Ein derartiges Gasventil ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise als Gassteuerventil bei einer Brennstoffzel- le einsetzbar.

Das bekannte Gasventil umfaßt ein Ventilgehäuse, in dem ein Ventilschließglied axial verschieblich geführt ist, das mit einer elektromagnetischen Betätigungseinheit verbunden ist.

Das Ventilschließglied dient zur Steuerung eines Gasstroms von einer Zuströmseite zu einer Abströmseite und wirkt hierzu mit einem Ventilsitz zusammen, der an einer Ventil-

platte ausgebildet ist. Die Zuströmseite ist mit einem das Ventilschließglied umgebenden Druckbereich verbunden. Beim Öffnen des Ventilschließglieds erfolgt ein Gasstrom von dem Druckbereich zu einer Bohrung der Ventilplatte, welche in eine Düse mündet, die zu der Abströmseite führt.

An der Stirnseite des Ventilschließglieds ist üblicherweise ein Dichtbund ausgebildet, der bei geschlossenem Ventil- schließglied auf eine Dichtplatte aufsetzt und eine zylind- rische Bohrung der Dichtplatte umgibt. Bei geschlossenem Ventilschließglied herrscht zwischen dem das Ventilschließ- glied umgebenden Druckbereich und dem an die Stirnseite des Ventilschließglieds grenzenden Ventilraum eine große Druck- differenz, so daß die zum Öffnen des Ventilschließglieds erforderliche Magnetkraft groß ausgelegt sein muß.

Des weiteren haben Gase, wie Wasserstoff oder Methan, im Vergleich zu flüssigen Kraftstoffen eine geringere Dichte.

Daher ist bei Gasen häufig ein wesentlich gößerer Volumen- strom erforderlich, so daß bei einem Gaseventil eine große Durchstromfläche am Ventildichtsitz wünschenswert ist.

Hierbei ist zu beachten, daß der Ventilhub wegen der hohen Dynamik des Ventils begrenzt ist, was zur Folge hat, daß der Dichtsitz im wesentlichen hinsichtlich seines Durchmes- sers veränderbar ist. Eine Vergrößerung des Dichtsitzes führt aber zu einer Erhöhung der aufzubringenden Öffnungs- kraft bzw. Magnetkraft, was wiederum einen erhöhten Strom- verbrauch zur Folge hat. Ferner kann der Durchmesser des Dichtsitzes aufgrund eines häufig beschränkten Bauraums nicht beliebig groß gewählt werden. Die Volumenströme bzw.

Massenströme des strömenden Gases sind aus diesen Gründen

häufig nicht hinreichend groß für die bei Gasmotoren und Brennstoffzellenantrieben herrschenden Anforderungen.

Vorteile der Erfindung Das Gasventil nach der Erfindung mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem die Zuströmsei- te stromab mit einem inneren und einem äußeren Druckbereich verbunden ist, welche Druckbereiche stromauf des Ventilsit- zes angeordnet sind, wobei der innere Druckbereich einen a- xialen Druckkanal des Ventilschließglieds umfaßt, der an der freien Stirnseite des Ventilschließglieds austritt, und der äußere Druckbereich das Ventilschließglied umgibt, hat den Vorteil, daß das Ventilschließglied mit geringem Kraft- aufwand betätigbar ist, da bei dessen Öffnen in dem inneren und in dem äußeren Druckbereich im wesentlichen der gleiche Druck herrscht und aus beiden Druckbereichen Gas in Rich- tung der Durchströmöffnung strömt. Dies hat gegenüber einem Gasventil nach dem Stand der Technik den Vorteil, daß eine insbesondere elektromagnetische Betätigungseinheit für das Ventilschließglied mit geringerer Leistung auslegbar ist.

Bei dem Gasventil nach der Erfindung handelt es sich um ein Ventil, das nach dem Druckausgleichsprinzip arbeitet, hohe Massenströme zuläßt sowie nur geringe Kräfte zur Betätigung des Ventilschließglieds erfordert.

