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WO2019037924A1 - Proportionalventil zum steuern eines gasförmigen mediums - Google Patents

Proportionalventil zum steuern eines gasförmigen mediums Download PDF

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WO2019037924A1
WO2019037924A1 PCT/EP2018/066881 EP2018066881W WO2019037924A1 WO 2019037924 A1 WO2019037924 A1 WO 2019037924A1 EP 2018066881 W EP2018066881 W EP 2018066881W WO 2019037924 A1 WO2019037924 A1 WO 2019037924A1
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proportional valve
valve
controlling
gaseous medium
armature
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PCT/EP2018/066881
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French (fr)
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Stephan Wursthorn
Andreas Gruenberger
Hans-Christoph Magel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to US16/640,846 priority patent/US11242939B2/en
Priority to KR1020207007742A priority patent/KR102478295B1/ko
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Definitions

  • the invention relates to a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
  • a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen
  • the proportional valve comprises a valve body, a closing element and an elastic sealing element.
  • the valve body In the valve body, at least one passage opening is formed, which can be released or closed by the closing element on a valve seat.
  • the elastic sealing element seals on the valve seat.
  • the closing element is lift-movable by means of a magnet armature by means of an electromagnet, which comprises a magnet core and a magnet coil, and is acted upon by a spring in the direction of the valve seat.
  • the proportional valve according to the invention for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, in contrast, has the advantage that the valve body and the magnetic core are made in one piece, wherein the connection point of the two components is designed so that an optimal function of the proportional valve is achieved.
  • the proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen a valve housing, in which a closing element arranged therein cooperates for opening and closing at least one passage opening with a valve seat. Furthermore, there is a magnet armature device operatively connected to the closing element and an electromagnet, by means of which a magnetic force can be generated on the magnet armature device and the magnet armature device can be moved in a stroke along a longitudinal axis of the proportional valve.
  • the electromagnet comprises an inner pole, an outer pole and a magnetic coil and the magnet armature device comprises a magnet armature.
  • the valve housing and the inner pole are magnetically connected to each other via a magnetic throttle and the magnetic throttle body is formed in an axial extension region of the armature.
  • the inner pole has a recess with a recess edge into which the magnet armature dips during its stroke movement. In a closed position of the proportional valve is an end face of the armature with respect to the longitudinal axis at the same height with the recess edge of the recess. The recess edge forms the end of the magnetic throttle.
  • the valve housing and the inner pole are connected magnetically but also mechanically via the magnetic throttle point.
  • the one-piece design of the two components eliminates the use of a non-magnetic sleeve, whereby the wear of individual components, such as the armature, reduced in the proportional valve and overall the tightness of the proportional valve is increased.
  • the magnetic throttle is designed so that it optimizes the operation of the proportional valve.
  • the magnetic throttle point comprises a thin-walled cylindrical web.
  • the magnetic throttle point comprises a cone-shaped region which forms an annular groove together with the web and the magnet armature.
  • the web and the magnetic coil in the valve housing define a cavity. This contributes to a structurally simple design of the proportional valve.
  • the thin-walled cylindrical web promotes a small leakage flux of the magnetic field lines in the web in the direction of the magnet armature, since only a small radial magnetic pole surface is formed, whereby its stroke is hardly affected.
  • the magnet armature device is guided in a first guide section and a second guide section in the valve housing or the inner pole.
  • first bearing bushes are arranged on the first guide section, in which a connecting element encompassed by the magnet armature device is received and guided.
  • second bearing bushes can be arranged on the second guide section, in which the magnet armature is received and guided.
  • the magnet armature device is arranged in the valve housing in the radial direction in such a way that radial tiltings with respect to the valve seat are minimized, thus achieving optimum tightness of the proportional valve.
  • second bearing bushes are arranged on the second guide portion, in which the connecting element is received and guided on a piston-shaped portion.
  • the connecting element in particular the piston-shaped section, is made of a material with high mechanical strength.
