Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.

Stand der Technik

Die DE 10 2012 204 565 AI beschreibt ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Proportionalventil einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement um- fasst. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtelement dichtet dabei am Ventilsitz ab und weist eine Ausnehmung mit einem Innenwandbereich auf. Der Innenwandbereich ist im geschlossenen Zustand des Proportionalventils mit Druck des gasförmigen Mediums beaufschlagt.

Proportionalventile zeichnen sich dahingehend aus, dass bei Verwendung von diesen nur geringe Druckschwankungen im Anodenpfad einer Brennstoffzelle auftreten und ein leiser Betrieb gewährleistbar ist. Im normalen Betriebsbereich des Proportionalventils treten häufige Öffnungs- und Schließvorgänge auf. Zur Optimierung von Spülvorgängen im Anodenpfad der Brennstoffzelle oder zum optimierten Betrieb einer Saugstrahlpumpe in einer Brennstoffzellenanordnung können auch zusätzliche Schaltvorgänge gewünscht sein. Häufiges Öffnen und Schließen des Proportionalventils führt zu Verschleiß am Ventilsitz, insbesondere wenn ein Schließelement mit einem elastischen Dichtelement verwendet wird. Dies wiederum hat Auswirkungen auf die Dichtheit des gesamten Proportionalventils.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch Trennen der Funktionen„Abdichten" und„Dosieren" im Proportionalventil trotz häufigem Öffnen und Schließen bzw. im Teillastbetrieb des Proportionalventils der Verschleiß an dem Schließelement reduziert und damit die Lebensdauer des gesamten Proportionalventils erhöht wird.

Dazu weist das Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf. Das Ventilgehäuse umfasst einen Düsenkörper. In dem Ventilgehäuse ist ein Innenraum ausgebildet, in dem ein Schließelement angeordnet ist. Weiterhin gibt das Schließelement mindestens eine Durchlassöffnung an einem an dem Düsenkörper ausgebildeten Ventilsitz frei oder versperrt die mindestens eine Durchlassöffnung. In dem Innenraum ist außerdem eine hubbewegliche Magnetankervorrichtung angeordnet, die mit dem Schließelement wirkverbunden ist. In dem Düsenkörper ist ein Durchgangskanal ausgebildet. Die Magnetankervorrichtung weist weiterhin eine Führungsfläche in dem Düsenkörper auf. Darüber hinaus bildet die Führungsfläche mit einer Steuerkante an einer Kanalöffnung des Durchgangskanals ein Schieberventil aus, wobei bei Sperrung der mindestens einen Durchlassöffnung die Magnetankervorrichtung die Kanalöffnung des Durchgangskanals mittels der Führungsfläche verschließt.

