DE102021207354A1

DE102021207354A1 - Magnetventil sowie Wasserstofftanksystem mit Magnetventil

Info

Publication number: DE102021207354A1
Application number: DE102021207354.9A
Authority: DE
Inventors: Marco Beier; Joachim Soubari
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-12
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2023-01-12
Also published as: WO2023285116A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil (1), insbesondere ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme, umfassend einen Magnetanker (2) und eine Magnetspule (3) zur Einwirkung auf den Magnetanker (2), wobei die Magnetspule (3) in einem Spulenaufnahmeraum (4) angeordnet ist, der radial innen durch einen Ventilkörper (5) und radial außen durch einen Magnettopf (6) begrenzt wird sowie durch einen Dichtring (7) abgedichtet ist, der in eine stirnseitige Ringnut (8) des Ventilkörpers (5) eingesetzt und gegen den Magnettopf (6) axial vorgespannt ist, so dass der Ventilkörper (5) über den Dichtring (7), vorzugsweise allein über den Dichtring (7), vom Magnettopf (6) magnetisch getrennt ist.Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil, insbesondere ein Absperrventil für Wasserstofftanksysteme. Ferner betrifft die Erfindung ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil als Absperrventil.
Stand der Technik
Wasserstofftanksysteme dienen der Bevorratung von Wasserstoff, beispielsweise an Bord eines Fahrzeugs, insbesondere an Bord eines Brennstoffzellenfahrzeugs. Wasserstofftanksysteme umfassen hierzu in der Regel mehrere Druckgasbehälter, die mit Hilfe einer Rahmenstruktur zusammengefasst und am Fahrzeug, üblicherweise unterhalb des Chassis, befestigt werden. Da die Druckgasbehälter unter hohem Druck stehen, sind bestimmte Sicherheitsanforderungen zu erfüllen. Diese sehen unter anderem ein Absperrventil vor, mittels dessen der Druckgasbehälter, beispielsweise im Falle eines Unfalls, separat abgesperrt werden kann, um den Austritt von Gas zu verhindern.
Aus der DE 10 2018 221 602 A1 geht beispielhaft eine Tankvorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff mit einer elektromagnetisch betätigbaren Ventileinrichtung hervor, die ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes bewegliches Ventilelement zum Öffnen und Schließen einer Auslassöffnung aufweist. Das Ventilelement ist in Richtung des Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt, so dass bei unbestromter Magnetspule die Ventileinrichtung geschlossen ist. In Offenstellung gibt das Ventilelement eine Auslassöffnung mit einem Durchmesser d frei, der kleiner als ein Durchmesser D eines hieran anschließenden Durchlasskanals ist. Auf diese Weise soll ein kompakt konstruiertes, einfachschaltendes Sicherheitsmagnetventil bereitgestellt werden, das aufgrund der integrierten Bauweise die Sicherheitsanforderungen erfüllt und zugleich eine Kostenersparnis ermöglicht.
Um die Effizienz eines Wasserstofftanksystems zu maximieren, sollte der Druckabfall über den Dichtsitz des der Entnahme dienenden Ventils minimal sein. Das Ventil sollte daher einen möglichst großen Öffnungsquerschnitt aufweisen. Zur Maximierung des Öffnungsquerschnitts kann bzw. können der Sitzdurchmesser und/oder der Hub eines mit dem Dichtsitz zusammenwirkenden Ventilkolbens vergrößert werden. Bei einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil ist der Hub jedoch beschränkt, da die Magnetkraft des zur Betätigung des Ventils vorgesehenen Magnetkreises mit größer werdendem Arbeitsluftspalt abnimmt. Der Magnetkraft bzw. der Größe einer die Magnetkraft erzeugenden Magnetspule sind darüber hinaus Grenzen durch den zur Verfügung stehenden Bauraum gesetzt.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil mit einem bauraumoptimierten Magnetkreis anzugeben, der hohe Magnetkräfte und damit große Öffnungsquerschnitte ermöglicht. Das Magnetventil soll insbesondere als Absperrventil für Wasserstofftanksysteme einsetzbar sein.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Wasserstofftanksystem mit einem erfindungsgemäßen Magnetventil angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Das vorgeschlagene Magnetventil, insbesondere Absperrventil für Wasserstofftanksysteme, umfasst einen Magnetanker und eine Magnetspule zur Einwirkung auf den Magnetanker. Die Magnetspule ist dabei in einem Spulenaufnahmeraum angeordnet, der radial innen durch einen Ventilkörper und radial außen durch einen Magnettopf begrenzt wird sowie durch einen Dichtring abgedichtet ist, der in eine stirnseitige Ringnut des Ventilkörpers eingesetzt und gegen den Magnettopf axial vorgespannt ist, so dass der Ventilkörper über den Dichtring, vorzugsweise allein über den Dichtring, vom Magnettopf magnetisch getrennt ist.
Bei dem vorgeschlagenen Magnetventil wird mit Hilfe des Dichtelements, das der Abdichtung des Spulenaufnahmeraums dient, zugleich eine magnetische Trennung zwischen dem Ventilkörper und dem Magnettopf bewirkt. Dies hat den Vorteil, dass ein separates Element zur magnetischen Trennung, beispielsweise eine amagnetische Scheibe, entbehrlich ist. Die Baulänge in axialer Richtung kann auf diese Weise minimiert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Magnetspule größer ausgelegt werden. Beides - jeweils allein oder in Kombination - wirkt sich positiv auf die Magnetkraft des Magnetkreises aus, so dass große Hübe und damit große Öffnungsquerschnitte realisierbar sind.
Des Weiteren kann ein zusätzlicher Dichtring entfallen, der bei einer magnetischen Trennung mit Hilfe eines separaten Elements zwischen diesem und dem Magnettopf zur Abdichtung des Spulenaufnahmeraums benötigt wird. Entsprechend kann die Bauteilzahl weiter reduziert werden.
Bei einem Magnetventil der eingangs genannten Art ist eine magnetische Trennung zwischen dem Ventilkörper und dem Magnettopf erforderlich, um den Magnetanker in den Magnetkreis sicher einzubinden. Die magnetische Trennung kann - wie bereits erwähnt - mit Hilfe eines zusätzlichen Elements, beispielsweise mit Hilfe einer amagnetischen Scheibe, alternativ mit Hilfe einer Dünndrehung im Bereich einer durch den Ventilkörper ausgebildeten Ankerführung bewirkt werden. Um die Dünndrehung realisieren zu können, muss der Querschnitt des Ventilkörpers außerhalb der Dünndrehung vergrößert werden. Dies geht wiederum zu Lasten des Bauraums.
Die Dünndrehung im Bereich der Ankerführung vermag einen anfänglichen magnetischen Kurzschluss zwischen dem Ventilkörper und dem Magnettopf nicht zu verhindern. Aufgrund der geringen Querschnittsfläche im Bereich der Dünndrehung kommt es jedoch zu einer schnellen Sättigung, so dass der magnetische Fluss in den Magnetanker umgelenkt wird. Dieses Prinzip kommt auch bei dem erfindungsgemäßen Magnetventil zum Tragen, da die stirnseitige Ringnut zur Aufnahme des Dichtrings zu einer entsprechenden Querschnittsverringerung des Ventilkörpers führt. Zugleich kann bei Wegfall einer Dünndrehung im Bereich der Ankerführungsfläche die Querschnittsfläche des Ventilkörpers soweit verringert werden, dass beidseits der Ringnut lediglich dünne Stege verleiben. Auf diese Weise wird in diesem Bereich eine schnelle Sättigung erreicht. Der Querschnittsflächenverringerung des Ventilkörpers sind lediglich durch die geforderte Festigkeit des Ventilkörpers Grenzen gesetzt.
In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass der Ventilkörper eine Führung für den Magnetanker ausbildet, wobei vorzugsweise die Führung eine unterbrechungsfreie, insbesondere nutfreie, Führungsfläche aufweist. Das heißt, dass die Ankerführungsfläche keine Dünndrehung aufweist, so dass die Querschnittsfläche des Ventilkörpers und damit die Breite der beidseits der stirnseitigen Ringnut verbleibenden Stege so klein wie möglich gewählt werden kann.
Bevorzugt wird die stirnseitige Ringnut des Ventilkörpers von einer radial innen angeordneten Stirnfläche At1 sowie einer radial außen angeordneten Stirnfläche At2 des Ventilkörpers begrenzt, die in Summe gleich groß wie oder kleiner als eine dem Magnettopf zugewandte Ankerpolfläche A des Magnetankers ist. Damit der Ventilkörper im Bereich der Ringnut schnell gesättigt ist, sollte idealerweise der Restquerschnitt bestehend aus At1 und At2 so klein wie möglich sein, insbesondere kleiner als die Ankerpolfläche A. Grundsätzlich funktioniert das Prinzip aber auch, wenn der restquerschnitt bestehend aus At1 und At2 gleich groß wie die Ankerpolfläche A ist. Denn die Sättigung tritt im Bereich der beidseits der Ringnut verbleibenden Stege schneller als im Bereich eines Arbeitsluftspalts zwischen dem Magnetanker und dem Magnettopf ein, so dass der magnetische Fluss in den Magnetanker umgelenkt wird. Diese Auslegung des Magnetkreises ist jedoch energetisch schlechter.
Vorteilhafterweise wird der Magnetkreis in der Weise ausgelegt, dass die Ankerpolfläche A des Magnetankers um den Faktor 1,5 bis 10 größer als die Summe der Stirnflächen At1 und At2 des Ventilkörpers ist.
Ferner bevorzugt sind die Ankerpolfläche A des Magnetankers und die Stirnflächen At1 und At2 des Ventilkörpers in Summe kleiner als eine magnetische Rückschlussfläche Ar des Magnettopfes.
Beide vorstehend genannte Auslegungsregeln - jeweils allein oder in Kombination - führen zu einer energetischen Optimierung des Magnetkreises.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Spulenaufnahmeraum an zwei über Eck angeordneten Seiten durch den Ventilkörper und an zwei weiteren über Eck angeordneten Seiten durch den Magnettopf begrenzt wird. Auf diese Weise kann die Anzahl der zur Abdichtung des Spulenaufnahmeraums erforderlichen Dichtstellen reduziert werden. Vorzugsweise wird der Spulenaufnahmeraum ausschließlich durch den Ventilkörper und den Magnettopf begrenzt. Die Anzahl der erforderlichen Dichtstellen kann in diesem Fall auf zwei reduziert werden.
Die Magnetspule, der Ventilkörper und der Magnettopf bilden vorzugsweise einen gekapselten Magnetkreis aus. Das heißt, dass der Spulenaufnahmeraum nach außen abgedichtet ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn das Magnetventil als Absperrventil in einem Wasserstofftanksystem zum Einsatz gelangen soll. Denn dann ist die Magnetspule gegenüber der Wasserstoffatmosphäre geschützt, in welcher der Magnetkreis angeordnet ist. Dies dient einer erhöhten Sicherheit im Betrieb des Magnetventils.
Ferner bevorzugt ist das Magnetventil derart ausgelegt, dass der Magnetanker und der Magnettopf gemeinsam einen Arbeitsluftspalt begrenzen. Auf diese Weise kann die axiale Baulänge des Magnetventils möglichst geringgehalten werden. Der Magnettopf kann dabei zugleich als Hubanschlag für den Magnetanker dienen.
Der Magnetanker ist bevorzugt mit einem Ventilkolben gekoppelt oder koppelbar, so dass über die Bewegungen des Magnetankers der Ventilkolben betätigt wird, um das Magnetventil zu öffnen oder zu schließen. Der Ventilkolben wirkt hierzu bevorzugt mit einem durch den Ventilkörper ausgebildeten Dichtsitz zusammen. Die verschiedenen Funktionen des Ventilkörpers vereinfachen den Aufbau des Magnetventils.
Darüber hinaus wird ein Wasserstofftanksystem vorgeschlagen, das mindestens einen Druckgasbehälter und ein erfindungsgemäßes Magnetventil zum Absperren des Druckgasbehälters umfasst. In dieser Anwendung kommen die Vorteile eines erfindungsgemäßen Magnetventils besonders deutlich zum Tragen. Denn zum Einen kann ein kompakt bauendes Magnetventil geschaffen werden, das dennoch hohe Magnetkräfte und damit große Öffnungsquerschnitte ermöglicht, so dass ein hoher Wasserstoffmassenstrom zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit Wasserstoff realisierbar ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Magnetventil,
2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich des Magnetkreises,
3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Magnetventil gemäß dem Stand der Technik und
4 einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres Magnetventil gemäß dem Stand der Technik.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 dargestellte Magnetventil 1 umfasst einen Magnetspule 3 zur Einwirkung auf einen Magnetanker 2, der mit einem Ventilkolben 11 gekoppelt ist. Der Ventilkolben 11 wirkt mit einem Dichtsitz 12 des Magnetventils 1 zusammen, der durch einen Ventilkörper 5 ausgebildet wird. Des Weiteren bildet der Ventilkörper 5 eine Führung 9 für den Magnetanker 2 aus.
Im Bereich der Führung 9 weist der Ventilkörper 5 einen verringerten Außendurchmesser zur Ausbildung eines Spulenaufnahmeraums 4 auf. Das heißt, dass im Bereich der Führung 9 die Querschnittsfläche des Ventilkörpers 5 verringert ist. Zur Kapselung der im Spulenaufnahmeraum 4 aufgenommenen Magnetspule 3 sind der Ventilkörper 5 und die Magnetspule 3 von einem Magnettopf 6 umgeben. Der Spulenaufnahmeraum 4 wird somit durch den Ventilkörper 5 und den Magnettopf 6 begrenzt. Die Abdichtung des Spulenaufnahmeraums 4 wird mit Hilfe von Dichtringen 7, 7` bewirkt, die in Ringnuten 8, 8` des Ventilkörpers 5 eingesetzt sind.
Wird die Magnetspule 3 bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft auf den Magnetanker 2 einwirkt. In der 1 ist beispielhaft der magnetische Fluss 15 durch Pfeile dargestellt. Der magnetische Fluss 15 wird über den Magnetanker 2 gelenkt, so dass dieser sich in Richtung des Magnettopfes 6 bewegt, um einen zwischen dem Magnetanker 2 und dem Magnettopf 6 vorhandenen Arbeitsluftspalt 10 zu schließen. Anfangs kommt es zwar auch hier zu einem magnetischen Kurzschluss zwischen dem Ventilkörper 5 und dem Magnettopf 6. Da jedoch die Querschnittsfläche des Ventilkörpers 5 durch die Ringnut 8 zur Aufnahme des Dichtrings 7 stark verkleinert ist, tritt sehr schnell Sättigung ein und der magnetische Fluss wird über den Magnetanker 2 umgelenkt.
Zur energetischen Optimierung können die Querschnittsflächen des Magnetkreises analog der 2 ausgelegt werden. A bezeichnet die Ankerpolfläche, At1 und At2 die im Bereich des Dichtrings 7 verbleibenden Restquerschnittsflächen bzw. Stirnflächen des Ventilkörpers 5 und Ar die magnetische Rückschlussfläche des Magnettopfes 6, wobei sich die Flächen jeweils über den gesamten Umfang des jeweiligen Körpers erstrecken. Bevorzugt ist di Querschnittfläche des Ventilkörpers 5 im Bereich der Ringnut 8 so klein gewählt, dass die Summe aus At1 und At2 kleiner als die Ankerpolfläche A ist. Die Summe wiederum aus den Stirnflächen At1 und At2 sowie der Ankerpolfläche A ist darüber hinaus bevorzugt kleiner als die magnetische Rückschlussfläche Ar.
Anhand der 3 und 4, welche übliche Maßnahmen zur magnetischen Trennung innerhalb eines Magnetkreises zeigen, werden nachfolgend die Vorteile eines erfindungsgemäßen Magnetventils 1 näher erläutert.
In der 3 ist zur magnetischen Trennung eine amagnetische Scheibe 13 zwischen dem Ventilkörper 5 und dem Magnettopf 6 eingelegt. Der Spulenaufnahmeraum 4 wird in diesem Fall durch den Ventilkörper 5, den Magnettopf 6 und die amagnetische Scheibe 13 begrenzt. Diese benötigt zusätzlichen Bauraum, so dass der Spulenaufnahmeraum 4 kleiner ausfällt. Darüber hinaus wird eine zusätzliche Dichtstelle geschaffen, die durch einen weiteren Dichtring 7" abgedichtet werden muss.
In der 4 wird die magnetische Trennung durch eine Dünndrehung 14 des Ventilkörpers 5 im Bereich der Führung 9 bewirkt. Die Dünndrehung 14 steht jedoch einer Minimierung der Querschnittsfläche des Ventilkörpers 5 außerhalb des Bereichs der Dünndrehung 14 entgegen, so dass keine weitere Bauraumoptimierung erzielbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018221602 A1 [0003]

Claims

Magnetventil (1), insbesondere Absperrventil für Wasserstofftanksysteme, umfassend einen Magnetanker (2) und eine Magnetspule (3) zur Einwirkung auf den Magnetanker (2), wobei die Magnetspule (3) in einem Spulenaufnahmeraum (4) angeordnet ist, der radial innen durch einen Ventilkörper (5) und radial außen durch einen Magnettopf (6) begrenzt wird sowie durch einen Dichtring (7) abgedichtet ist, der in eine stirnseitige Ringnut (8) des Ventilkörpers (5) eingesetzt und gegen den Magnettopf (6) axial vorgespannt ist, so dass der Ventilkörper (5) über den Dichtring (7), vorzugsweise allein über den Dichtring (7), vom Magnettopf (6) magnetisch getrennt ist.
Magnetventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (5) eine Führung (9) für den Magnetanker (2) ausbildet, wobei vorzugsweise die Führung (9) eine unterbrechungsfreie, insbesondere nutfreie, Führungsfläche aufweist.
Magnetventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitige Ringnut (8) des Ventilkörpers (5) von einer radial innen angeordneten Stirnfläche (At1) sowie einer radial außen angeordneten Stirnfläche (At2) des Ventilkörpers (5) begrenzt wird, die in Summe gleich groß wie oder kleiner als eine dem Magnettopf (6) zugewandte Ankerpolfläche (A) des Magnetankers (2) ist.
Magnetventil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerpolfläche (A) des Magnetankers (2) um den Faktor 1,5 bis 10 größer als die Summe der Stirnflächen (At1, At2) des Ventilkörpers (5) ist.
Magnetventil (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerpolfläche (A) des Magnetankers (2) und die Stirnflächen (At1, At2) des Ventilkörpers (5) in Summe kleiner als eine magnetische Rückschlussfläche (Ar) des Magnettopfes (6) sind.
Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenaufnahmeraum (4) an zwei über Eck angeordneten Seiten durch den Ventilkörper (5) und an zwei weiteren über Eck angeordneten Seiten durch den Magnettopf (6) begrenzt wird, wobei vorzugsweise der Spulenaufnahmeraum (4) ausschließlich durch den Ventilkörper (5) und den Magnettopf (6) begrenzt wird.
Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (3), der Ventilkörper (5) und der Magnettopf (6) einen gekapselten Magnetkreis ausbilden.
Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (2) und der Magnettopf (6) gemeinsam einen Arbeitsluftspalt (10) begrenzen.
Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (2) mit einem Ventilkolben (11) gekoppelt oder koppelbar ist, der vorzugsweise mit einem durch den Ventilkörper (5) ausgebildeten Dichtsitz (12) zusammenwirkt.
Wasserstofftanksystem, umfassend mindestens einen Druckgasbehälter und Magnetventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Absperren des Druckgasbehälters.