  • an elastic sealing element is arranged between the closing element and the valve seat.
  • the valve seat is designed as a flat seat.
  • a closing spring is arranged in the valve housing, which is supported between the connecting element of the magnet armature device and the valve housing and the magnet armature device in the direction of the valve seat.
  • the closing spring thus ensures the seating of the elastic sealing element on the valve seat, so that an optimal tightness of the metering device is achieved.
  • an interior which is divided by the inner pole or the valve housing into a spring chamber and a magnet armature space in the valve housing.
  • an inlet channel is formed in the valve housing radially to the longitudinal axis of the proportional valve via which gaseous medium, preferably hydrogen, can enter the proportional valve. This favors a simple and structurally compact design.
  • the described proportional valve is preferably suitable in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to an anode region of a fuel cell.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a proportional valve according to the invention in longitudinal section
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the proportional valve according to the invention in longitudinal section.
  • Fig. 3 shows a third embodiment of the proportional valve according to the invention in longitudinal section.
  • Fig.l shows a first embodiment of a proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section.
  • the proportional valve 1 has a valve housing 2 with an interior 3.
  • an electromagnet 26 is arranged, which comprises a magnetic coil 12, an inner pole 14 and an outer pole 13.
  • a lifting magnet armature device 25 is arranged in the interior 3.
  • the magnet armature device 25 comprises a magnet armature 8 and a connecting element 9, which is received in a recess 36 of the magnet armature 8 and thus firmly connected to the magnet armature 8, for example, by a weld or by pressing.
  • the magnet armature 8 is designed as a plunger armature and received in the inner pole 14.
  • the inner pole 14 has a recess 21 with a recess edge 35, in which the magnet armature 8 is immersed in its lifting movement.
  • first bearing bushes 60 are arranged in a recess 34, in which the connecting element 9 is received and guided on a first guide section 6 of the inner pole 14. Furthermore, second bearing bushes 70 are arranged on the valve housing 2, in which the magnet armature 8 is received and guided.
  • the connecting element 9 is fixedly connected at one end to a closing element 10.
  • the closing element 10 has an elastic sealing element 11 at its end facing away from the connecting element 9.
  • the valve housing 2 comprises a nozzle body 15, which has a passage opening 18, whereby an inflow region 28 can be connected to an outflow region 29.
  • a flat valve seat 19 is formed, which cooperates with the elastic sealing element 11 of the closing element 10, so that when the closing element 10 rests with the elastic sealing element 11 on the flat valve seat 19, the passage opening 18 is closed.
  • a spring chamber 30 is formed, which forms part of the inner space 3.
  • a closing spring 4 is arranged, which is supported between the inner pole 14 and a plate-shaped end 5 of the connecting element 9.
  • the closing spring 4 acts on the magnet armature device 25 with a force in the direction of the valve seat 19.
  • the interior space 3 comprises a magnet armature space 300, in which the magnet armature 8 is arranged.
  • the magnet armature space 300 is connected to the spring chamber 30 via a connecting channel 16.
  • the magnet armature 8 adjoins the inflow region 28, which can be filled with gaseous medium, for example hydrogen, via a feed channel 17 arranged radially with respect to the longitudinal axis 40 of the proportional valve 1.
  • the valve housing 2 and the inner pole 14 are magnetically and mechanically connected to each other via a magnetic throttle point 20.
  • the magnetic throttle body 20 comprises a thin-walled cylindrical web 201 and a conical region 202, whereby an annular groove 302 is formed in the magnet armature space 300.
  • the thin-walled cylindrical web 201 has a wall thickness between 0.2 mm and 0.5 mm, preferably between 0.3 mm and 0.35 mm.
  • the magnetic throttle body 20 extends from the recess edge 35 of the recess 21 in the height H in the direction of the closing element 10 to a height h with respect to the longitudinal axis 40 on the magnet armature 8.
