Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Magnetaktorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , einen Magnetaktor nach dem Anspruch 17 und Verfahren nach den Ansprüchen 18 und 19.

Aus der DE 102 35 644 B4 ist bereits eine Magnetaktorvorrichtung, mit zumindest einem monolithischen Magnetkern und mit zumindest einem Kernrohr, welches entlang seiner Axialrichtung zumindest im Wesentlichen magnetisch getrennt ist, vorgeschlagen worden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich einer Eignung für Wasserstoffgasanwendungen bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 , 17, 18 und 19 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Magnetaktorvorrichtung, insbesondere einer wasserstoffgasdichten Magnetaktorvorrichtung, mit zumindest einem, insbesondere monolithischen, Magnetkern und mit zumindest einem Kernrohr, welches entlang seiner Axialrichtung zumindest im Wesentlichen magnetisch getrennt ist. Es wird vorgeschlagen, dass zu einem Erreichen einer Wasserstoffgasdichtigkeit, insbesondere einer Leckrate von weniger als 10 ^-4 mbar l/s, vorzugsweise von weniger als 10 ^-5 mbar l/s und bevorzugt von weniger als 10 ^-6 mbar l/s, der Magnetkern in der Axialrichtung zumindest einseitig vollständig geschlossen ausgebildet ist und das Kernrohr monolithisch mit dem Magnetkern ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine gute Eignung für Wasserstoffgasanwendungen, beispielsweise im Bereich von Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren, erreicht werden. Vorteilhaft kann eine hohe Dichtigkeit erreicht werden, wodurch insbesondere ein Austreten von Wasserstoff aus einem Inneren des Kernrohrs verhindert werden kann. Vorteilhaft können Leckagen, insbesondere auch für die kleinsten bekannten Gasmoleküle - H2-Moleküle - vermieden werden. Vorteilhaft kann vollständig auf Dichtstellen, wie beispielsweise Lötstellen oder Schweißstellen, verzichtet werden. Vorteilhaft kann ein Risiko für eine Undichtigkeit durch Lunker oder dergleichen gering gehalten werden. Insbesondere kann vorteilhaft eine hohe Dichtigkeit, auch für H2-Moleküle, erreicht werden, ohne die Funktionsfähigkeit oder die Funktionsparameter der Magnetaktorvorrichtung dabei wesentlich zu beeinträchtigen. Insbesondere weist die wasserstoffgasdichte Magnetaktorvorrichtung eine Leckrate von weniger als 10 ^-4 mbar l/s, vorzugsweise von weniger als 10 ^-5 mbar l/s und bevorzugt von weniger als 10 ^-6 mbar l/s auf. Unter einer „Magnetaktorvorrichtung“ soll insbesondere ein, insbesondere funktionstüchtiger, Bestandteil, insbesondere eine Konstruktions- und/oder Funktionskomponente, eines Magnetaktors verstanden werden. Unter einem „Magnetaktor“ soll insbesondere ein, vorzugsweise auf dem Reluktanzprinzip beruhender, Aktor verstanden werden, welcher mechanische Arbeit durch translatorische Bewegungen verrichtet, wie beispielsweise ein Magnetventil oder ein magnetischer Schalter. Insbesondere soll unter dem Magnetaktor in diesem Zusammenhang eine Vorrichtung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine elektrische Leistung mittels eines Magnetfelds in eine mechanische Leistung umzuwandeln. Unter einem „Kernrohr“ soll insbesondere ein aus einem magnetflussleitenden (magnetflussbündelnden), insbesondere (weich-)magnetischen, vorzugsweise ferromagnetischen, Material ausgebildetes Bauteil eines Magnetaktors verstanden werden, welches vorzugsweise zumindest zu einem Großteil den Magnetkern des Magnetaktors ausbildet und/oder welches zumindest teilweise, vorzugsweise zumindest zu einem Großteil, in einem Spuleninneren einer Magnetspule des Magnetaktors angeordnet ist. Insbesondere ist das magnetische Material als ein Magnetwerkstoff ausgebildet. Insbesondere ist das Kernrohr zumindest zu einem Großteil aus einem magnetischen Stahl ausgebildet. Insbesondere bildet das Kernrohr zusammen mit zumindest einer Magnetspule des Magnetaktors eine Induktivität aus. Insbesondere ist das Kernrohr zumindest teilweise und/oder zumindest einseitig rohrförmig ausgebildet. Insbesondere ist das Kernrohr dazu vorgesehen, einen Magnetanker des Magnetaktors zumindest teilweise aufzunehmen. Insbesondere ist das Kernrohr dazu vorgesehen, einen Hubraum für den Magnetanker des Magnetaktors zumindest teilweise auszubilden. Insbesondere ist der Hubraum für den Magnetanker durch den rohrförmigen Teil des Kernrohrs gebildet. Insbesondere verläuft die Längsrichtung des Kernrohrs parallel zu einer Rohrachse, insbesondere einer Rotationssymmetrieachse, des rohrförmigen Teils des Kernrohrs. Insbesondere verläuft die Längsrichtung des Kernrohrs im in einem Magnetaktor montierten Zustand parallel zu einer Spulenachse der Magnetspule des Magnetaktors. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.

