Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft ein Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit B ren nstoff ze 11 e na ntrie b .

Stand der Technik

Die DE 10 2012 204 565 Al beschreibt ein als Proportionalventil ausgebildetes Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasser stoff, wobei das Proportionalventil einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement umfasst. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ven tilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtelement dichtet dabei am Ventilsitz ab.

Im normalen Betrieb eines Proportionalventils, insbesondere bei der Anwendung des Proportionalventils in einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems treten häufige Öffnungs- und Schließvorgänge auf. Zur Optimierung von Spülvor gängen im Anodenpfad der Brennstoffzelle oder zum optimierten Betrieb einer Saugstrahlpumpe in einer Brennstoffzellenanordnung können auch zusätzliche Schaltvorgänge gewünscht sein. Häufiges Öffnen und Schließen des Proportio nalventils führt jedoch zu Verschleiß am Ventilsitz und zu Verkippungen des Schließelements bezüglich des Ventilsitzes, da Winkeltoleranzen zwischen dem Schließelement und dem Ventilsitz auftreten können. Dies hat wiederum negative Auswirkungen auf die Dichtheit des gesamten Proportionalventils. Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber Vorteil auf, dass trotz häufigen Öffnungs- und Schließvorgängen des Dosierventils die Dichtheit am Ventilsitz ge währleistet ist.

Dazu weist das Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbeson dere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in dem ein längsbewegliches, ebenes Schließelement angeordnet ist, das zum Öffnen und Schließen eines Öffnungs querschnitts von einem Zulaufbereich in eine Durchlassöffnung mit einem Ventil sitz zusammenwirkt. Der Ventilsitz ist dabei als umlaufende Dichtkante an einer dem Schließelement zugewandten Sitzfläche einer in dem Ventilgehäuse aufge nommenen und mit diesem fest verbundenen Düse ausgebildet. Darüber hinaus ist die Sitzfläche der Düse konisch ausgebildet, wobei das Schließelement in ei ner geschlossenen Position des Dosierventils an der umlaufenden Dichtkante ei nen radialen Überstand aufweist. Der radiale Überstand begrenzt bei einem ma ximal ausgebildeten Schrägstand des Schließelements eine maximale Schräg stellung des Schließelements auf der Sitzfläche der Düse, wobei der Öffnungs winkel ß der konischen Sitzfläche in einem Wertebereich zwischen 172° und 178° liegt.

Durch das erfindungsgemäße Dosierventil wird durch die abfallende Sitzfläche trotz Winkelfehlern zwischen dem Ventilsitz und dem Schließelement eine gleich mäßige Kraftverteilung im Schließelement erzielt, was wiederum zu einer erhöh ten Dichtheit führt.

In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, dass sich der radi ale Überstand von der Mitte der umlaufenden Dichtkante bis zu einer äußeren Umlaufkante des Schließelements erstreckt und eine Breite X von 0,2 mm bis 2 mm aufweist, vorzugsweise 0,5 mm bis 1 mm. Vorteilhafterweise weist die um laufende Dichtkante der Düse eine Höhe R zwischen 0,04 mm und 0,2 mm auf, vorzugsweise 0,1 mm. So kann die Dichtkante vorteilhafterweise in ein elasti sches Dichtelement, welches zwischen dem Ventilsitz und dem Schließelement angeordnet ist, mit geringer Kraft eintauchen, so dass bei zusätzlicher Schiefstel lung des Schließelements und Auflagefläche des radialen Überstands an der Sitzfläche der Düse eine hohe Dichtheit am Ventilsitz und so eine optimale Funk tionsweise des Dosierventils gewährleistet ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Schließelement mittels eines Elektromagneten und eines mit dem Schließele ment wirkverbundenen Magnetankers längsbewegbar ist. So ist das gasförmige Medium durch das Dosierventil steuerbar.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass radial zu der Längsachse des Dosierventils in dem Ventilgehäuse Zulaufkanäle ausgebildet sind, durch welche der Zulaufbereich des Dosierventils mit gasförmigem Medium befüllbar ist.

Das beschriebene Dosierventil in vorteilhafter Weise als Proportionalventil aus gebildet, eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steu ern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vor teile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Be trieb.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Dosier ventils zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff, zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierventils im

Längsschnitt,

Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt des erfindungsgemäßen Dosierventils aus der Fig. 1 im Bereich des Ventilsitzes im Längsschnitt,

Fig. 3 ein vergrößerter Ausschnitt des erfindungsgemäßen Dosierventils aus der Fig. 1 im Bereich des Ventilsitzes bei Verkippung des Schließele ments am Ventilsitz im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet. Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig.l zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Dosierventils 100 im Längsschnitt. Das Dosierventil 100 weist ein Ventilgehäuse 12 auf, in dem ein Innenraum 26 ausgebildet ist. In dem Innenraum 26 ist ein Elektromagnet 130 angeordnet, welcher eine Magnetspule 13, einen Innenpol 10 und einen Außen pol 11 umfasst. Der Innenpol 10 ist dabei mit dem Ventilgehäuse 12 über ein Dis tanzbuchsenelement 14 aus nicht magnetischen Material verbunden.

Weiterhin ist in einem von dem Innenraum 12 umfassten Ankerraum 9 ein hubbe weglicher Magnetanker 6 mit einem stiftförmigen Element 5 angeordnet, wobei das stiftförmige Element 5 fest mit dem Magnetanker 6 verbunden ist und sowohl in einer Ausnehmung 27 des Innenpols 10 als auch in einer Ausnehmung 28 des Ventilgehäuses 12 aufgenommen und geführt ist. Der Magnetanker 6 ist als Tauchanker ausgebildet und wird bei dessen Hubbewegung in einer Ausneh mung 22 des Innenpols 10 aufgenommen.