Das Gasventil nach der Erfindung ist insbesondere zur Mas- senstromregelung von Gasen wie Wasserstoff und Erdgas ge-

eignet und kann beispielsweise bei einer Brennstoffzelle eingesetzt werden.

Das Gasventil nach der Erfindung ist zweckmäßig derart aus- gelegt, daß das Ventilschließglied stirnseitig eine als Ringfläche ausgebildete Dichtfläche aufweist. Die Dichtflä- che überdeckt bei geschlossenem Ventilschließglied die min- destens eine Durchströmöffnung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Gasventils nach der Erfindung ist der innere Druckbereich über mindestens einen in dem Ventilschließglied ausgebildeten Abströmkanal mit dem äußeren Druckbereich verbunden. Der Abströmkanal kann als radial ausgerichtete Bohrung des Ventilschließ- glieds ausgebildet sein, kann aber auch mit einem bestimm- ten Anstellwinkel in Strömungsrichtung gegenüber einer Ach- se des Ventilschließglieds geneigt sein und von einer als Zufuhrkanal dienenden axialen Bohrung an die Außenseite des Ventilschließglieds führen. Der Zufuhrkanal mündet dann auch in eine axiale Bohrung gegebenenfalls verminderten Durchmessers, die den inneren Druckbereich darstellt bzw. ein Teil dessen ist. Insbesondere bei dieser Ausführungs- form ist zuverlässig gewährleistet, daß ein Druckausgleich zwischen dem inneren Druckbereich und dem äußeren Druckbe- reich erfolgt und somit die auf das Ventilschließglied wir- kenden Fluidkräfte ausgeglichen sind.

Um einen möglichst homogenen Gasfluß zwischen den beiden Druckbereichen und der Abströmseite zu gewährleisten, hat die Ventilplatte mindestens zwei Durchströmöffnungen, die mittels der Dichtfläche abdeckbar sind. Beispielsweise kann

die Ventilplatte auch vier Durchströmbohrungen aufweisen.

Bei einer ringfömig ausgebildeten Dichtfläche sind die Durchströmöffnungen entlang einer Kreislinie angeordnet, deren Radius etwa dem mittleren Radius der Dichtfläche ent- spricht.

Die Durchströmöffnungen können als nierenförmige bzw. lin- senförmige Durchbrüche oder auch als entlang der Kreislinie angeordnete Düsen ausgebildet sein. Im ersteren Fall ist es in der Regel üblich, stromab der Durchbrüche bzw. Kanäle und stromauf der Abströmseite eine beispielsweise an der Dichtplatte ausgebildete Drosselbohrung bzw. Düse anzuord- nen, deren Dimensionen die zu der Abströmseite strömende Gasmenge festlegen. Wenn in dem inneren und dem äußeren Druckbereich beispielsweise ein Druck von etwa 8 bar herrscht, wirkt dieser Druck beim Öffnen des Ventilschließ- glieds durch die linsenförmigen Durchbrüche bis zu der Drosselbohrung. Mittels der Drosselbohrung wird der Druck auf beispielsweise 1 bar reduziert.

Bei Ausbildung der Durchströmöffnungen als nierenförmige bzw. linsenförmige Durchbrüche ist stromab derselben übli- cherweise eine einen Totvolumenraum darstellende Zentral- bohrung des Gasventils angeordnet, von wo aus das betref- fende Gas über die Drosselbohrung mit Schall-bzw. Über- schallgeschwindigkeit zu der Abströmseite strömt. Letztere kann einen Dämpfungsraum bilden oder auch an die Atmosphäre führen.

Die Querfläche der stromab des Totvolumenraums angeordneten Drosselbohrung ist zur Vermeidung eines Einflusses von

Druckstößen auf den Dichtsitz bevorzugt um den Faktor 2,0 bis 2,5 kleiner als die Fläche der als nierenförmige bzw. linsenförmige Durchbrüche ausgebildeten Durchströmöffnun- gen.