Unter einer „magnetischen Trennung“ des Kernrohrs soll insbesondere verstanden werden, dass zwei (aus demselben magnetischen Material ausgebildete) Teilbereiche des Kernrohrs derart voneinander getrennt sind, dass zumindest ein Großteil aller in einem ersten Teilbereich des Kernrohrs verlaufenden Magnetfeldlinien daran gehindert sind, direkt in den zweiten Teilbereich des Kernrohrs überzutreten. Unter einer „magnetischen Trennung“ des Kernrohrs soll insbesondere eine Unterbrechung der Magnetflussleitfähigkeit des Kernrohrs verstanden werden. Insbesondere ist die magnetische Trennung dazu vorgesehen, den Magnetfluss durch das Kernrohr entlang der Axialrichtung des Kernrohrs zu unterbrechen. Insbesondere ist die magnetische Trennung dazu vorgesehen, die Magnetfeldlinien des Magnetfelds der Magnetspule derart umzuleiten, dass die Magnetfeldlinien im Bereich der magnetischen Trennung aus dem Kernrohr herausgeleitet werden. Insbesondere ist die magnetische Trennung in einem Bereich des Kernrohrs angeordnet, welcher in dem montierten Zustand des Magnetaktors in dem Spuleninneren der Magnetspule angeordnet ist. Insbesondere ist die magnetische Trennung in einem Bereich des Kernrohrs angeordnet, welcher in dem montierten Zustand des Magnetaktors den Hubraum für den Magnetanker ausbildet. Insbesondere verläuft die Axialrichtung des Kernrohrs parallel zu einer Längsrichtung des Kernrohrs. Insbesondere verläuft die Axialrichtung des Kernrohrs parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung des Kernrohrs. Unter einer „Haupterstreckungsrichtung“ eines Objekts soll dabei insbesondere eine Richtung verstanden werden, welche parallel zu einer längsten Kante eines kleinsten geometrischen Quaders verläuft, welcher das Objekt gerade noch vollständig umschließt. Unter „vollständig geschlossen“ soll insbesondere frei von Perforierungen oder Durchbrüchen in Axialrichtung verstanden werden. Insbesondere ist der Magnetkern auf der geschlossenen Seite frei von den Magnetkern durchdringenden weiteren Elementen oder Bauteilen, wie z.B. Ventilstößel oder dergleichen. Insbesondere ist das gesamte Kernrohr monolithisch mit dem Magnetkern ausgebildet. Insbesondere ist das Kernrohr frei von separaten, z.B. stoffschlüssig mit dem Kernrohr verbundenen, Trennelementen, welche das Kernrohr in zwei oder mehr nicht miteinander verbundene Teile trennen würden. Unter der Wendung „monolithisch“ soll insbesondere auch einteilig (in einem Stück geformt oder aus einem einzelnen Rohling, einer Masse und/oder einem Guss geformt) verstanden werden. Überdies wird vorgeschlagen, dass die magnetische Trennung des monolithischen Kernrohrs zumindest teilweise durch eine Entmagnetisierung eines Materials der Kernrohrwand des Kernrohrs in einem Trennbereich des Kernrohrs, insbesondere erzeugt durch eine thermische Gefügeumwandlung des Materials der Kernrohrwand, z.B. mittels Induktion oder Laserglühen, verwirklicht ist. Dadurch kann vorteilhaft eine effiziente magnetische Trennung unter Beibehaltung einer hohen Gasdichtigkeit und unter Beibehaltung einer hohen Stabilität des Kernrohrs erreicht werden. Insbesondere kann das Kernrohr in diesem Fall im Trennbereich eine unveränderte Wanddicke, insbesondere eine zumindest im Wesentlichen identische Wanddicke wie außerhalb des Trennbereichs aufweisen.

Außerdem wird vorgeschlagen, dass das Material der monolithischen Kernrohrwand des Kernrohrs in dem Trennbereich des Kernrohrs ein magnetisch schlecht leitendes Gefüge, insbesondere Metallgefüge, z.B. ein martensitisches Gefüge, aufweist und dass das Material der monolithischen Kernrohrwand des Kernrohrs außerhalb des Trennbereichs des Kernrohrs ein magnetisch gut leitendes Gefüge, insbesondere Metallgefüge, z.B. ein ferritisches Gefüge, aufweist. Dadurch kann vorteilhaft eine effiziente magnetische Trennung unter Beibehaltung einer hohen Gasdichtigkeit und insbesondere auch unter Beibehaltung einer hohen Stabilität des Kernrohrs erreicht werden. Insbesondere ist das Kernrohr ursprünglich vollständig aus einem Material mit einem magnetisch gut leitenden Gefüge, insbesondere Metallgefüge, z.B. einem ferritischen Gefüge, hergestellt und im Anschluss an die Herstellung derart behandelt, dass das Material im Trennbereich eine Gefügeumwandlung zu dem magnetisch schlecht leitenden Gefüge, insbesondere Metallgefüge, z.B. martensitischen Gefüge, erfährt. Insbesondere erstreckt sich das Material mit dem magnetisch schlecht leitenden Gefüge in dem Trennbereich über eine gesamte Wandstärke des Kernrohrs.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die magnetische Trennung des Kernrohrs zumindest teilweise durch eine Verjüngung einer Wanddicke einer Kernrohrwand des Kernrohrs in einem Trennbereich des Kernrohrs verwirklicht ist. Dadurch kann vorteilhaft eine effiziente magnetische Trennung unter Beibehaltung einer hohen Gasdichtigkeit erreicht werden. Vorteilhaft kann eine Leckage durch Lunkern oder dergleichen, welche bei einem Schweißen oder Löten entstehen können, oder durch Oberflächenrauhigkeiten von Elastomerdichtungen oder dergleichen vermieden werden. Insbesondere ist die magnetische Trennung frei von Elastomeren, Schweißstellen oder Lötstellen. Insbesondere ist die Wanddicke der Kernrohrwand in dem Trennbereich derart verjüngt, dass die Magnetfeldlinien im Normalbetrieb des Magnetaktors automatisch vollständig oder zumindest nahezu vollständig aus dem Material des Kernrohrs herausgeführt werden. Unter einer „Verjüngung“ der Wanddicke soll insbesondere eine wesentliche Reduzierung der Wanddicke verstanden werden. Unter einer „Verjüngung“ soll insbesondere eine Verschmälerung / eine Verdünnerung der Kernrohrwand verstanden werden. Das Material in dem Trennbereich kann zusätzlich zu der Verjüngung auch die Gefügeumwandlung zu dem magnetisch schlecht leitenden, z.B. martensitischen, Gefüge, erfahren oder frei von einer Gefügeumwandlung sein (d.h. weiterhin das magnetisch gut leitende Gefüge, z.B. das Ferrit, aufweisen).

Wenn die Kernrohrwand in dem Trennbereich zumindest auf ein Drittel, vorzugsweise zumindest auf ein Viertel, bevorzugt zumindest auf ein Fünftel, einer mittleren Wanddicke der Kernrohrwand außerhalb des Trennbereichs verjüngt ist, kann vorteilhaft eine gute magnetische Trennung bei gleichzeitig hoher Gasdichtigkeit, insbesondere Wasserstoffgasdichtigkeit, erreicht werden. Insbesondere ist die Wanddicke der Kernrohrwand außerhalb des Trennbereichs und insbesondere entfernt von dem monolithischen Magnetkern zumindest im Wesentlichen konstant.

Wenn dabei die, insbesondere verjüngte, Wanddicke der Kernrohrwand in dem Trennbereich weniger als 0,5 mm, vorzugsweise weniger als 0,4 mm, vorteilhaft weniger als 0,3 mm, bevorzugt weniger 0,2 mm und besonders bevorzugt mehr als 0,1 mm beträgt, kann vorteilhaft eine gute magnetische Trennung bei gleichzeitig hoher Gasdichtigkeit, insbesondere Wasserstoffgasdichtigkeit, erreicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine ausreichende Stabilität des Kernrohrs, z.B. gegen Verbiegungen, gewährleistet werden.

Zudem wird vorgeschlagen, dass ein Außendurchmesser des Kernrohrs in dem, insbesondere verjüngten, Trennbereich, insbesondere relativ zu einem mittleren Außendurchmesser des Kernrohrs außerhalb des Trennbereichs, verringert ist und/oder dass ein Innendurchmesser des Kernrohrs in dem, insbesondere verjüngten, Trennbereich, insbesondere relativ zu einem mittleren Innendurchmesser des Kernrohrs außerhalb des Trennbereichs, vergrößert ist. Dadurch kann vorteilhaft eine einfache Konstruktion erreicht werden. Beispielsweise kann die Verjüngung in dem Trennbereich durch ein Eindrehen einer Nut auf dem Außenumfang des Kernrohrs und/oder auf einem Innenumfang des Kernrohrs erzeugt werden. Insbesondere ist die Verjüngung in dem Trennbereich gleichmäßig (als gleichmäßige Nut, d.h. z.B. als gleich tiefe und gleich breite Nut) und/oder rotationssymmetrisch ausgebildet. Insbesondere weist das Kernrohr an einer Außenwand eine umlaufende Nut auf, welche den Trennbereich bildet. Alternativ oder zusätzlich weist das Kernrohr an einer Innenwand eine umlaufende Nut auf, welche den Trennbereich bildet. Dabei weist ein Normalenvektor der Außenwand des Kernrohrs insbesondere in Radialrichtung des Kernrohrs. Dabei weist ein Normalenvektor der Innenwand des Kernrohrs insbesondere entgegen die Radialrichtung des Kernrohrs.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die verjüngte Wanddicke in dem Trennbereich zumindest über einen Großteil einer gesamten Axialerstreckung der Verjüngung zumindest im Wesentlichen konstant ist. Dadurch kann ein vorteilhafter Magnetfeldverlauf erreicht werden. Vorteilhaft kann eine präzise und/oder örtlich genaue magnetische Trennung erreicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine einfache Konstruktion erreicht werden. Unter einem Großteil soll insbesondere 51 %, vorzugsweise 66 %, bevorzugt 75 % und besonders bevorzugt 90 %, verstanden werden. Insbesondere ist eine Wandoberfläche des Kernrohrs zumindest in einem Großteil des Trennbereichs eben und/oder parallel zu der Axialrichtung des Kernrohrs verlaufend ausgebildet. Die Axialerstreckung ist als eine Erstreckung eines Objekts entlang der Axialrichtung eines Objekts ausgebildet.

Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass ein durch die Verjüngung in dem Trennbereich entstehender Raum, insbesondere eine durch die Verjüngung in dem Trennbereich entstehende Nut, frei von einer Materialfüllung, insbesondere frei von Lötmitteln oder dergleichen, ausgebildet ist. Dadurch kann vorteilhaft eine einfache Konstruktion erreicht werden.

Wenn die Verjüngung zumindest magnetkernseitig eine Magnetfeldleitkontur aufweist und/oder wenn die Verjüngung zumindest kernrohrseitig eine weitere Magnetfeldleitkontur aufweist, kann zudem ein besonders vorteilhafter Verlauf des Magnetfelds, insbesondere eine besonders gute magnetische Trennung des Kernrohrs erreicht werden. Insbesondere bildet die Magnetfeldleitkontur eine Konusgeometrie des Kernrohrs zu einer Beeinflussung und/oder zu einem Design einer Kraft-Weg-Kennlinie des das Kernrohr aufweisenden Magnetaktors aus. Vorteilhaft kann durch die Wahl der Gestalt der Magnetfeldleitkontur eine Kraft- Weg-Kennlinie des das Kernrohr aufweisenden Magnetaktors festgelegt werden. Insbesondere ist die Magnetfeldleitkontur an einer seitlichen Begrenzung der Verjüngung / der Nut angeordnet, welche die Verjüngung / die Nut zumindest im Wesentlichen in eine zu der Längsrichtung parallel verlaufende Richtung begrenzt. Die Magnetfeldleitkontur kann als eine Abfolge von Kanten, Winkeln und/oder Radien ausgebildet sein. Insbesondere umfasst die Magnetfeldleitkontur zumindest zwei unterschiedliche Radien. Insbesondere umfasst die Magnetfeldleitkontur zumindest zwei Kanten. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Magnetfeldleitkontur lediglich eine Kante und zwei Flächen oder lediglich einen Radius und zwei Flächen o. dgl. aufweist. Insbesondere ist die Magnetfeldleitkontur derart ausgebildet, dass ein besonders guter und/oder besonders verlustfreier Übergang des Magnetfelds aus dem Magnetkern in den Magnetanker erfolgen kann. Insbesondere wird die Form der Magnetfeldleitkontur in einem Berechnungs- und/oder Simulationsschritt bestimmt. Insbesondere kann die Magnetfeldleitkontur abhängig von der jeweils gewünschten Kraft-Weg- Kennlinie des Magnetaktors unterschiedliche Formen aufweisen. Insbesondere ist die Magnetfeldleitkontur rotationssymmetrisch ausgebildet. Insbesondere wird die Magnetfeldleitkontur in das Kernrohr eingedreht. Insbesondere kann eine der seitlichen Begrenzungen mit der der Magnetfeldleitkontur gegenüberliegenden seitlichen Begrenzung der Verjüngung / der Nut frei von einer weiteren Magnetfeldleitkontur sein oder ebenfalls eine Magnetfeldleitkontur gleicher Form oder verschiedener Form besitzen.

Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Magnetfeldleitkontur in der Axialrichtung gesehen vollständig innerhalb eines von der Axialrichtung ausgehenden Radialbereichs verläuft, in welchem auch ein maximaler zwischen dem Magnetkern und dem Magnetanker der Magnetaktorvorrichtung in einem Normalbetrieb erzeugbarer Reluktanzspalt liegt, und/oder dass die weitere Magnetfeldleitkontur in der Axialrichtung gesehen vollständig außerhalb eines von der Axialrichtung ausgehenden Radialbereichs verläuft, in welchem auch ein maximaler zwischen dem Magnetkern und dem Magnetanker der Magnetaktorvorrichtung in einem Normalbetrieb erzeugbarer Reluktanzspalt liegt. Dadurch kann ein besonders vorteilhafter Verlauf des Magnetfelds, insbesondere eine besonders gute magnetische Trennung des Kernrohrs erreicht werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der die Verjüngung vollständig umfassende Trennbereich eine Gesamterstreckung in der Axialrichtung aufweist, die höchstens 25 %, vorzugsweise höchstens 15 %, einer Gesamterstreckung des Magnetkerns in der Axialrichtung, die höchstens 25 %, vorzugsweise höchstens 15 %, einer Gesamterstreckung eines Magnetankers der Magnetaktorvorrichtung in der Axialrichtung und/oder die höchstens 25 %, vorzugsweise höchstens 15 %, einer Gesamterstreckung einer Magnetspule der Magnetaktorvorrichtung in der Axialrichtung beträgt. Dadurch kann vorteilhaft eine einfache Konstruktion erreicht werden. Vorteilhaft kann eine gute Stabilität erreicht werden. Zudem kann vorteilhaft eine präzise und/oder örtlich genaue magnetische Trennung erreicht werden. Insbesondere wird die Gesamterstreckung der Verjüngung in dem Trennbereich parallel zu der Axialrichtung des Kernrohrs gemessen. Zudem wird vorgeschlagen, dass die Magnetaktorvorrichtung ein magnetisches Antiklebelement aufweist, welches in der Axialrichtung vollständig außerhalb des Trennbereichs, insbesondere vollständig außerhalb eines von der Axialrichtung ausgehenden Radialbereichs, dessen Erstreckung in der Axialrichtung durch eine Erstreckung der Verjüngung in der Axialrichtung begrenzt ist, angeordnet ist. Dadurch kann eine vorteilhafte Magnetfeldführung und/oder Magnetankerbewegung erreicht werden. Insbesondere ist das Antiklebelement aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet. Insbesondere ist das Antiklebelement scheibenförmig ausgebildet. Insbesondere ist das Antiklebelement an einer dem Kernrohr zugewandten Seite des Magnetkerns angeordnet und/oder befestigt, insbesondere angeklebt. Insbesondere ist das Antiklebelement dazu vorgesehen, ein (magnetisches) Kleben des Magnetankers an dem Magnetkern, insbesondere durch eine Restmagnetisierung des Magnetkerns, zu verhindern. Vorteilhaft kann dadurch zudem eine hohe Dynamik der Magnetaktorvorrichtung erreicht werden. Das Antiklebelement ist insbesondere dazu vorgesehen, einen Mindestabstand zwischen dem Magnetkern und dem Magnetanker zu gewährleisten. Der Magnetanker ist insbesondere zumindest zu einem Großteil aus einem magnetischen Material ausgebildet, z.B. Eisen.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Kernrohr auf seiner Innenseite und/oder auf seiner Außenseite zumindest abschnittsweise mit einer wasserstoffdiffusionshemmenden Beschichtung versehen ist. Dadurch kann vorteilhaft eine gute Eignung für Wasserstoffgasanwendungen, beispielsweise im Bereich von Brennstoffzellen und/oder Elektrolyseuren, erreicht werden.