  • the magnetic coil 12 If the magnetic coil 12 is energized, a magnetic force is generated on the armature 8, which is opposite to the closing force of the closing spring 4. This magnetic force is transmitted via the connecting element 9 to the closing element 10, so that the closing force of the closing spring 4 is overcompensated and the closing element 10 lifts off from the valve seat 19. A gas flow through the proportional valve 1 is released.
  • the stroke of the closing element 10 can be adjusted via the height of the current at the magnetic coil 12. The higher the current intensity at the magnetic coil 12, the greater the stroke of the closing element 10 and the higher the gas flow in the proportional valve 1, since the force of the closing spring 4 is dependent on the stroke. If the current intensity at the magnetic coil 12 is reduced, the stroke of the closing element 10 is also reduced and thus the gas flow rate is throttled.
  • the magnetic leakage flux which results from the magnetic field lines in the magnetic throttle body 20, is small, so that this hardly affects the lifting movement of the armature 8. If the magnet armature 8 dips into the recess 21 of the inner pole 14, the leakage flux of the magnetic field lines in the inner pole 14 or the valve housing 2 increases, so that the magnetic influence on the magnet armature 8 increases. As a result, the lifting height of the magnet armature 8 can be variably adjusted.
  • the magnetic force is reduced to the armature 8, so that the force is reduced to the closing element 10 by means of the connecting element 9.
  • the closing element 10 moves in the direction of the passage opening 18 and seals with the elastic sealing element 11 on the valve seat 19.
  • the gas flow in the proportional valve 1 is interrupted.
  • 2 shows a further embodiment of the proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. Components with the same function are designated by the same reference number. Compared to Fig.l the thin-walled cylindrical web 201 is formed in this embodiment so that they define a cavity 301 together with the magnetic coil 12.
  • the cavity 301 is rectangular in cross section.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. Components with the same function are designated by the same reference number.
  • a piston-shaped portion 23 of the connecting element 9 is received and guided on the second bearing bushes 70.
  • the connecting element 9 is made of a material with high mechanical strength.
  • the proportional valve 1 can be used for example in a fuel cell assembly.
  • hydrogen can be supplied from a tank to an anode region of the fuel cell.
  • a flow cross-section of the passage opening 18 is changed such that a demand-oriented adjustment of the gas flow supplied to the fuel cell takes place continuously.
  • the proportional valve 1 for controlling a gaseous medium thus has the advantage that in this case the supply of the first gaseous medium and the metered addition of hydrogen into the anode region of the fuel cell by means of electronically controlled adjustment of the flow cross section of the passage opening 18 while controlling the anode pressure much more accurate can be done.
  • the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion.
  • consequential damage, such as damage to a downstream catalyst can be prevented.

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Abstract

Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), in dem ein darin angeordnetes Schließelement (10) zum Öffnen und Schließen mindestens einer Durchlassöffnung (18) mit einem Ventilsitz (19) zusammenwirkt. Weiterhin ist eine mit dem Schließelement (10) wirkverbundene Magnetankervorrichtung (25) und ein Elektromagnet (26) vorhanden, durch welchen eine magnetische Kraft auf die Magnetankervorrichtung (25) erzeugbar und die Magnetankervorrichtung (25) entlang einer Längsachse (40) des Proportionalventils (1) hubbewegbar ist. Außerdem umfassen der Elektromagnet (26) einen Innenpol (14), einen Außenpol (13) und eine Magnetspule (12) und die Magnetankervorrichtung (25) einen Magnetanker (8). Das Ventilgehäuse (2) und der Innenpol (14) sind über eine magnetische Drosselstelle (20) magnetisch miteinander verbunden sind die magnetische Drosselstelle (20) ist in einem axialen Erstreckungsbereich des Magnetankers (8) ausgebildet. Darüber hinaus weist der Innenpol (14) eine Ausnehmung (21) mit einer Ausnehmungskante (35) auf. In dieser Ausnehmung (21) taucht der Magnetanker (8) bei seiner Hubbewegung ein. In einer Schließstellung des Proportionalventils (1) liegt eine Stirnfläche (33) des Magnetankers (8) bezüglich der Längsachse (40) auf derselben Höhe mit der Ausnehmungskante (35) der Ausnehmung (21), wobei die Ausnehmungskante (35) das Ende der magnetischen Drosselstelle (20) bildet.