Zur Verbesserung der Dynamik des Gasventils nach der Erfin- dung kann die zur Befüllung des Totvolumenraums erforderli- che Zeit dadurch verringert werden, daß an der Dichtplatte ein vorzugsweise konisch ausgebildeter Absatz bzw. Sockel angeordnet ist, der in den Totvolumenraum ragt. Der Absatz mindert des weiteren die Ausbildung von Strömungswirbeln, die beim Öffnen des Ventilschließglieds, insbesondere bei kleinen Ventilhüben, durch Ablösung der Gasströmung entste- hen können.

Bei Ausbildung der Durchströmöffnungen als Düsen kann auf die Nachschaltung einer Drosselbohrung verzichtet werden, da durch entsprechende Auslegung der Düsen der an der Ab- strömseite wirkende Gasdruck einstellbar ist.

Die Dichtplatte kann aus unterschiedlichen Materialien, wie beispielsweise Stahl, PEEK mit Kohlefasern, einem Hart- kunststoff oder einer Keramik, hergestellt sein, und zwar beispielsweise nach einem Ätz-, einem Erodier-oder einem Laserverfahren.

Das Gasventil nach der Erfindung kann zur Dichtigkeitserhö- hung am Ventilsitz eine Elastomerdichtung umfassen. Diese ist zweckmäßig an der an der Stirnseite des Ventilschließ- glieds liegenden Dichtfläche angeordnet und kann eine oder auch mehrere Dichtlippen aufweisen.

Zweckmäßig ist die Elastomerdichtung ringförmig ausgebildet und an dem Ventilschließglied an dessen Stirnseite in eine korrespondierende Ringnut eingebettet. Sie kann mit zwei Dichtlippen versehen sein, von denen eine am inneren Rand des Dichtrings angeordnet und damit dem inneren Druckbe- reich zugeordnet und die andere am äußeren Rand des Dicht- rings angeordnet und damit dem äußeren Druckbereich zuge- ordnet ist.

Des weiteren kann das Gasventil nach der Erfindung einen als Anschlag für das Ventilschließglied dienenden Sockel aufweisen. Dieser ist beispielsweise an der Ventilplatte ausgebildet. Der Anschlag stellt einen Prallabfänger dar und begrenzt die Verformung des elastomeren Dichtrings und damit dessen Verschleiß und definiert den Luftspalt an ei- nem zur Betätigung des Ventilschließglieds dienenden Mag- netanker eindeutig. Bei einem in einer Nut eingebetteten Dichtring mit Dichtlippen ist es denkbar, daß das Ventil- schließglied selbst einen Schutzring bzw. Prallabfänger zur Schonung des Dichtrings bildet.

Um in der Schließstellung des Ventilschließglieds eine hohe Dichtigkeit zu gewährleisten, können an der Dichtplatte auch Schürzen zur Auflage der Elastomerdichtung ausgebildet sein. Diese Schürzen bilden beispielsweise die Ränder der Düsen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Ge- genstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.

Zeichnung Fünf Ausführungsbeispiele eines Gasventils nach der Erfin- dung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht darge- stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Gasventil nach der Erfindung mit einer Düsenplatte ; Figur 2 eine Aufsicht auf die Düsenplatte des Gasventils nach Figur 1 ; Figur 3 eine zweite Ausführungsform eines Gasventils nach der Erfindung mit einer Düsenplatte ; Figur 4 einen Schnitt durch einen Dichtbereich des Gasven- tils nach Figur 3 in vergrößerter Darstellung ; Figur 5 eine Figur 4 entsprechende Ansicht, jedoch mit ei- nem veränderten Dichtbereich ; Figur 6 einen Schnitt durch ein Gasventil nach der Erfin- dung mit einer sogenannten Nierenplatte ; Figur 7 eine Aufsicht auf die Nierenplatte des Gasventils nach Figur 6 ; Figur 8 einen Schnitt durch die Nierenplatte nach Figur 7 entlang der Linie VIII-VIII in Figur 7 ; Figur 9 eine Aufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Nierenplatte ; und Figur 10 einen Schnitt durch die Nierenplatte nach Figur 9 entlang der Linie X-X in Figur 9.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein Gasventil 10 zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor dargestellt, das zur Regelung eines Wasserstoffstroms bzw. eines NG (natural gas) -Gasstroms dient.