Durch Ausbildung eines Schieberventils an dem Durchgangskanal kann die Funktion des Dosierens von diesem übernommen werden, wohingegen das Schließelement lediglich beim vollständigen Schließen und beim Öffnen zum Einsatz kommt. Das Schieberventil übernimmt somit zumindest teilweise auch die Funktion des Abdichtens, da der Durchfluss von gasförmigem Medium von dem Schieberventil an der Kanalöffnung des Durchgangskanals verschlossen ist. Somit kann ein Verschleiß an dem Schließelement deutlich reduziert werden, da dieses vor allem im Teillastbetrieb des Proportionalventils nicht mehr so stark in Anspruch genommen wird. Dies ist vor allem von Vorteil, wenn in einem Anodensystem einer Brennstoffzellenanordnung im Anschluss an das Proportionalventil eine Strahlpumpe angeordnet ist. Deren Funktionsweise und Wirkung sind bei schwacher Strömungsgeschwindigkeit eingeschränkt. Um dennoch eine wirksame Strömungsgeschwindigkeit für die Strahlpumpe zu realisieren, wird das Proportionalventil im Teillastbetrieb getaktet. Dadurch werden eine optimierte Funktionsweise und eine erhöhte Lebensdauer des Proportionalventils und der gesamten Brennstoffzellenanordnung erzielt.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Führungsfläche eine Leckage aufweist, wobei die Leckage geringer ist als eine systembedingt vorgegebene Mindestdurchflussrate des Proportionalventils. Die Abdichtung an der Führungsfläche ist daher nicht absolut. Die Leckage ist jedoch so ausgelegt, dass der daraus resultierende Durchfluss kleiner ist als der systembedingt erforderliche Mindestdurchfluss. Der systembedingt erforderliche Mindestdurchfluss ergibt sich aufgrund der für die Strahlpumpe wirksame und notwendige Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch ist eine genügend hohe Abdichtung an der Führungsfläche gewährleistet und trägt zusätzlich zu einer optimalen Funktionsweise des Schieberventils bei.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Durchgangskanal und die Kanalöffnung des Durchgangskanals senkrecht zu einer Längsachse des Proportionalventils ausgebildet sind, wobei die Kanalöffnung mittels des Schieberventils verschließbar oder teilweise freigebbar ist. Durch die senkrechte Ausrichtung des Durchgangskanals ist ein vollständiges Verschließen des Durchgangskanals durch das Schieberventil möglich. Durch die Schließung und die teilweise Freigabe kann eine an den jeweiligen Betrieb angepasste optimale Dosierung des gasförmigen Mediums in dem Proportionalventil herbeigeführt werden. In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens umfasst die Magnetankervorrichtung einen Magnetanker und ein Verbindungselement, wobei die Führungsfläche an dem Verbindungselement ausgebildet ist, welches vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist. Vorteilhafterweise umfasst das Verbindungselement einen stiftförmigen Abschnitt und einen kolbenförmigen Abschnitt, wobei die Führungsfläche an dem kolbenförmigen Abschnitt ausgebildet ist. In vorteilhafter Weiterbildung ist der Durchmesser des kolbenförmigen Abschnitts größer als der Durchmesser des stiftförmigen Abschnitts. Dadurch wird eine platzsparende und robuste Bauweise erzielt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem kolbenförmigen Abschnitt mindestens ein Durchlasskanal ausgebildet ist, wobei der kolbenförmige Abschnitt den Innenraum in einen Verbindungsraum und einen Magnetankerraum unterteilt. Vorteilhafterweise ist der Verbindungsraum durch den kolbenförmigen Abschnitt des Verbindungselements und durch das Schließelement begrenzt. Durch den Durchlasskanal wird ein Druckausgleich zwischen dem Verbindungsraum und dem Magnetankerraum hergestellt, so dass eine optimale Funktionsweise des Schieberventils gewährleistet ist.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Innenraum einen Federraum umfasst, in welchem Federraum eine erste Feder angeordnet ist, wobei die erste Feder die Magnetankervorrichtung mit einer Kraft in Richtung der Durchlassöffnung beaufschlagt. Dadurch ist bei abgeschaltetem Proportionalventil gewährleistet, dass das Schließelement die Durchlassöffnung sperrt und das Schieberventil den Durchlasskanal verschließt, so dass kein gasförmiges Medium durch das Proportionalventil hindurchfließen kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass an dem Düsenkörper ein ringförmiges Element angeordnet ist, an welchem ringförmigen Element sich eine zweite Feder abstützt und das Schließelement mit einer Kraft in Richtung der Magnetankervorrichtung beaufschlagt. Durch den Einsatz einer zweiten Feder wird der Öffnungsvorgang des Proportionalventils begünstigt.

In vorteilhafter Weiterbildung ist zwischen dem Schließelement und dem Ventilsitz ein elastisches Dichtelement angeordnet, wodurch die Dichtheit an dem Schließelement und somit am Ventilsitz verbessert wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass in dem Ventilgehäuse eine Magneteinrichtung angeordnet ist, wobei die Magneteinrichtung eine Magnetspule und einen Magnetkern umfasst, durch welche die Magnetankervorrichtung hubbewegbar ist.