Description

Beschreibung
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 Ventilkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement um- fasst. In dem Ventilkörper 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. Das Schließelement ist durch einen Elektromagneten, welcher einen Magnetkern und eine Magnetspule umfasst, mittels eines Magnetankers hubbewegbar und wird durch eine Feder in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt.
Im normalen Betriebsbereich des Proportionalventils treten häufige Öffnungsund Schließvorgänge auf. Dazu erfolgt mittels einer Magnetkraft, welcher von dem Elektromagneten erzeugt wird, eine Hubbewegung des Schließelements. Für einen optimalen magnetischen Fluss sind der Ventilkörper und der Magnetkern bei dem bekannten Proportionalventil über eine nicht magnetische Hülse verbunden. Dies führt jedoch zu erhöhten Toleranzen in der Führung des Magnetankers innerhalb des Ventilkörpers, was zu einem Verschleiß an dem Magnetanker, aber auch an dem Schließelement führt. Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Ventilkörper und der Magnetkern einteilig ausgeführt sind, wobei die Verbindungsstelle der beiden Komponenten so ausgeführt ist, dass eine optimale Funktion des Proportionalventils erzielt wird.
Dazu weist das Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in dem ein darin angeordnetes Schließelement zum Öffnen und Schließen mindestens einer Durchlassöffnung mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Weiterhin ist eine mit dem Schließelement wirkverbundene Magnetankervorrichtung und ein Elektromagnet vorhanden, durch welchen eine magnetische Kraft auf die Magnetankervorrichtung erzeugbar und die Magnetankervorrichtung entlang einer Längsachse des Proportionalventils hubbewegbar ist. Der Elektromagnet umfasst einen Innenpol, einen Außenpol und eine Magnetspule und die Magnetankervorrichtung einen Magnetanker. Das Ventilgehäuse und der Innenpol sind über eine magnetische Drosselstelle magnetisch miteinander verbunden sind und die magnetische Drosselstelle ist in einem axialen Erstreckungsbereich des Magnetankers ausgebildet. Außerdem weist der Innenpol eine Ausnehmung mit einer Ausnehmungskante auf, in welche der Magnetanker bei seiner Hubbewegung eintaucht. In einer Schließstellung des Proportionalventils liegt eine Stirnfläche des Magnetankers bezüglich der Längsachse auf derselben Höhe mit der Ausnehmungskante der Ausnehmung. Die Ausnehmungskante bildet das Ende der magnetischen Drosselstelle.
Das Ventilgehäuse und der Innenpol sind über die magnetische Drosselstelle magnetisch, aber auch mechanisch miteinander verbunden. Durch die einteilige Ausbildung der beiden Komponenten entfällt der Einsatz einer nicht magnetischen Hülse, wodurch der Verschleiß einzelner Komponenten, wie beispielsweise dem Magnetanker, in dem Proportionalventil reduziert und insgesamt die Dichtheit des Proportionalventils erhöht wird. Weiterhin ist die magnetische Drosselstelle so ausgebildet, dass sie die Funktionsweise des Proportionalventils optimiert. So kann der Verlauf der magnetischen Feldlinien im Innenpol und in dem Ventilgehäuse und an der magnetischen Drosselstelle so beeinflusst werden, dass ein beliebiger Hub des Magnetankers je nach Bedarf des Wasserstoffmassenstroms ausgeführt werden kann.
In erster vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die magnetische Drosselstelle einen dünnwandigen zylindrischen Steg umfasst. Vorteilhafterweise umfasst die magnetische Drosselstelle einen konusförmigen Bereich, der zusammen mit dem Steg und dem Magnetanker eine Ringnut ausbilden. Dadurch ist der magnetische Streufluss an dem dünnwandigen zylindrischen Steg gering, so dass der magnetische Fluss durch den Steg nur einen geringfügigen Einfluss auf den Hub des Magnetankers hat. Dadurch ist eine präzise Steuerung des Proportionalventils möglich.
In vorteilhafter Weiterbildung begrenzen der Steg und die Magnetspule in dem Ventilgehäuse einen Hohlraum. Dies trägt zu einer konstruktiv einfachen Bauweise des Proportionalventils bei. Der dünnwandige zylindrische Steg begünstigt einen geringen Streufluss der magnetischen Feldlinien in dem Steg in Richtung des Magnetankers, da nur eine kleine radiale magnetische Polfläche ausgebildet wird, wodurch dessen Hub kaum beeinflusst wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Magnetankervorrichtung in einem ersten Führungsabschnitt und einem zweiten Führungsabschnitt in dem Ventilgehäuse bzw. dem Innenpol geführt ist. Vorteilhafterweise sind an dem ersten Führungsabschnitt erste Lagerbuchsen angeordnet, in welchen ein von der Magnetankervorrichtung umfasstes Verbindungselement aufgenommen und geführt ist. Ebenso vorteilhaft können an dem zweiten Führungsabschnitt zweite Lagerbuchsen angeordnet sein, in welchen der Magnetanker aufgenommen und geführt ist.
Dadurch ist die Magnetankervorrichtung in dem Ventilgehäuse in radialer Richtung so angeordnet, dass radiale Verkippungen bezüglich des Ventilsitzes minimiert werden und so eine optimale Dichtheit des Proportionalventils erzielt wird. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass an dem zweiten Führungsabschnitt zweite Lagerbuchsen angeordnet sind, in welchen das Verbindungselement an einem kolbenförmigen Abschnitt aufgenommen und geführt ist. Vorteilhafterweise ist das Verbindungselement, insbesondere der kolbenförmige Abschnitt, aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt. Dadurch werden radiale Verkippungen der Magnetankervorrichtung minimiert und auch der Verschleiß an dem Magnetanker verringert, wenn die Führung an dem Verbindungselement der Magnetankervorrichtung erfolgt. Weiterhin kann dieses dann an die mechanischen Gegebenheiten ange- passt werden, wie beispielsweise die Wahl eines Materials mit hoher mechanischer Festigkeit.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass zwischen dem Schließelement und dem Ventilsitz ein elastisches Dichtelement angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist der Ventilsitz als Flachsitz ausgebildet. Durch die Verwendung eines flachen Ventilsitzes in Kombination eines elastischen Dichtelements zur Abdichtung am Ventilsitz kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Proportionalventils sichergestellt werden, so dass beispielsweise kein Wasserstoff aus dem Proportionalventil austreten kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Ventilgehäuse eine Schließfeder angeordnet ist, welche sich zwischen dem Verbindungselement der Magnetankervorrichtung und dem Ventilgehäuse abstützt und die Magnetankervorrichtung in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt. Die Schließfeder gewährleistet somit das Aufsitzen des elastischen Dichtelements auf dem Ventilsitz, so dass eine optimale Dichtheit der Dosiervorrichtung erzielt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Ventilgehäuse ein Innenraum, welcher durch den Innenpol bzw. das Ventilgehäuse in einen Federraum und einen Magnetankerraum aufgeteilt. Vorteilhafterweise ist in dem Ventilgehäuse radial zu der Längsachse des Proportionalventils ein Zulaufkanal ausgebildet, über welche gasförmiges Medium, vorzugsweise Wasserstoff, in das Proportionalventil eintreten kann. Dadurch wird eine einfache und konstruktiv kompakte Bauweise begünstigt.
Das beschriebene Proportionalventil eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle.
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 im Längsschnitt,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils im Längsschnitt.
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils im Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Das Proportionalventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 mit einem Innenraum 3 auf. In dem Innenraum 3 ist ein Elektromagnet 26 angeordnet, welcher eine Magnetspule 12, einen Innenpol 14 und einen Außenpol 13 umfasst.
Weiterhin ist in dem Innenraum 3 eine hubbewegliche Magnetankervorrichtung 25 angeordnet. Die Magnetankervorrichtung 25 umfasst einen Magnetanker 8 und ein Verbindungselement 9, welches in einer Ausnehmung 36 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 Innenpol 14 aufgenommen. Der Innenpol 14 weist eine Ausnehmung 21 mit einer Ausnehmungskante 35 auf, in der der Magnetanker 8 bei seiner Hubbewegung eintaucht. In einer Schließstellung des Proportionalventils 1 liegt eine Stirnfläche 33 des Magnetankers 8 in einer Höhe H bezüglich einer Längsachse 40 des Proportionalventils 1 und auf derselben Höhe mit der Ausnehmungskante 35 der Ausnehmung 21. Bei einer Hubbewegung des Magnetankers 8 wird dieser direkt in der Ausnehmung 21 aufgenommen.
An dem Innenpol 14 sind in einer Ausnehmung 34 erste Lagerbuchsen 60 angeordnet, in welchen das Verbindungselement 9 an einem ersten Führungsabschnitt 6 des Innenpols 14 aufgenommen und geführt ist. Weiterhin sind an dem Ventilgehäuse 2 zweite Lagerbuchsen 70 angeordnet, in welchen der Magnetanker 8 aufgenommen und geführt ist.
Das Verbindungselement 9 ist an einem Ende mit einem Schließelement 10 fest verbunden. Das Schließelement 10 weist an seinem dem Verbindungselement 9 abgewandten Ende ein elastisches Dichtelement 11 auf.
Das Ventilgehäuse 2 umfasst einen Düsenkörper 15, welcher eine Durchlassöffnung 18 aufweist, wodurch ein Zuströmbereich 28 mit einem Abströmbereich 29 verbindbar ist. An dem Düsenkörper 15 ist ein flacher Ventilsitz 19 ausgebildet, welcher mit dem elastischen Dichtelement 11 des Schließelements 10 zusammenwirkt, so dass beim Aufliegen des Schließelements 10 mit dem elastischen Dichtelement 11 auf dem flachen Ventilsitz 19 die Durchlassöffnung 18 geschlossen ist.
In dem Innenpol 14 ist ein Federraum 30 ausgebildet, welcher einen Teil des Innenraums 3 bildet. In dem Federraum 30 ist eine Schließfeder 4 angeordnet, welche sich zwischen dem Innenpol 14 und einem tellerförmigen Ende 5 des Verbindungselements 9 abstützt. Die Schließfeder 4 beaufschlagt die Magnetankervorrichtung 25 mit einer Kraft in Richtung des Ventilsitzes 19. Weiterhin umfasst der Innenraum 3 einen Magnetankerraum 300, in dem der Magnetanker 8 angeordnet ist. Der Magnetankerraum 300 ist über einen Verbindungskanal 16 mit dem Federraum 30 verbunden. An seinem dem Schließelement 10 zugewandten Ende grenzt der Magnetanker 8 an den Zuströmbereich 28 an, welcher über einen bezüglich der Längsachse 40 des Proportionalventils 1 radial angeordneten Zulaufkanal 17 mit gasförmigem Medium, beispielsweise Wasserstoff, befüllbar ist.