Vorteilhaft kann eine hohe Dichtigkeit erreicht werden, wodurch insbesondere ein Austreten von Wasserstoff aus einem Inneren des Kernrohrs verhindert werden kann. Vorteilhaft können Leckagen, insbesondere auch für die kleinsten bekannten Gasmoleküle - H2-Moleküle - vermieden werden. Insbesondere ist die Beschichtung dazu vorgesehen, Eisen oder Stahl wirkungsvoll vor einem Eindringen von Wasserstoff (H2) zu schützen. Beispielsweise könnte die Beschichtung aus einem, insbesondere für die Wasserstoffdiffusionshemmung geeigneten und/oder vorgesehenen, MAX-Phasen-Material ausgebildet sein. Beispielsweise ist die Beschichtung als eine MAX-Phasen-Schicht aus (oxidiertem) Titan, Aluminium und Stickstoff (Ti2AIN) ausgebildet. Insbesondere ist die wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung dazu vorgesehen, eine Wasserstoffdiffusion durch das Kernrohr, insbesondere im Trennbereich, um zumindest einen Faktor 2, vorzugsweise um zumindest einen Faktor 4, bevorzugt um zumindest einen Faktor 10 und besonders bevorzugt um zumindest einen Faktor 25, insbesondere im Vergleich mit einem beschichtungsfreien und sonst identischen Trennbereich, zu reduzieren. Insbesondere kann ein Großteil einer Innenseite und/oder einer Außenseite des Kernrohrs oder die gesamte Innenseite und/oder Außenseite des Kernrohrs mit der wasserstoffdiffusionshemmenden Beschichtung versehen sein. Vorzugsweise ist jedoch zumindest ein Großteil des Trennbereichs, bevorzugt zumindest der gesamte Trennbereich, besonders bevorzugt zumindest die gesamte Verjüngung, auf der Innenseite und/oder auf der Außenseite mit der wasserstoffdiffusionshemmenden Beschichtung versehen.

Zusätzlich wird ein Magnetaktor für Wasserstoffgasanwendungen, insbesondere für Brennstoffzellen- und/oder Elektrolyseuranwendungen, mit der Magnetaktorvorrichtung vorgeschlagen. Vorteilhaft kann eine hohe Dichtigkeit erreicht werden.

Ferner wird ein Verfahren zu einer Herstellung der Magnetaktorvorrichtung vorgeschlagen, wobei der Magnetkern und das Kernrohr als monolithische Bauteile gefertigt werden, insbesondere aus einem monolithischen Block herausgeschnitten werden, und wobei die magnetische Trennung des Kernrohrs durch eine, einen unaufgefüllten Trennbereich ausbildende, Verjüngung einer Wanddicke einer Kernrohrwand des Kernrohrs verwirklicht wird. Dadurch kann vorteilhaft eine einfache Konstruktion mit besonders hoher Dichtigkeit für Wasserstoffgas erreicht werden. Zudem wird ein Verfahren zu einer Herstellung der Magnetaktorvorrichtung vorgeschlagen, wobei der Magnetkern und das Kernrohr als monolithische Bauteile gefertigt werden, insbesondere aus einem monolithischen Block herausgeschnitten werden, und wobei die magnetische Trennung des monolithischen Kernrohrs durch eine Entmagnetisierung eines Materials der Kernrohrwand des Kernrohrs in einem Trennbereich des Kernrohrs verwirklicht wird. Dadurch kann vorteilhaft eine einfache Konstruktion mit besonders hoher Dichtigkeit für Wasserstoffgas und mit einer besonders hohen Kernrohrstabilität erreicht werden.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Entmagnetisierung des Materials der Kernrohrwand durch ein Induktionsheizen des Trennbereichs oder durch ein Laserglühen des Trennbereichs erzeugt wird. Dadurch kann vorteilhaft ein einfaches und/oder kostengünstiges und/oder schnelles Herstellungsverfahren bereitgestellt werden.

Die erfindungsgemäße Magnetaktorvorrichtung, der erfindungsgemäße Magnetaktor und/oder die erfindungsgemäßen Verfahren sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Magnetaktorvorrichtung, der erfindungsgemäße Magnetaktor und/oder die erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.

Zeichnungen

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Magnetaktors mit einer Magnetaktorvorrichtung,

Fig. 2 eine Vergrößerung der Darstellung der Fig. 1 in einem Trennbereich der Magnetaktorvorrichtung,

Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu einer Herstellung der Magnetaktorvorrichtung und

Fig. 4 einen Trennbereich einer alternativen Magnetaktorvorrichtung in einer Schnittdarstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Magnetaktors 70. Der Magnetaktor 70 ist für Wasserstoffgasanwendungen vorgesehen. Der Magnetaktor 70 ist für Brennstoffzellenanwendungen und/oder für Elektrolyseuranwendungen vorgesehen. Der Magnetaktor 70 weist eine Magnetaktorvorrichtung 50 auf. Die Magnetaktorvorrichtung 50 ist als eine wasserstoffgasdichte Magnetaktorvorrichtung ausgebildet. Die Magnetaktorvorrichtung 50 weist einen Magnetkern 10 auf. Die Magnetaktorvorrichtung 50 weist ein Kernrohr 12 auf. Das Kernrohr 12 und der Magnetkern 10 sind monolithisch ausgebildet. Das Kernrohr 12 weist eine Axialrichtung 14 auf. Die Axialrichtung 14 verläuft parallel zu einer inneren Öffnung 72 des Kernrohrs 12. Der Magnetkern 10 ist in der Axialrichtung 14 des Kernrohrs 12 einseitig vollständig geschlossen. Das Kernrohr 12 ist in der Axialrichtung 14 einseitig von dem Magnetkern 10 vollständig verschlossen. Dadurch kann eine Wasserstoffgasdichtigkeit des Kernrohrs 12, insbesondere der inneren Öffnung 72 des Kernrohrs 12 nach außen hin, erreicht werden.

Das Kernrohr 12 ist entlang seiner Axialrichtung 14 zumindest im Wesentlichen magnetisch getrennt ausgebildet. Das Kernrohr 12 bildet einen Trennbereich 22 aus. Das Kernrohr 12 ist in dem Trennbereich 22 magnetisch getrennt. Das Kernrohr 12 weist eine Kernrohrwand 20 auf. Die Kernrohrwand 20 weist außerhalb des Trennbereichs 22 eine mittlere Wanddicke 24 auf (vgl. Fig. 2). Die mittlere Wanddicke 24 der Kernrohrwand 20 außerhalb des Trennbereichs 22 beträgt mehr als 0,5 mm. Die Kernrohrwand 20 weist innerhalb des Trennbereichs 22 eine verjüngte Wanddicke 18 auf (vgl. Fig. 2). Die Wanddicke 18 der Kernrohrwand 20 in dem Trennbereich 22 beträgt weniger als 0,5 mm. Die magnetische Trennung des Kernrohrs 12 in dem Trennbereich 22 ist durch eine Verjüngung 16 der Wanddicke 18 der Kernrohrwand 20 des Kernrohrs 12 in dem Trennbereich 22 des Kernrohrs 12 relativ zu der mittleren Wanddicke 24 außerhalb des Trennbereichs 22 verwirklicht. Die Kernrohrwand 20 ist in dem Trennbereich 22 zumindest auf ein Drittel der mittleren Wanddicke 24 der Kernrohrwand 20 außerhalb des Trennbereichs 22 verjüngt. Die verjüngte Wanddicke 18 in dem Trennbereich 22 ist über eine Axialerstreckung 30 der Verjüngung 16 zumindest im Wesentlichen konstant (vgl. Fig. 2).

Das Kernrohr 12 weist einen Außendurchmesser 26 auf. Der Außendurchmesser 26 des Kernrohrs 12 ist in dem Trennbereich 22 verringert. Das Kernrohr 12 weist einen Innendurchmesser 28 auf. In den Figuren ist der Innendurchmesser 28 des Kernrohrs 12 konstant. Es ist jedoch denkbar, dass zusätzlich oder alternativ zu der Verringerung des Außendurchmessers 26 des Kernrohrs 12 der Innendurchmesser 28 des Kernrohrs 12 vergrößert ist (nicht dargestellt). Durch die Verjüngung 16 entsteht in dem Trennbereich 22 ein (freier) Raum. Der durch die Verjüngung 16 entstehende Raum ist frei von einer Materialfüllung ausgebildet. Der die Verjüngung 16 vollständig umfassende Trennbereich 22 weist eine Gesamterstreckung 44 in der Axialrichtung 14 auf, die kleiner ist als 15 % einer Gesamterstreckung 46 des Magnetkerns 10 in der Axialrichtung 14.