Das Gasventil 10 umfaßt ein Gehäuse 12, in welchem ein Ven- tilschließglied 14 in einer langen, von dem Gehäuse 12 ge- bildeten Führung axial verschieblich geführt ist, das mit einer hier nicht näher dargestellten elektromagnetischen Betätigungseinheit in Wirkverbindung steht und mit einem Gleitlack beschichet ist.

Das Ventilschließglied 14 umfaßt eine als Zufuhrkanal die- nende, erste Axialbohrung 16, die mit einer hier nicht dar- gestellten Zuströmseite des Gasventils 10 verbunden ist.

Von der ersten Axialbohrung 16 zweigen vier über den Umfang des Ventilschließglieds 14 verteilte Radialbohrungen 18 ab, die jeweils eine radiale Abströmbohrung bilden und von de- nen in Figur 1 drei dargestellt sind und die zu einem soge- nannten äußeren Druckbereich 20 führen, der an die Außen- seite des Ventilschließglieds 14 grenzt. In axialer Rich- tung mündet die erste Axialbohrung 16 in eine zweite, einen Druckkanal darstellende Axialbohrung 19, deren Durchmesser geringer als der Durchmesser der ersten Axialbohrung 16 ist und die an der freien Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14 austritt. Die zweite Axialbohrung 19 geringeren Durch- messers, die eine axiale Abströmbohrung darstellt, bildet einen sogenannten inneren Druckbereich 22 bzw. ist Teil desselben.

Beim Betrieb des Gasventils 10 strömt Gas aus der ersten A- xialbohrung 16 über die radialen Abströmbohrungen 18 in den einen Gasraum darstellenden, äußeren Druckbereich 20 und ü- ber die axiale Abströmbohrung 19 an die freie Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14.

Sowohl der innere Druckbereich 22 als auch der äußere Druckbereich 20 sind stromauf eines Ventilsitzes 26 ange- ordnet, der mit der freien Stirnseite 24 des Ventilschließ- glieds 14 zusammenwirkt und an einer als Dichtplatte bzw.

Dichtsitzscheibe dienenden Düsenplatte 28 ausgebildet ist, die mit dem Ventilschließglied 14 zusammenwirkt.

In der Düsenplatte 28 sind, wie Figur 2 zu entnehmen ist, entlang einer Kreislinie vierzehn axial ausgerichtete, als Durchströmöffnungen dienende Düsen 30 ausgebildet, die über eine Ringnut 32 zu einer Abströmseite 34 des Gasventils 10 führen und eine abgerundete Einströmkante mit einem Krüm- mungsradius von 0,05 mm haben. Die Düsen 30 sind jeweils so ausgelegt, daß das Verhältnis ihrer Länge zu ihrem Durch- messer etwa 0,7 beträgt. Dies bewirkt ein optimales Strö- mungsverhalten des durch die Düsen 30 strömenden Gases.

Die Stirnseite 24 des Ventilschließglieds 14 ist als Ring- fläche ausgebildet, an der eine aus einem elastomeren Werk- stoff gefertigte Ringdichtung 36 eingebettet ist. Die Ring- dichtung 36 schließt in Schließstellung des Ventilschließ- glieds 14 die Düsen 32 ab, so daß ein Gasstrom von den Druckbereichen 20 und 22 zu der Abströmseite gesperrt ist.

In Figur 3 ist ein Gasventil 40 dargestellt, das im wesent- lichen demjenigen nach Figur 1 entspricht. Das Gasventil 40 unterscheidet sich von dem Gasventil nach Figur 1 jedoch durch die Ausbildung des Ventilschließglieds 14, und zwar dadurch, daß es nicht mit radial ausgerichteten Abströmboh- rungen versehen ist, sondern neben der axialen Abströmboh- rung 19 winklig gegenüber der Längsachse des Ventilschließ- glieds 14 ausgerichtete Abströmbohrungen 42 aufweist, die zu dem äußeren Druckbereich 20 führen, was ein optimiertes Strömungsverhalten des betreffenden Gases bewirkt.