Das Ventilgehäuse 12 und der Innenpol 10 begrenzen einen Federraum 8, in welchen ein tellerförmiges Ende 16 des stiftförmigen Elements 5 des Magnetan kers 6 hineinragt. An dem tellerförmigen Ende 16 des stiftförmigen Elements 5 stützt sich eine Schließfeder 15 ab, durch welche der Magnetanker 6 mit dem stiftförmigen Element 5 vorgespannt ist. Das der Schließfeder 15 abgewandte Ende des stiftförmigen Elements 5 ist fest mit einem ebenen Schließelement 2 verbunden. Das Schließelement 2 weist an seinem dem stiftförmigen Element 5 abgewandten Ende ein elastisches Dichtelement 3 auf und ist in einem Zulaufbe reich 7 des Dosierventils 100 angeordnet. Der Federraum 8 und der Ankerraum 9 sind über einen ersten Verbindungskanal 24 und der Ankerraum 9 und der Zu laufbereich 7 über einen zweiten Verbindungskanal 25 fluidisch miteinander ver bunden. Radial zu einer Längsachse 18 des Dosierventils 100 sind Zulaufkanäle 31 aus gebildet, durch welche der Zulaufbereich 7 des Dosierventils 100 mit gasförmi gem Medium befüllbar ist. Der Zulaufbereich 7 ist neben dem Ventilgehäuse 12 von einer Düse 1 begrenzt, in welcher eine Durchlassöffnung 21 ausgebildet ist. An einer dem elastischen Dichtelement 3 zugewandten radial zu der Längsachse 18 des Dosierventils 100 konische Sitzfläche la der Düse 1 ist eine umlaufende Dichtkante 20 ausgebildet, an der ein Ventilsitz 4 ausgebildet ist. Die umlaufende Dichtkante 20 weist in axialer Richtung eine Höhe R zwischen 0,04 mm und 0,2 mm auf, vorzugsweise 0,1 mm. In einer geschlossenen Position des Dosierven tils 100 liegt das elastische Dichtelement 3 durch die Kraftbeaufschlagung der Schließfeder 15 an dem Ventilsitz 4 an, so dass eine Verbindung zwischen dem Zulaufbereich 7 und der Durchlassöffnung 21 geschlossen ist.

Funktionsweise des Dosierventils

Das Dosierventil 100 ist hier als Proportionalventil ausgebildet. Bei nicht bestrom- ter Magnetspule 13 wird das Schließelement 2 über die Schließfeder 15 an den Ventilsitz 4 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Zulaufbereich 7 und der Durchlassöffnung 21 unterbrochen ist und kein Gasdurchfluss erfolgt.

Wird die Magnetspule 13 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Mag netanker 6 erzeugt, welcher der Schließkraft der Schließfeder 15 entgegenge richtet ist. Diese magnetische Kraft wird über das stiftförmige Element 5 auf das Schließelement 2 übertragen, so dass die Schließkraft der Schließfeder 15 über kompensiert wird und das Schließelement 2 vom Ventilsitz 4 abhebt. Ein Gas durchfluss aus dem Zulaufbereich 7 in Richtung der Durchlassöffnung 21 ist frei gegeben.

Der Hub des Schließelements 2 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 13 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnet spule 13, desto größer ist der Hub des Schließelements 2 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss im Dosierventil 100, da die Kraft der Schließfeder 15 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 13 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 2 reduziert und somit der Gasdurchfluss ge drosselt.

Wird der Strom an der Magnetspule 13 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 6 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 2 mittels des stiftförmigen Elements 5 reduziert wird. Das Schließelement 2 bewegt sich in Richtung der Durchlassöffnung 21 und dichtet mit dem elastischen Dich telement 3 an dem Ventilsitz 4 ab. Der Gasdurchfluss im Dosierventil 100 ist un terbrochen.

Fig.2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Dosierventils aus der F im Bereich des Ventilsitzes 4 im Längsschnitt. In der geschlosse nen Position des Dosierventils 100 liegt das elastische Dichtelement 3 auf dem Ventilsitz 4 an, wobei die umlaufende Dichtkante 20 in das elastische Dichtele ment 3 eintaucht. Durch die konische Sitzfläche la der Düse 1 weist das Schlie ßelement 2 mit dem elastischen Dichtelement 3 einen radialen Überstand 10 auf, welcher sich von der Mitte der umlaufenden Dichtkante 20 bis zu der äußeren Umlaufkante 17 des Schließelements 10 erstreckt und eine Breite X von 0,2 mm bis 2 mm aufweist, vorzugsweise 0,5 mm bis 1 mm.

Winkeltoleranzen zwischen dem Ventilsitz 4 und dem elastischen Dichtelement 3 können zu Verkippungen des gesamten Schließelements 2 mit dem elastischen Dichtelement 3 führen. Dies ist in Fig.3 gezeigt. Dabei ist hier ein maximal aus gebildeter Schrägstand des Schließelements 10 gezeigt. Der radiale Überstand 19 begrenzt dabei eine maximale Schrägstellung des Schließelements 2 auf der Sitzfläche la der Düse 1. Der Öffnungswinkel ß der konischen Sitzfläche la liegt in einem Wertebereich zwischen 172° und 178°. Bei dem maximal ausgebildeten Schrägstand des Schließelements 2 bildet der radiale Überstand 19 mit einer Be rührlinie 30 der Sitzfläche la einen Winkel a, welcher 180° - ß entspricht. Dieser Winkel a liegt in einem Wertebereich zwischen 2° und 8°. So kann trotz Verkip pungen des Schließelements 2, auch bei dem maximal ausgebildeten Schräg stand des Schließelements 2, eine Dichtheit am Ventilsitz 4 erzielt werden.