Das beschriebene Proportionalventil eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb.

Zeichnungen

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

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils mit einem Schieberventil im Längsschnitt,

Fig. 2a das Ausführungsbeispiel aus der Fig. 1 im geschlossenen Zustand, Fig. 2b das Ausführungsbeispiel aus der Fig. 1 beim Öffnen des Proportionalventils,

Fig. 2c das Ausführungsbeispiel aus der Fig. 1 in einem geöffneten Zustand, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils mit einem Schieberventil im Längsschnitt.

Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Das Proportionalventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, wobei das Ventilgehäuse 2 einen Haltekörper 3 und einen Düsenkörper 13 umfasst, die gasdicht miteinander verbunden sind. In dem Proportionalventil 1 ist eine Magneteinrichtung 24 angeordnet, wobei die Magneteinrichtung 24 eine Magnetspule 23 und einen Magnetkern 7 umfasst. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 2 ein Innenraum 90 ausgebildet, in welchem eine hubbewegliche Magnetankervorrichtung 25 angeordnet ist. Die Magnetankervorrichtung 25 umfasst einen Magnetanker 8 und ein Verbindungselement 10, wobei das Verbindungselement 10 in einer Ausnehmung 29 des Magnetankers 8 aufgenommen ist und somit fest mit dem Magnetanker 8 verbunden ist, beispielsweise durch eine

Schweißnaht oder durch Verpressung. Der Magnetanker 8 ist als Tauchanker ausgebildet und in dem Magnetkern 7 aufgenommen. Das Verbindungselement 10 ist in einer Ausnehmung 6 des Magnetkerns 7 aufgenommen und geführt.

Das Verbindungselement 10 ist zylinderförmig ausgebildet und weist einen stift- förmigen Abschnitt 1000 und einen kolbenförmigen Abschnitt 100 auf. Der Durchmesser des kolbenförmigen Abschnitts 100 ist dabei größer als der Durchmesser des stiftförmigen Abschnitts 1000. Die feste Verbindung des Verbindungselements 10 mit dem Magnetanker 8 ist an dem stiftförmigen Abschnitt 1000 ausgebildet.

Das Ventilgehäuse 2 und der Magnetkern 7 begrenzen einen Federraum 92, welcher einen Teil des Innenraums 90 bildet. In dem Federraum 92 ist eine Feder 4 angeordnet, welche sich zwischen dem Ventilgehäuse 2 und einem tellerförmigen Ende 5 des Verbindungselements 10 abstützt und die Magnetankervorrichtung 25 mit einer Kraft in Richtung des Düsenkörpers 13 beaufschlagt. Zusätzlich teilen das Ventilgehäuse 2, der Magnetkern 7 und das Verbindungselement 10 den Innenraum 90 in einen Magnetankerraum 91 auf, in welchem der Magnetanker 8 angeordnet ist. In dem Düsenkörper 13 ist senkrecht zu einer Längsachse 28 des Proportionalventils 1 ein Durchgangskanal 12 ausgebildet, wodurch der Innenraum 90 mit gasförmigem Medium, beispielsweise Wasserstoff, befüllbar ist. Der kolbenförmige Abschnitt 100 weist eine Führungsfläche 11 auf, an welcher der kolbenförmige Abschnitt 100 im Düsenkörper 13 an einer Kanalöffnung 27 der Durchgangskanal 12 geführt ist. Die Führungsfläche 11 bildet zusammen mit einer Steuerkante 14 an der Kanalöffnung 27 ein Schieberventil 26 aus. Bei ausgeschaltetem Proportionalventil verschließt der kolbenförmige Abschnitt 100 die Kanalöffnung 27 mittels der Führungsfläche 11 und sperrt somit den Zufluss von gasförmigem Medium in den Innenraum 90 des Proportionalventils 1. Dabei weist die Führungsfläche 11 eine Leckage auf, wobei die daraus resultierende Durchflussrate kleiner ist als die systembedingt erforderliche Mindestdurchflussrate. Die Mindestdurchflussrate ergibt sich beispielsweise aufgrund einer wirksamen und notwendigen Strömungsgeschwindigkeit für eine nachgeschaltete Strahlpumpe in einem Anodensystem einer Brennstoffzellenanordnung, wodurch eine optimale Funktionsweise gewährleistbar ist.