Der Dichtbereich des Gasventils 40 ist in Figur 4 detail- liert dargestellt. Er zeichnet sich dadurch aus, daß die Düsenplatte 28 einen gegebenenfalls ringförmigen Sockel 44 aufweist, der als Anschlag für das Ventilschließglied 14 dient und im Randbereich des letzteren angeordnet ist.

Des weiteren weist die Düsenplatte 28 an den Düsen 30 je- weils als Dichtlippe dienende Schürzen 46 auf, die bei ge- schlossenem Ventilschließglied 14 in die ringförmige E- lastomerdichtung 36 eingreifen, die in eine Ringnut des Ventilschließglieds eingebettet ist. Zur Optimierung der Strömungsbedingungen sind die Kanten der Elastomerdichtung 36 angeschrägt und die Einströmkanten der Düsen 30 mit ei- nem Krümmungsradius von etwa 0,05 mm abgerundet.

Die Strömung des betreffenden Gases in dem Gasventil 40 ist ebenfalls Figur 4 zu entnehmen. Das Gas strömt von der Zu- strömseite gemäß einem Pfeil A durch die erste Axialbohrung 16 des Ventilschließglieds 14 und von dort zum einen durch die Abströmkanäle 42 gemäß einem Pfeil B in den äußeren

Druckbereich 20 und zum anderen gemäß einem Pfeil C durch die zweite Axialbohrung 19, die Teil des inneren Druckbe- reichs 22 ist. Beim Öffnen des Ventilschließglieds 14 strömt Gas aus dem äußeren Druckbereich 20 gemäß einem Pfeil D und aus dem inneren Druckbereich 22 gemäß einem Pfeil E zu den Düsen 30 und über diese gemäß einem Pfeil F zu der Abströmseite des Gasventils 40.

In Figur 5 ist eine alternative Ausführungsform eines Dichtbereichs bei einem Gasventil der in Figur 3 darge- stellten Art gezeigt. Der Dichtbereich nach Figur 5 unter- scheidet sich von demjenigen nach Figur 4 dadurch, daß er einen Dichtring 52 aufweist, der mit zwei Dichtlippen 54 und 56 versehen ist, die am inneren bzw. am äußeren Rand des Dichtrings 52 angeordnet sind. Die Dichtlippen 54 und 56 greifen bei geschlossenem Ventilschließglied 14 an der Dichtplatte 28 an, die hier ohne Anschlagsockel sowie ohne Schürzen ausgebildet ist.

In den Figuren 6 bis 8 ist eine weitere Ausführungsform ei- nes Gasventils 60 dargestellt, das weitgehend dem Gasventil nach Figur 1 entspricht, sich von diesem aber dadurch un- terscheidet, daß es nicht mit einer Düsenplatte sondern mit einer als sogenannte Nierenplatte ausgebildeten Dichtplatte bzw. Dichtsitzscheibe 62 ausgestattet ist, die in den Figu- ren 7 und 8 detailliert dargestellt ist.

Die Nierenplatte 62 dient als Dichtsitz für das Ventil- schließglied 14 bzw. für den in dieses eingebetteten Dicht- ring und weist im vorliegenden Fall zwei nieren-bzw. lin- senförmige Durchbrüche bzw. Kanäle 64 und 66 auf, die ent-

lang einer Kreislinie angeordnet sind, deren Durchmesser im wesentlichen dem mittleren Durchmesser der ringförmigen Stirnfläche 24 des Ventilschließglieds 14 entspricht. Die Durchbrüche 64 und 66 sind durch zwei Stege 68 und 70 von- einander getrennt und münden in eine einen Totvolumenraum darstellende Zentralbohrung 72, die an einem die Abström- seite 34 aufweisenden Bauteil 74 des Gasventils 60 ausge- bildet ist und die zu einer nachgeschalteten Drosselbohrung bzw. Düse 76 führt, mittels der der an der Abströmseite 34 herrschende Druck definiert ist. Denkbar ist es auch, mehr als zwei, beispielsweise drei oder vier nierenförmige Durchbrüche bzw. Kanäle in der Nierenscheibe 62 vorzusehen.

Wie Figur 8 zu entnehmen ist, haben die Durchbrüche 64 und 66 abgerundete Einströmkanten 67, die an der in Richtung des Ventilschließglieds 14 weisenden Seite der Nierenplatte 62, angeordnet sind und einen Krümmungsradius von etwa 0,05 mm aufweisen.

Bei Betätigung des Ventilschließglieds strömt Gas aus dem inneren Druckbereich 22 und dem äußeren Druckbereich 20 gleichmäßig über die Durchströmfläche am Dichtsitz und die mittels der Durchbrüche 64 und 66 bereitgestellte Druckflä- che in den Totvolumenraum 62 ein. Von dort strömt das Gas über die Drosselbohrung 76 mit Schall-bzw. Überschallge- schwindigkeit an die Abströmseite 34 ab.

Etwaig in dem Gasventil 60 auftretende Verdichtungsstöße sind an die einen Dämpfungsraum bildende Abströmseite 34 verlagert und treten mithin nicht an der Nierenplatte 62 auf. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Durchström-

fläche am Dichtsitz bzw. die Fläche der nierenförmigen Durchbrüche 64 und 66 so gewählt ist, daß sie bei einem ma- ximalen Hub des Ventilschließglieds 14 um mindestens den Faktor 2 bis 2,5 größer ist als die Drosselfläche der Düse 76.

In den Figuren 9 und 10 ist eine alternative Ausführungs- form einer Nierenplatte 90 zum Einsatz bei einem Gasventil der in Figur 6 gezeigten Art dargestellt. Die Nierenplatte 90 unterscheidet sich von der in den Figuren 7 und 8 darge- stellten Nierenplatte dadurch, daß sie einen Absatz bzw.

Sockel 91 aufweist, der in den Totvolumenraum 72 ragt und konisch ausgebildet ist, so daß die zur Befüllung des Tot- volumenraums 72 erforderliche Zeit verkürzt werden kann.

Ferner dient der Absatz 91 zur Vermeidung von Strömungswir- beln, die beim Öffnen des Ventilschließglieds, insbesondere bei kleinen Ventilhüben, durch Ablösung der Gasströmung entstehen können.

Des weiteren weist die Nierenplatte 90 an der dem Ventil- schließglied 14 zugewandten Seite eine ringförmige Vertie- fung 92 sowie eine zentral angeordnete, kreisförmige Ver- tiefung 93 auf, wobei die ringförmige Vertiefung 92 dem äu- ßeren Druckbereich 20 und die kreisförmige Vertiefung 93 dem inneren Druckbereich 22 zugeordnet ist. Zwischen der ringförmigen Vertiefung 92 und der kreisförmigen Vertiefung 93 ist mithin ein Podest 94 ausgebildet, das die Durchbrü- che bzw. Kanäle 64 und 66 umgibt.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausfüh- rungsbeispiele beschränkt. Vielmehr kann beispielsweise das

in Figur 6 dargestellte Gasventil auch mit einem Ventil- schließglied versehen sein, das demjenigen des in Figur 3 dargestellten Gasventils entspricht und mithin mit Abström- bohrungen versehen ist, deren Achsen nicht radial gegenüber der Längsachse des Ventilschließglieds ausgerichtet sind sondern mit letzterer einen spitzen Winkel einschließen.

Auch kann das in Figur 6 dargestellte Gasventil mit einem Dichtbereich der in Figur 4 oder 5 dargestellten Art verse- hen sein. Es kann also einen als Anschlag dienenden Sockel aufweisen, der an der Dichtsitzplatte bzw. Nierenplatte o- der auch an dem Ventilschließglied ausgebildet ist und/oder mit einem Dichtring aus einem elastomeren Material versehen ist, der mit Dichtlippen versehen sein kann oder auch plan ausgebildet sein kann. In letzterem Fall sind die Kanten 67 zur Optimierung der Strömungsbedingungen vorzugsweise ange- schrägt oder abgerundet.