Der Magnetaktor 70 weist eine Magnetspule 54 auf. Die Magnetspule 54 ist zur Erzeugung eines Magnetfelds mit Strom beaufschlagbar. Die Magnetaktorvorrichtung 50 weist einen Magnetanker 34 auf. Der Magnetanker 34 ist teilweise in das Kernrohr 12 eingebracht. Der Magnetanker 34 ist in dem Kernrohr 12 beweglich gelagert. Der Magnetanker 34 ist durch das Magnetfeld der Magnetspule 54 in dem Kernrohr 12 bewegbar. Die Magnetaktorvorrichtung 50 weist eine Rückstellfeder 74 auf. Die Rückstellfeder 74 ist zwischen dem Magnetkern 10 und dem Magnetanker 34 eingespannt. Die Rückstellfeder 74 drückt den Magnetanker 34 im unbestromten Zustand der Magnetspule 54 von dem Magnetkern 10 weg. Die Magnetaktorvorrichtung 50 bildet einen Reluktanzspalt 38 aus. In einem bestromten Zustand ist der Magnetanker 34 bestrebt den Reluktanzspalt 38 zu schließen und wird dadurch in Richtung des Magnetkerns 10 gedrückt. Der Magnetaktor 70 weist ein Betätigungselement 76 auf. Das Betätigungselement 76 dient zu einer Übertragung der Bewegung des Magnetankers 34 nach außen. Die Gesamterstreckung 44 des die Verjüngung 16 vollständig umfassenden Trennbereichs 22 in der Axialrichtung 14 ist kleiner ist als 15 % einer Gesamterstreckung 48 des Magnetankers 34 in der Axialrichtung 14. Die Gesamterstreckung 44 des die Verjüngung 16 vollständig umfassenden Trennbereichs 22 in der Axialrichtung 14 ist kleiner ist als 15 % einer Gesamterstreckung 52 der Magnetspule 54 in der Axialrichtung 14. Die Magnetaktorvorrichtung 50 weist ein magnetisches Antiklebelement 56 auf.

Die Fig. 2 zeigt schematisch eine Vergrößerung eines Ausschnitts der Magnetaktorvorrichtung 50 in dem Trennbereich 22 mit der Verjüngung 16. Die Verjüngung 16 weist magnetkernseitig eine Magnetfeldleitkontur 32 auf. Die Magnetfeldleitkontur 32 verläuft in der Axialrichtung 14 gesehen vollständig innerhalb eines von der Axialrichtung 14 ausgehenden Radialbereichs 36, in welchem auch der maximale zwischen dem Magnetkern 10 und dem Magnetanker 34 in einem Normalbetrieb erzeugbare Reluktanzspalt 38 liegt. Die Verjüngung 16 weist kernrohrseitig eine weitere Magnetfeldleitkontur 40 auf. Die Magnetfeldleitkontur 32 und die weitere Magnetfeldleitkontur 40 sind unterschiedlich zueinander ausgebildet. Die weitere Magnetfeldleitkontur 32 verläuft in der Axialrichtung 14 gesehen vollständig außerhalb eines von der Axialrichtung 14 ausgehenden Radialbereichs 42, in welchem auch der in einem Normalbetrieb maximal erzeugbare Reluktanzspalt 38 liegt. Der in den Figuren 1 und 2 beispielhaft dargestellte Reluktanzspalt 38 stellt den maximal möglichen Reluktanzspalt 38 der dargestellten Ausführungsform dar. Das Antiklebelement 56 ist in der Axialrichtung 14 vollständig außerhalb des Trennbereichs 22 angeordnet. Das Antiklebelement 56 ist vollständig außerhalb eines von der Axialrichtung 14 ausgehenden Radialbereichs 58, dessen Erstreckung 62 in der Axialrichtung 14 durch eine Erstreckung 60 der Verjüngung 16 in der Axialrichtung 14 begrenzt ist, angeordnet.

Die Magnetaktorvorrichtung 50 weist eine wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung 68 auf. Die wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung 68 ist auf einen Teil einer Innenseite 64 des Kernrohrs 12 aufgebracht. Die wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung 68 ist auf einen Teil einer Außenseite 66 des Kernrohrs 12 aufgebracht. Das Kernrohr 12 ist auf der Innenseite 64 und auf der Außenseite 66 zumindest abschnittsweise mit der wasserstoffdiffusionshemmenden Beschichtung 68 versehen. Alternativ kann die wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung 68 auch nur auf einer der beiden Seiten 64, 66 des Kernrohrs 12 aufgebracht sein. Die wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung 68 kann als eine MAX-Phasen- Schicht aus (oxidiertem) Titan, Aluminium und Stickstoff (Ti2AIN) ausgebildet sein. Alternative oder zusätzliche wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtungen 68 sind jedoch natürlich ebenfalls denkbar.

Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zu einer Herstellung der Magnetaktorvorrichtung 50. In zumindest einem Verfahrensschritt 78 wird der Magnetkern 10 und das Kernrohr 12 als ein monolithisches Bauteil gefertigt. In dem Verfahrensschritt 78 wird der Magnetkern 10 und das Kernrohr 12 aus einem einzelnen monolithischen Block herausgeschnitten. Dabei wird der Magnetkern 10 und das Kernrohr 12 derart gefertigt, dass der Magnetkern 10 das Kernrohr 12 einseitig vollständig verschließt. In zumindest einem weiteren Verfahrensschritt 80 wird die magnetische Trennung des Kernrohrs 12 durch die Verjüngung 16 der Wanddicke 18, 24 der Kernrohrwand 20 des Kernrohrs 12 verwirklicht. Die Verjüngung 16 bildet dabei einen unaufgefüllt bleibenden Trennbereich 22 aus. In dem Verfahrensschritt 80 wird die Verjüngung 16 durch ein Eindrehen einer Nut auf der Außenseite 66 des Kernrohrs 12 und/oder durch ein Eindrehen einer Nut auf der Innenseite 64 des Kernrohrs 12 erzeugt. In zumindest einem zu dem Verfahrensschritt 80 alternativen oder zusätzlichen Verfahrensschritt 84 wird die magnetische Trennung des monolithischen Kernrohrs 12 durch eine Entmagnetisierung eines Materials der Kernrohrwand 20 des Kernrohrs 12 in einem Trennbereich 22 des Kernrohrs 12 verwirklicht. In dem Verfahrensschritt 84 wird die Entmagnetisierung des Materials der Kernrohrwand 20 durch ein Induktionsheizen des Trennbereichs 22 oder durch ein Laserglühen des Trennbereichs 22 erzeugt. In zumindest einem Verfahrensschritt 82 wird die wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung 68 auf die Außenseite 66 des Kernrohrs 12 und/oder auf die Innenseite 64 des Kernrohrs 12 aufgebracht. Dabei wird in dem Verfahrensschritt 82 die wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung 68 zumindest auf die in dem Trennbereich 22 verorteten Oberflächen des Kernrohrs 12 aufgebracht. In einem Normalbetrieb des Magnetaktors 70 wird die innere Öffnung 72 des Kernrohrs 12 mit Wasserstoffgas gefüllt.

In der Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der Figuren 1 bis 3, verwiesen werden kann.

Die Fig. 4 zeigt schematisch eine Vergrößerung eines Ausschnitts einer alternativen Magnetaktorvorrichtung 50‘ in einem Trennbereich 22 eines Kernrohrs 12. Außerhalb des Trennbereichs 22 ist die alternative Magnetaktorvorrichtung 50‘ im Wesentlichen gleich aufgebaut wie die in den vorangehenden Figuren gezeigte Magnetaktorvorrichtung 50. Der Trennbereich 22 ist frei von einer Verjüngung ausgebildet. Das Kernrohr 12 ist in dem Trennbereich 22 magnetisch getrennt. Das Kernrohr 12 weist eine Kernrohrwand 20 auf. Die Kernrohrwand 20 weist außerhalb des Trennbereichs 22 eine mittlere Wanddicke 24 auf. Die Kernrohrwand 20 weist innerhalb des Trennbereichs 22 eine mittlere Wanddicke 18 auf. Die Wanddicken 18, 24 innerhalb und außerhalb des Trennbereichs 22 sind zumindest im Wesentlichen identisch. Die magnetische Trennung des monolithischen Kernrohrs 12 ist durch eine Entmagnetisierung eines Materials der Kernrohrwand 20 des Kernrohrs 12 in dem Trennbereich 22 des Kernrohrs 12 verwirklicht. Das Material der monolithischen Kernrohrwand 20 des Kernrohrs 12 in dem Trennbereich 22 des Kernrohrs 12 weist ein magnetisch schlecht leitendes Gefüge, insbesondere Metallgefüge, auf. Das Material der monolithischen Kernrohrwand 20 des Kernrohrs 12 in dem Trennbereich 22 des Kernrohrs 12 weist ein martensitisches Gefüge auf. Das Material der monolithischen Kernrohrwand 20 des Kernrohrs 12 außerhalb des Trennbereichs 22 des Kernrohrs 12 weist ein magnetisch gut leitendes Gefüge, insbesondere Metallgefüge, auf. Das Material der monolithischen Kernrohrwand 20 des Kernrohrs 12 außerhalb des Trennbereichs 22 des Kernrohrs 12 weist ein ferritisches Gefüge auf.

Die Magnetaktorvorrichtung 50 der Figuren 1 bis 3 kann zusätzlich zu der Verjüngung 16 ebenfalls die im Zusammenhang mit der alternativen Magnetaktorvorrichtung 50‘ beschriebene Gefügeumwandlung in dem Trennbereich 22 aufweisen.

Bezugszeichen

10 Magnetkern

12 Kernrohr

14 Axialrichtung

16 Verjüngung

18 Wanddicke

20 Kernrohrwand

22 Trennbereich

24 Wanddicke

26 Außendurchmesser

28 Innendurchmesser

30 Axialerstreckung

32 Magnetfeldleitkontur

34 Magnetanker

36 Radialbereich

38 Reluktanzspalt

40 Weitere Magnetfeldleitkontur

42 Radialbereich

44 Gesamterstreckung

46 Gesamterstreckung

48 Gesamterstreckung

50 Magnetaktorvorrichtung

52 Gesamterstreckung

54 Magnetspule

56 Antiklebelement

58 Radialbereich

60 Erstreckung

62 Erstreckung

64 Innenseite

66 Außenseite Wasserstoffdiffusionshemmende Beschichtung Magnetaktor Innere Öffnung Rückstellfeder Betätigungselement Verfahrensschritt Verfahrensschritt Verfahrensschritt Verfahrensschritt