In dem Innenraum 90 ist weiterhin ein Schließelement 16 mit einem scheibenförmigen elastischen Dichtelement 18 angeordnet, welches im geschlossenen Zustand des Proportionalventils 1 an einem Ventilsitz 19 des Düsenkörpers 13 anliegt und dadurch eine in dem Düsenkörper 13 ausgebildete Durchlassöffnung 17, durch welche gasförmiges Medium aus dem Proportionalventil 1 austreten kann, sperrt. Das elastische Dichtelement 18 ist dabei fest mit dem Schließelement 16 verbunden. Weiterhin ist das Schließelement 16 mit der Magnetankervorrichtung 25 wirkverbunden. Durch die Feder 4 liegt das Verbindungselement 10 mit seinem stiftförmigen Abschnitt 1000 direkt an dem Schließelement 16 an.

Das Ventilgehäuse 2, das Verbindungelement 10 und das Schließelement 16 unterteilen den Innenraum 90 in einen Verbindungsraum 15. Dieser Verbindungsraum 15 ist über die Durchlassöffnung 17 mit einem Abströmbereich 21 verbindbar. In dem Abströmbereich 21 ist eine weitere Feder 22 angeordnet, welche sich einerseits an einem an dem Düsenkörper 13 ausgebildeten ringförmigen Element 20 und andererseits an dem Schließelement 16 abstützt. Die Kraft der weiteren Feder 22 ist der Kraft der Feder 4 in dem Federraum 92 entgegengerichtet, wobei insgesamt die resultierende Kraft beider Federn 4, 22 das Schließelement 16 gegen den Ventilsitz 19 drückt, die Durchlassöffnung 17 sperrt und den Verbindungsraum 15 gegen den Abström bereich 21 fluidisch abdichtet.

Der Verbindungsraum 15 ist über zwei parallel zu der Längsachse 28 angeordnete Durchlasskanäle 101 mit dem Magnetankerraum 91 verbunden, wobei die Durchlasskanäle 101 zum Druckausgleich in dem kolbenförmigen Abschnitt 100 ausgebildet sind.

Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels

Fig.2a zeigt das Proportionalventil 1 aus der Fig.l im ausgeschalteten Zustand. Bei nicht bestromter Magnetspule 23 wird das Schließelement 16 über die resultierende Schließkraft der Federn 4, 22 mittels der Magnetankervorrichtung 25 an den Ventilsitz 19 gedrückt, so dass die Durchlassöffnung 17 gesperrt ist und kein gasförmiges Medium aus dem Proportionalventil 1 austreten kann.

Fig.2b zeigt das Ausführungsbeispiel aus der Fig.l mit bestromter Magnetspule 23. Bei Bestromung der Magnetspule 23 wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 8 erzeugt, welche der resultierenden Schließkraft der Federn 4, 22 entgegengerichtet ist. Wird die resultierende Schließkraft der Federn 4, 22 durch die magnetische Kraft überkompensiert, bewegt sich die Magnetankervorrichtung 25 in Richtung der Feder 4. Das Schließelement 16 folgt der Magnetankervorrichtung 25 aufgrund der Feder 22 instantan ohne Relativbewegung und hebt vom Ventilsitz 19 ab. Ein Gasdurchfluss vom Verbindungsraum 15 über die Durchlassöffnung 17 in den Abströmbereich 21 ist freigegeben.

