welche durch eine Kante an einem Übergang von der Ankerstirnfläche des Ankers zu einer

Ankermantelfläche verläuft und wobei in der Ebene eine Endfläche des Magnetkerns liegt. Besonders bevorzugt ist die in Richtung der Mittelachse liegende Endfläche des Magnetkerns ein freiliegendes Ende des

Zylinderfortsatzes des Magnetkerns.

Eine weitere Steigerung der Magnetkraft ist möglich, wenn vorzugsweise der Anker an dem von der Durchlassöffnung abgewandten Endbereich einen größeren Durchmesser aufweist als an allen anderen restlichen Bereichen des Ankers. Somit ist die breiteste Stelle des Ankers an dem von der

Durchlassöffnung abgewandten Endbereich in Richtung zum Magnetkern vorgesehen.

Weiter bevorzugt umfasst das Schließelement einen langgestreckten

Nadelbereich, wobei in Richtung der Mittelachse des Gasventils zwischen einem ersten Lager zur Lagerung des Schließelements und dem Anker ein Teilbereich des Magnetkerns angeordnet ist. Der Anker ist dabei am Nadelbereich fixiert. Der Teilbereich des Magnetkerns reicht dabei bis zum Nadelbereich des

Schließelements, um bei einer Projektion in Richtung der Mittelachse eine höchste Überdeckung zwischen dem Magnetkern und dem Anker zu erreichen. Der Nadelbereich ist durch den Magnetkern geführt, wobei ein minimaler Radialspalt zwischen dem Nadelbereich und dem Magnetkern vorhanden ist, um die Beweglichkeit des Nadelbereichs aufrechtzuerhalten.

Weiter bevorzugt ist ein Luftspalt zwischen dem Anker und dem Magnetkern durch eine erste Konusfläche am Anker und eine zweite Konusfläche am

Magnetkern definiert. Somit weist der Luftspalt eine kegelförmige Gestalt auf.

Für einen besonders kompakten Aufbau ist weiter bevorzugt eine Trennhülse zur Trennung des magnetischen Flusses am Zylinderfortsatz des Magnetkerns angeordnet.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung umfassend ein erfindungsgemäßes Gasventil. Das Gasventil ist dabei besonders bevorzugt eingerichtet, Wasserstoff zuzuführen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Gasventils gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht des Gasventils von Figur 1 und

Figur 3 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Gasventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Gasventil 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Das Gasventil 1 ist eingerichtet, um ein gasförmiges Medium, insbesondere Wasserstoff, zu einer Brennstoffzelle zuzuführen.

Das Gasventil 1 wird elektromagnetisch betätigt und weist einen

elektromagnetischen Aktor auf, welcher ein Schließelement 2 betätigt, um Durchlassöffnungen 3 an einem Ventilsitz 22 freizugeben und zu verschließen. Figur 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Gasventils.

Der elektromagnetische Aktor umfasst einen Anker 4, einen Magnetkern 5, ein magnetisches Rückschlusselement 7 und eine Magnetspule 6. Ferner ist eine Trennhülse 8 vorgesehen, um eine magnetische Trennung zwischen dem Anker 4 und dem Rückschlusselement 7 bereitzustellen. Das Rückschlusselement 7 ist aus mehreren Teilen zusammengesetzt, um eine einfache Montierbarkeit sicherzustellen.

Das Schließelement 2 umfasst eine langgestreckte Ventilnadel 20, an dessen zu den Durchlassöffnungen 3 gerichteten Endbereich ein Ventilschließkörper 21 angeordnet ist. Der Ventilschließkörper 21 dichtet am Ventilsitz 22 ab. Das gasförmige Medium wird dabei durch das Gasventil 1 selbst hindurchgeführt.

Zwischen dem Anker 4 und dem Magnetkern 5 ist ein Luftspalt 9 vorgesehen.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist der Anker 4 an einem von den

Durchlassöffnungen 3 abgewandten Ende eine Ankerstirnfläche 40 auf, welche konisch vorgesehen ist. Ferner weist der von den Durchlassöffnungen 3 abgewandte Bereich des Ankers einen ersten Durchmesser D1 auf, welcher größer ist als ein restlicher zweiter Durchmesser D2 des Ankers 4. Hierdurch kann eine Fläche des Ankers 4 am magnetkernseitigen Ende des Ankers vergrößert werden.

Der Magnetkern 5 weist eine Magnetkern-Stirnfläche 50 auf, welche ebenfalls konisch ausgebildet ist. Dabei ist die Magnetkern-Stirnfläche 50 komplementär zur Ankerstirnfläche 40 ausgebildet, so dass die beiden Flächen parallel zueinander verlaufen. Somit ergibt sich ein Luftspalt 9 zwischen dem Magnetkern 5 und dem Anker 4, welcher eine kegelförmige Form aufweist, die durch die Ankerstirnfläche 40 und die Magnetkern-Stirnfläche 50 begrenzt sind.

Wie insbesondere aus Figur 2 ersichtlich ist, umfasst der Magnetkern 5 an einem radial äußeren Bereich einen Zylinderfortsatz 51. Der Zylinderfortsatz 51 ist einstückig am Magnetkern 5 vorgesehen. An einer radialen Außenseite des Zylinderfortsatzes 51 ist die Trennhülse 8 angeordnet. Die Trennhülse 8 kann mittels einer leichten Presspassung auf den Zylinderfortsatz 51 aufgeschoben sein und beispielsweise mittels einer Schweißnaht am Magnetkern 5 fixiert werden.

Durch den Zylinderfortsatz 51 am Magnetkern 5 kann eine Optimierung eines Kraftverlaufs unmittelbar vor einem Anzugsvorgang des Ankers 4 ermöglicht werden.

Eine Endfläche 53 des Zylinderfortsatzes 51 liegt in geschlossenem Zustand des Gasventils in einer Ebene E1 , welche senkrecht zur Mittelachse X-X des Gasventils 1 ausgerichtet ist. Ferner liegt auch eine Kante 41 , welche am Übergang zwischen der Ankerstirnfläche 40 und einer Ankermantelfläche 42 vorgesehen ist in der Ebene E1. Somit liegen die Kante 41 und das freie Ende des Zylinderfortsatzes 51 gemeinsam in der Ebene E1.

Das Schließelement 2 ist an einem ersten Lager 1 1 und einem zweiten Lager 12 gelagert. Der Magnetkern 5 weist einen Teilbereich 52 auf, welcher in Richtung der Mittelachse X-X zwischen dem ersten Lager 1 1 und dem Anker 4 angeordnet ist. Das zweite Lager 12 ist am magnetischen Rückschlusselement 7

vorgesehen. Das erste Lager 1 1 und das zweite Lager 12 lagern dabei jeweils die Ventilnadel 20.

Ein Rückstellelement 10 ist mit dem Schließelement 2 verbunden und dient zum Schließen des Gasventils bzw. zum Halten des Gasventils in der in Figur 1 gezeigten geschlossenen Stellung.

Zwischen dem Teilbereich 52 des Magnetkerns 5 und der Ventilnadel 20 ist ein minimaler Spalt vorgesehen, um eine Bewegungsfähigkeit der Ventilnadel 20 sicherzustellen.

Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist, ist somit der Anker 4 an dem zum Magnetkern 5 gerichteten Ende derart ausgebildet, dass eine Projektion in Richtung der Mittelachse X-X des Magnetkerns 5 den Anker 4 vollständig überdeckt. Hierdurch wird sichergestellt, dass sehr hohe Magnetkräfte vorhanden sind, welche zum Öffnen des Schließelements 2 verwendet werden können. Dabei muss eine äußere Abmessung des Gasventils nicht vergrößert werden. Somit kann erfindungsgemäß ein Gasventil 1 bereitgestellt werden, welches im Vergleich mit dem Stand der Technik bei gleichen Außenabmessungen eine größere

Magnetkraft bereitstellen kann. Hierdurch ergibt sich ein größerer Spielraum bei einer optimalen Auslegung des Gasventils für das jeweils zu steuernde gasförmige Medium.

Figur 3 zeigt ein Gasventil 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Gasventil 1 des zweiten Ausführungsbeispiels ist im

Wesentlichen gleich wie das des ersten Ausführungsbeispiels aufgebaut. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten

Ausführungsbeispiel der Zylinderfortsatz 51 unterschiedlich ausgebildet. Wie in Figur 3 dargestellt, ist eine Endfläche 53 des Zylinderfortsatzes 51 , welche in der Ebene E1 liegt, derart vorgesehen, dass im geschlossenen Zustand des Gasventils die Kante 41 am Anker 4 zwischen der Ankerstirnfläche 40 und der Ankermantelfläche 42 nicht mehr in der Ebene E1 liegt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Zylinderfortsatz 51 des Magnetkerns 5 in Richtung der Mittelachse X-X beim zweiten Ausführungsbeispiel länger ausgebildet ist als beim ersten Ausführungsbeispiel. Eine Länge des Zylinderfortsatzes 51 ist dabei derart gewählt, dass im geschlossenen Zustand des Gasventils 1 , der in Fig. 3 gezeigt ist, die Ebene E1 bis maximal zur Hälfte einer Höhe H1 des Ankers 4 am Ankerbereich mit dem ersten größeren Durchmesser D1 liegt. In diesem

Ausführungsbeispiel liegt die Ebene E1 , in welcher die Endfläche 53 des Zylinderfortsatzes 51 liegt, genau auf der Hälfte der Höhe H 1. Es sei jedoch angemerkt, dass der Zylinderfortsatz 51 auch derart ausgebildet sein kann, dass die Ebene E1 näher an der Kante 41 des Ankers 4 liegt, beispielsweise bei einem Drittel der Höhe H1 oder einem Viertel der Höhe H1. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, sodass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.