Das Ventilgehäuse 2 und der Innenpol 14 sind über eine magnetische Drosselstelle 20 magnetisch und mechanisch miteinander verbunden. Vorteilhafterweise können sie einteilig ausgebildet sein. Die magnetische Drosselstelle 20 umfasst einen dünnwandigen zylindrischen Steg 201 und einen konusförmigen Bereich 202, wodurch in dem Magnetankerraum 300 eine Ringnut 302 ausgebildet ist. Der dünnwandige zylindrische Steg 201 weist eine Wandstärke zwischen 0,2 mm und 0,5 mm auf, vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 0,35 mm. So wird ein möglichst dünnwandiger zylindrischer Steg 201 ermöglicht, wobei gleichzeitig die Stabilität des Ventilgehäuses 2 bzw. des Innenpols 14 gewährleistet ist. Die magnetische Drosselstelle 20 erstreckt sich von der Ausnehmungskante 35 der Ausnehmung 21 in der Höhe H in Richtung des Schließelements 10 zu einer Höhe h bezüglich der Längsachse 40 an dem Magnetanker 8.
Funktionsweise des Proportionalventils 1
Bei nicht bestromter Magnetspule 12 wird das Schließelement 10 über die Schließfeder 4 an den Ventilsitz 19 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Zuströmbereich 28 und dem Abströmbereich 29 unterbrochen ist und kein Gasdurchfluss erfolgt.
Wird die Magnetspule 12 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 8 erzeugt, welcher der Schließkraft der Schließfeder 4 entgegengerichtet ist. Diese magnetische Kraft wird über das Verbindungselement 9 auf das Schließelement 10 übertragen, so dass die Schließkraft der Schließfeder 4 überkompensiert wird und das Schließelement 10 vom Ventilsitz 19 abhebt. Ein Gasdurchfluss durch das Proportionalventil 1 ist freigegeben. Der Hub des Schließelements 10 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 12 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 12, desto größer ist der Hub des Schließelements 10 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1, da die Kraft der Schließfeder 4 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 12 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 10 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt.
Der magnetische Streufluss, welcher von den magnetischen Feldlinien in der magnetischen Drosselstelle 20 herrührt, ist gering, so dass dieses kaum Einfluss auf die Hubbewegung des Magnetankers 8 nimmt. Taucht der Magnetanker 8 in die Ausnehmung 21 des Innenpols 14 ein, so nimmt der Streufluss der magnetischen Feldlinien in dem Innenpol 14 bzw. dem Ventilgehäuse 2 zu, so dass der magnetische Einfluss auf den Magnetanker 8 steigt. Dadurch kann die Hubhöhe des Magnetankers 8 variabel eingestellt werden.
Wird der Strom an der Magnetspule 12 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 8 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 10 mittels des Verbindungselements 9 reduziert wird. Das Schließelement 10 bewegt sich in Richtung der Durchlassöffnung 18 und dichtet mit dem elastischen Dichtelement 11 an dem Ventilsitz 19 ab. Der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1 ist unterbrochen. Fig.2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile gleicher Funktion sind mit derselben Bezugsziffer bezeichnet. Im Vergleich zur Fig.l ist in diesem Ausführungsbeispiel der dünnwandige zylindrische Steg 201 so ausgebildet, dass dieser zusammen mit der Magnetspule 12 einen Hohlraum 301 begrenzen. Der Hohlraum 301 ist im Querschnitt rechteckig ausgebildet.
Der restliche Aufbau und die Funktionsweise des in Fig.2 gezeigten Ausführungsbeispiels entsprechen dem Ausführungsbeispiel aus der Fig.l. Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile gleicher Funktion sind mit derselben Bezugsziffer bezeichnet. Im Vergleich zur Fig.l ist hier statt des Magnetankers 8 ein kolbenförmiger Abschnitt 23 des Verbindungselements 9 an den zweiten Lagerbuchsen 70 aufgenommen und geführt. Das Verbindungselement 9 ist dabei aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt.
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 12 des Proportionalventils 1 , durch welche der Hub des Schließelements 10 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 18 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 mit- tels elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchlassöffnung 18 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 Folge- Schäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden.

Claims

Ansprüche
1. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), in dem ein darin angeordnetes Schließelement (10) zum Öffnen und Schließen mindestens einer Durchlassöffnung (18) mit einem Ventilsitz (19) zusammenwirkt, mit einer mit dem Schließelement (10) wirkverbundenen Magnetankervorrichtung (25) und einem Elektromagneten (26), durch welchen eine magnetische Kraft auf die Magnetankervorrichtung (25) erzeugbar und die Magnetankervorrichtung (25) entlang einer Längsachse (40) des Proportionalventils (1) hubbewegbar ist, wobei der Elektromagnet (26) einen Innenpol (14), einen Außenpol (13) und eine Magnetspule (12) und die Magnetankervorrichtung (25) einen Magnetanker (8) umfassen, wobei das Ventilgehäuse (2) und der Innenpol (14) über eine magnetische Drosselstelle (20) magnetisch miteinander verbunden sind und die magnetische Drosselstelle (20) in einem axialen Erstreckungsbereich des Magnetankers (8) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenpol (14) eine Ausnehmung (21) mit einer Aus- nehmungskante (35) aufweist, in welche Ausnehmung (21) der Magnetanker (8) bei seiner Hubbewegung eintaucht, wobei in einer Schließstellung des Proportionalventils (1) eine Stirnfläche (33) des Magnetankers (8) bezüglich der Längsachse (40) auf derselben Höhe mit der Ausnehmungskante (35) der Ausnehmung (21) liegt, wobei die Ausnehmungskante (35) das Ende der magnetischen Drosselstelle (20) bildet.
2. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Drosselstelle (20) einen dünnwandigen zylindrischen Steg (201) umfasst.
3. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Drosselstelle (20) einen konus- förmigen Bereich (202) umfasst, der zusammen mit dem Steg (201) und dem Magnetanker (8) eine Ringnut (302) ausbilden.
4. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (201) und die Magnetspule (12) in dem Ventilgehäuse (2) einen Hohlraum (301) begrenzen.
5. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetankervorrichtung (25) in einem ersten Führungsabschnitt (6) und einem zweiten Führungsabschnitt (7) in dem Ventilgehäuse (2) bzw. dem Innenpol (14) geführt ist.
6. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Führungsabschnitt (6) erste Lagerbuchsen (60) angeordnet sind, in welchen ein von der Magnetankervorrichtung (9) umfassten Verbindungselement (9) aufgenommen und geführt ist.
7. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Führungsabschnitt (7) zweite Lagerbuchsen (70) angeordnet sind, in welchen der Magnetanker (8) oder das Verbindungselement (9) an einem kolbenförmigen Abschnitt (23) aufgenommen und geführt ist.
8. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (9), insbesondere der kolbenförmige Abschnitt (23), aus einem Material mit hoher mechanischer Festigkeit hergestellt ist.
9. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schließelement (10) und dem Ventilsitz (19) ein elastisches Dichtelement (11) angeordnet ist.
10. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilgehäuse (2) eine Schließfeder (4) angeordnet ist, welche sich zwischen dem Verbindungselement (9) der Magnetankervorrichtung (25) und dem Ventilgehäuse (2) abstützt und die Magnetankervorrichtung (25) in Richtung des Ventilsitzes (19) kraftbeaufschlagt.
11. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilgehäuse (2) ein Innenraum (3), welcher durch den Innenpol (14) bzw. das Ventilgehäuse (2) in einen Federraum (30) und einen Magnetankerraum (300) aufgeteilt ist.
12. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilgehäuse (2) radial zu der Längsachse (40) des Proportionalventils (1) ein Zulaufkanal (17) ausgebildet ist, über welche gasförmiges Medium, vorzugsweise Wasserstoff, in das Proportionalventil (1) eintreten kann.
13. Brennstoffzellenanordnung mit einem Proportionalventil (1) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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