Fig.2b zeigt den kleinstmöglichen Durchfluss durch die Durchlassöffnung 17 bei teilgeöffnetem Proportionalventil 1, wobei hier der Ventilsitz 19 bereits freigegeben ist, die Kanalöffnung 27 des Durchgangskanals 12 jedoch durch das Schieberventil 26 noch nicht freigegeben ist. Dabei ist eine Überdeckungslänge I an der Steuerkante 14 der Kanalöffnung 27 so gering wie möglich gewählt, um den maximalen Hub der Magnetankervorrichtung 25 und damit die erforderliche Magnetkraft möglichst gering zu halten.

Der Hub des Schließelements 16 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 23 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 23, desto größer ist der Hub des Schließelements 16 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss in dem Proportionalventil 1, da die Kraft der Federn 4, 22 hubabhängig ist. Ab einem bestimmten Hub des Schließelements 16 ist auch die Kanalöffnung 27 durch das Schieberventil 26 freigegeben und ein Gasdurchfluss durch das Proportionalventil 1 ist freigegeben. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 23 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 16 reduziert und somit der Gasdurchfluss durch das Schieberventil 26 gedrosselt.

Fig.2c zeigt das Ausführungsbeispiel aus der Fig.l bei maximalen Öffnungshub. Die Magnetankervorrichtung 25 und das Schließelement 16 haben ihren maximalen Hub erreicht, so dass ein maximaler Durchfluss durch das Proportionalventil 1 erfolgt. Neben der Durchlassöffnung 17 ist nun auch der Durchgangskanal 12 durch das Schieberventil 26 maximal freigegeben.

Wird der Strom an der Magnetspule 23 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 8 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 16 mittels des Verbindungselements 10 reduziert wird. Die Magnetankervorrichtung 25 und das Schließelement 16 bewegen sich in Richtung der Durchlassöffnung 17, wobei das Schließelement 16 mit dem elastischen Dichtelement 18 an dem Ventilsitz 19 abdichtet. Der Gasdurchfluss in dem Proportionalventil 1 ist unterbrochen.

Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet wie in Fig.l. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Durchflussrichtung des gasförmigen Mediums durch das Proportionalventil 1 umgekehrt. Weiterhin ist das Schließelement 16 so angeordnet, dass bei einer Öffnung des Proportionalventils 1 das Schließelement 16 in eine Richtung hin öffnet, welche von der Magneteinrichtung 24 wegführt. Das heißt, dass die Richtung der resultierenden Kraft der Federn 4, 22 und die der magnetischen Kraft im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel umgekehrt sind.

Neben dem Schließelement 16 öffnet auch das Steuerventil 26 in dieselbe Rich- tung wie das Schließelement 16 und ist somit im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel entgegengesetzt gerichtet. Dies hat zur Folge, dass bei einer Öffnung des Proportionalventils 1 das gasförmige Medium aus dem Verbindungsraum 15 über die Durchlasskanäle 101 in den Abström bereich 21 und somit in den Durchgangskanal 12 treten. Daher sind die Durchlasskanäle 101 im weiteren Ausführungsbeispiel auch größer ausgebildet als im ersten Ausführungsbeispiel, um die maximal mögliche Durchflussrate durch das Proportionalventil 1 nicht zu drosseln.

Weiterhin ist das Verbindungselement 10 zusätzlich in einer weiteren Führung 30 mit einer Abdichtung 31 an dem Ventilgehäuse 2 aufgenommen und geführt.

Die prinzipielle Funktionsweise des weiteren Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels. Das erfindungsgemäße Proportionalventil 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung Verwendung finden. Mittels des Proportionalventils 1 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden. Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 23 des Proportionalventils 1 , durch welche der Hub des Schließelements 16 und damit der Hub des Schieberventils 26 betätigt wird, wird durch das Schieberventil 26 ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 17 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt. Das Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums weist somit den Vorteil auf, dass hierbei die Zuführung des ersten gasförmigen Mediums und die Zudosierung von Wasserstoff in den Anodenbereich der Brennstoffzelle mittels elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchlassöffnung 17 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter erfolgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folgeschäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden.