DE10323634A1 - Valve for controlling a fluid - Google Patents

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DE10323634A1 DE2003123634 DE10323634A DE10323634A1 DE 10323634 A1 DE10323634 A1 DE 10323634A1 DE 2003123634 DE2003123634 DE 2003123634 DE 10323634 A DE10323634 A DE 10323634A DE 10323634 A1 DE10323634 A1 DE 10323634A1
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Abstract

Es wird ein Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, vorgeschlagen, umfassend ein Ventilgehäuse (13), eine Betätigungseinheit für einen zumindest bereichsweise rohrförmigen Ventilanker (15), der axial verschieblich geführt ist und mit einem Ventilschließglied (16) versehen ist, mittels dessen ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite (11) und einer Abströmseite (12) steuerbar ist und das mit einem Ventilsitz (18) zusammenwirkt. Zwischen dem Ventilsitz (18) und der Abströmseite (12) ist mindestens eine Abströmdrossel (24) angeordnet. Die Abströmdrossel (24) hat einen verstellbaren Drosselquerschnitt (Figur 1).It becomes a valve for controlling a fluid, in particular for controlling of a gas, proposed, comprising a valve housing (13), an actuator for one at least partially tubular Valve armature (15) which is guided in an axially displaceable manner and with a valve closing member (16) is provided, by means of which a fluid flow between an inflow side (11) and an outflow side (12) is controllable and which interacts with a valve seat (18). There is at least between the valve seat (18) and the outflow side (12) an outflow throttle (24) arranged. The outlet throttle (24) has an adjustable throttle cross section (Figure 1).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Stand der TechnikState of technology

Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere eines Gases, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.The Invention is based on a valve for controlling a fluid, in particular of a gas, according to the im Preamble of claim 1 further defined kind.

Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise als Gassteuerventil bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor einsetzbar.On such valve is known from practice and for example as a gas control valve in a fuel cell or in a gas engine used.

Ein bekanntes Ventil der einleitend genannten Art umfaßt ein Ventilgehäuse, in dem eine elektromagnetische Betätigungseinheit für einen Magnetanker angeordnet ist. Der Magnetanker ist axial verschiebbar geführt und mit einem Ventilschließglied versehen, das mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, so daß ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite und einer Abströmseite des Ventils steuerbar ist. Zwischen dem Ventilsitz und der Abströmseite des Ventils ist eine Abströmdrossel angeordnet, welche die dosierbare Fluidmenge bestimmt. Insbesondere bei geringen zu dosierenden Fluidmengen ist eine exakte Dosierung bisweilen problematisch.On Known valve of the aforementioned type comprises a valve housing, in an electromagnetic actuator for one Magnetic armature is arranged. The magnet armature can be moved axially guided and with a valve closing member provided that cooperates with a valve seat so that a fluid flow between an upstream side and an outflow side the valve is controllable. Between the valve seat and the outflow side of the Valve is an outflow throttle arranged, which determines the meterable amount of fluid. In particular with small amounts of fluid to be dosed, an exact dosing is required sometimes problematic.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil die Abströmdrossel einen verstellbaren Drosselquerschnitt hat, hat demgegenüber den Vorteil, daß die Fluiddosierung einerseits durch eine Taktung des Ventilschließgliedes und andererseits durch eine Änderung des Drosselquerschnitts bestimmbar ist. Dies ermöglicht gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik einen deutlich erweiterten Arbeitsbereich des Ventils. Die maximal zu dosierende Fluidmenge wird durch den jeweils eingestellten Drosselquerschnitt bestimmt, wobei durch eine Taktung des Ventilschließgliedes ausgehend von dem eingestellten Drosselquerschnitt die Feineinstellung der dosierten Fluidmenge erfolgen kann. Dabei kann immer mit optimaler Taktung bzw. Einschaltdauer des Ventils gearbeitet werden. Insbesondere kleine Fluidmengen können durch den veränderbaren Drosselquerschnitt mit deutlich höherer Präzision dosiert werden.The valve according to the invention for controlling a fluid, in particular for controlling a gas, with the features according to the preamble of claim 1, wherein which valve the discharge throttle has an adjustable throttle cross section, on the other hand has the Advantage that the Fluid metering on the one hand by clocking the valve closing element and on the other hand through a change of the throttle cross section can be determined. This enables compared to A significantly expanded prior art described above Working range of the valve. The maximum amount of fluid to be dosed is determined by the set throttle cross section whereby by clocking the valve closing member starting from the set throttle cross-section the fine adjustment of the metered Fluid amount can be done. It can always with optimal timing or duty cycle of the valve. In particular small amounts of fluid can through the changeable Throttle cross-section can be metered with significantly higher precision.

Das erfindungsgemäß ausgestaltete Ventil ist insbesondere zur Massenstromregelung von Gasen, wie Wasserstoff und Erdgas, geeignet und kann beispielsweise bei einer Brennstoffzelle oder auch bei einem Gasmotor als Gaseinblasventil eingesetzt werden. Das Ventil nach der Erfindung ist vorzugsweise als getaktetes Gasdosierventil ausgelegt.The designed according to the invention Valve is particularly used for mass flow control of gases such as hydrogen and natural gas, and can be used, for example, in a fuel cell or can also be used as a gas injection valve in a gas engine. The valve according to the invention is preferably a clocked gas metering valve designed.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung umfaßt die Abströmdrossel eine Blende. Diese Blende kann hinsichtlich ihres Durchmessers entweder diskret oder auch kontinuierlich veränderbar sein.at an expedient embodiment of the Valve according to the invention comprises the outlet throttle an aperture. This aperture can either in terms of its diameter be discreet or continuously changeable.

Eine Blende mit einer hohen mechanischen Stabilität stellt beispielsweise eine Wechselblende dar, die vorzugsweise mit einem Wechselmechanismus verbunden ist. So können beispielsweise Wechselblenden unterschiedlichen Durchmessers in einer Platte ausgebildet sein, wobei in Abhängigkeit von dem einzustellenden Blendendurchmesser die jeweilige Wechselblende in die Abströmdrossel eingebracht wird. Dies kann mittels eines Stellmotors oder auch mittels eines Elektromagneten erfolgen.A A panel with a high mechanical stability is one example Interchangeable aperture, preferably with an interchangeable mechanism connected is. So can for example changing diaphragms of different diameters in be designed as a plate, depending on the one to be set Orifice diameter the respective interchangeable orifice in the discharge throttle is introduced. This can be done using an actuator or by means of an electromagnet.

Denkbar ist es auch, daß die Wechselblende mit einem Magazin zusammenwirkt, in dem eine Reihe von Blenden unterschiedlichen Durchmessers vorgehalten wird.Conceivable is it also that the Interchangeable aperture interacts with a magazine in which a row is held by diaphragms of different diameters.

Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils, bei der die Blende kontinuierlich verstellbar ist, kann die Blende eine Irisblende sein, die aus einer Vielzahl von Lamellen gebildet ist. Oder die Blende ist aus einem elastisch verformbaren Material gefertigt, das mit einem geeigneten Verstellmittel zusammenwirkt. Bei einer besonders einfach herzustellenden Ausführungsform des Ventils gemäß der Erfindung ist die Blende aus einem elastisch verformbaren Ring gebildet, dessen Innendruck pneumatisch oder hydraulisch einstellbar ist.at an alternative embodiment of the valve according to the invention, in which the aperture is continuously adjustable, the aperture can be an iris, which is formed from a plurality of lamellae. Or the cover is made of an elastically deformable material, that interacts with a suitable adjusting device. At a particularly simple to manufacture embodiment of the valve according to the invention the aperture is formed from an elastically deformable ring, the Internal pressure can be adjusted pneumatically or hydraulically.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.Further Advantages and advantageous features of the subject the invention can be found in the description, the drawing and the patent claims.

Zeichnungdrawing

Drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäß ausgestalteten Ventils sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenThree embodiments one designed according to the invention Valve are shown schematically simplified in the drawing and are explained in more detail in the description below. Show it

1 einen vereinfachten Längsschnitt durch ein Ventil zum Steuern eines Gases, das eine Abströmdrossel mit verstellbarem Querschnitt hat; 1 a simplified longitudinal section through a valve for controlling a gas, which has a discharge throttle with an adjustable cross section;

2 ein qualitatives Diagramm, das den Arbeitsbereich des Ventils nach 1 wiedergibt; 2 a qualitative diagram showing the working range of the valve 1 reproduces;

3 ein Ventil mit einer Wechselblende in einem vereinfachten Längsschnitt; 3 a valve with an interchangeable orifice a simplified longitudinal section;

4 einen Längsschnitt durch ein Ventil mit einem kontinuierlich verstellbaren Drosselquerschnitt; und 4 a longitudinal section through a valve with a continuously adjustable throttle cross section; and

5 das Ventil nach 4, wobei der Drosselquerschnitt gegenüber 4 vergrößert ist. 5 the valve after 4 , with the throttle cross section opposite 4 is enlarged.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription of the embodiments

In 1 ist ein Gasventil 10 ausschnittsweise dargestellt, das zur Regelung eines Wasserstoffstroms bzw. eines NG(Natural Gas)-Stroms von einer Zuströmseite 11 zu einer Abströmseite 12 dient und bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor einsetzbar ist.In 1 is a gas valve 10 shown in detail, that for regulating a hydrogen flow or an NG (natural gas) flow from an inflow side 11 to an outflow side 12 serves and can be used in a fuel cell or in a gas engine.

Das Gasventil 10 umfaßt ein Gehäuse 13, das einen rohrförmigen Bereich 14 aufweist, in dem ein Ventilanker 15 axial verschieblich geführt ist und der im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist. Der Ventilanker 15 umfaßt ein Ventilschließglied 16, das über einen Elastomerdichtring 17 mit einem Ventilsitz 18 zusammenwirkt. In Schließstellung trennt der Elastomerdichtring 17 einen Druckraum 19 von einem Drosselraum 20, der zylindrisch ausgebildet ist.The gas valve 10 includes a housing 13 which is a tubular area 14 has in which a valve armature 15 is guided axially displaceably and which is substantially tubular. The valve anchor 15 includes a valve closing member 16 that over an elastomer sealing ring 17 with a valve seat 18 interacts. In the closed position, the elastomer sealing ring separates 17 a pressure room 19 from a throttle room 20 , which is cylindrical.

An dem Ventilanker 15 sind radiale Abströmbohrungen 21 ausgebildet, die von einem mit der Zuströmseite 11 verbundenen Innenraum 22 des Ventilankers 15 zu dem von dem Ventilanker 15 und dem Ventilgehäuse 13 begrenzten Druckraum 19 führen. Bei der gezeigten Ausführung sind jeweils vier gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilte Abströmbohrungen 21 in einer von vorliegend zwei axial zueinander versetzten Reihen angeordnet. Alternativ könnte der Ventilanker auch nur eine Reihe von Abströmbohrungen oder auch mehr als zwei Reihen von Abströmbohrungen aufweisen.On the valve anchor 15 are radial outflow bores 21 trained by one with the upstream side 11 connected interior 22 of the valve armature 15 to that of the valve anchor 15 and the valve housing 13 limited pressure space 19 to lead. In the embodiment shown, there are four outflow bores distributed uniformly in the circumferential direction 21 arranged in one of two axially offset rows. Alternatively, the valve armature could also have only one row of outflow bores or more than two rows of outflow bores.

Der Ventilanker 15 weist zur Führung in einem dem Ventilschließglied 16 abgewandten Bereich einen hier nicht näher dargestellten Führungsbund auf, der mit der Wandung des rohrförmigen Bereichs 14 des Ventilgehäuses 13 zusammenwirkt. Des weiteren weist der Ventilanker 15 zur Führung ein zweites Führungsmittel 23 auf, das gegenüber dem Führungsbund in axialer Richtung versetzt ist und als Blattfe der ausgebildet ist, die zwischen dem Ventilanker 15 und dem Ventilgehäuse 13 eingespannt ist. Die Blattfeder 23 liegt stromauf der radialen Abströmbohrungen 21 des Ventilankers 15.The valve anchor 15 points to the valve closing member for guidance 16 facing away region on a guide collar, not shown here, with the wall of the tubular region 14 of the valve housing 13 interacts. Furthermore, the valve armature has 15 a second means of leadership for guidance 23 on, which is offset from the guide collar in the axial direction and is designed as Blattfe that between the valve armature 15 and the valve housing 13 is clamped. The leaf spring 23 is upstream of the radial outflow bores 21 of the valve armature 15 ,

Stromab des Drosselraums 20 ist eine Abströmdrossel 24 angeordnet, die zu einem Dämpfungsraum 25 eines dem Ventilgehäuse 13 zugeordneten Dämpfungsrohrs 26 führt, das mit der Abströmseite 12 des Ventils 10 verbunden ist.Downstream of the throttle room 20 is a discharge throttle 24 arranged leading to a damping room 25 one the valve housing 13 assigned damping tube 26 leads that with the outflow side 12 of the valve 10 connected is.

Die Abströmdrossel 24 hat einen Durchmesser D, der verstellbar ist. Der den Drosselquerschnitt bestimmende Durchmesser D legt die maximal zu dosierende Gasmenge fest. Die Abströmdrossel 24 hat eine Länge L_D, deren Größenordnung etwa im Bereich der Größenordnung des Durchmessers D liegt.The outlet throttle 24 has a diameter D that is adjustable. The diameter D that determines the throttle cross section determines the maximum gas quantity to be metered. The outlet throttle 24 has a length L_D, the order of magnitude of which is approximately in the range of the order of diameter D.

In 2 sind in einem Diagramm, welches eine Gasmenge über eine Einschaltdauer wiedergibt, Kennlinien des Gasventils 10 nach 1 dargestellt, die fünf verschiedenen Drosseldurchmessern D1 bis D5 zugeordnet sind, wobei der Durchmesser D1 den größten Drosselquerschnitt und der Drosseldurchmesser D5 den kleinsten Drosselquerschnitt definiert. Die die Kennlinien begrenzenden, gestrichelten Linien und die den Drosseldurchmessern D1 und D5 zugeordneten Kennlinien begrenzen den Arbeitsbereich des Gasventils 10, der durch den variablen Drosselquerschnitt ermöglicht ist. Etwaige Kennlinienabweichungen des Gasventils 10 werden durch den variablen Drosselquerschnitt minimiert, da immer mit optimaler Taktung bzw. Einschaltdauer des Ventils gearbeitet werden kann. Kleinere Mengen können mit hoher Präzision dosiert werden.In 2 are characteristics of the gas valve in a diagram which shows a gas quantity over a duty cycle 10 to 1 shown, which are assigned to five different throttle diameters D1 to D5, the diameter D1 defining the largest throttle cross section and the throttle diameter D5 defining the smallest throttle cross section. The dashed lines delimiting the characteristic curves and the characteristic curves assigned to throttle diameters D1 and D5 limit the working range of the gas valve 10 , which is made possible by the variable throttle cross section. Any deviations in the characteristic curve of the gas valve 10 are minimized by the variable throttle cross-section, since the valve can always be operated with optimal timing or duty cycle. Smaller quantities can be dosed with high precision.

In 3 ist in stark schematisierter Weise ein Gasventil 30 dargestellt, das im wesentlichen nach Art des in 1 dargestellten Gasventils aufgebaut ist. Das Gasventil 30 umfaßt ein Ventilgehäuse 13 sowie einen Ventilanker 15, an dessen Stirnseite ein Ventilschließglied 16 ausgebildet ist, das über einen Elastomerdichtring 17 mit einem Ventilsitz 18 zusammenwirkt. Dem Ventil 17 ist ein Drosselraum 20 nachgeordnet, dem wiederum eine eine Abströmdrossel bildende Wechselblende 31 nachgeschaltet ist, die zu der Abströmseite des Ventils 30 führt.In 3 is a gas valve in a highly schematic manner 30 shown, which is essentially according to the type of in 1 Gas valve shown is constructed. The gas valve 30 includes a valve housing 13 as well as a valve anchor 15 , on the front side of a valve closing member 16 is formed, which has an elastomer sealing ring 17 with a valve seat 18 interacts. The valve 17 is a choke room 20 subordinate, which in turn forms an outflow restrictor 31 is connected downstream to the downstream side of the valve 30 leads.

Die Wechselblende 31, die einen ersten Drosselquerschnitt festlegt, ist in einer Drosselplatte 32 ausgebildet, die neben der Blende 31 eine zweite Blende 33 aufweist, die einen größeren Durchmesser als die Blende 31 hat und mithin einen zweiten Drosselquerschnitt festlegt. Mittels eines hier nicht näher dargestellten Stellmotors kann die Drosselplatte 32 verschoben und damit die Blende 33 an die Stelle der Blende 31 verfahren werden. Damit ist der Querschnitt der Abströmdrossel diskret veränderbar.The removable cover 31 , which defines a first throttle cross section, is in a throttle plate 32 trained next to the bezel 31 a second aperture 33 has a larger diameter than the aperture 31 has and therefore defines a second throttle cross section. By means of a servomotor, not shown here, the throttle plate can 32 shifted and thus the aperture 33 in place of the aperture 31 be moved. The cross section of the outflow throttle can thus be changed discretely.

In den 4 und 5 ist eine alternative Ausführungsform eines Gasventils 40 nach der Erfindung dargestellt, dessen Aufbau im wesentlichen demjenigen des Gasventils nach 3 entspricht, sich von diesem aber dadurch unterscheidet, daß es eine Abströmdrossel 41 aufweist, die einen kontinuierlich veränderbaren Drosselquerschnitt hat. Der veränderbare Drosselquerschnitt ist durch eine Blende gebildet, die aus einem elastisch verformbaren Ring 42 mit einem Innenraum 43 besteht, wobei der in dem Innenraum 43 herrschende Druck hydraulisch einstellbar ist. Der Ring 42 hat damit einen veränderbaren Querschnitt und einen veränderbaren Innendurchmesser. Der Innendurchmesser legt den Drosselquerschnitt fest.In the 4 and 5 is an alternative embodiment of a gas valve 40 shown according to the invention, the structure of which essentially that of the gas valve 3 corresponds to, but differs from this in that it has a discharge throttle 41 has a continuously variable throttle cross section. The variable throttle cross-section is formed by an aperture, which consists of an elastically deformable ring 42 with an interior 43 exists, the one in the interior 43 prevailing pressure hydraulically is adjustable. The ring 42 thus has a variable cross-section and a variable inner diameter. The inside diameter defines the throttle cross section.

In 4 bildet der elastisch verformbare Ring 42 eine Blende verringerten Querschnitts, wobei der Druck in dem Innenraum 43 vergrößert ist. In dem in 5 dargestellten Zustand bildet der elastisch verformbare Ring 42 eine Blende vergrößerten Querschnitts, wobei der Druck in dem Innenraum verringert ist.In 4 forms the elastically deformable ring 42 an aperture of reduced cross-section, the pressure in the interior 43 is enlarged. In the in 5 shown state forms the elastically deformable ring 42 an aperture enlarged cross-section, wherein the pressure in the interior is reduced.

Claims (7)

Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, umfassend ein Ventilgehäuse (13), eine Betätigungseinheit für einen zumindest bereichsweise rohrförmigen Ventilanker (15), der axial verschieblich geführt ist und mit einem Ventilschließglied (16) versehen ist, mittels dessen ein Fluidstrom zwischen einer Zuströmseite (11) und einer Abströmseite (12) steuerbar ist und das mit einem Ventilsitz (18) zusammenwirkt, wobei zwischen dem Ventilsitz (18) und der Abströmseite (12) mindestens eine Abströmdrossel (24, 31, 41) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmdrossel (24, 31, 41) einen verstellbaren Drosselquerschnitt hat.Valve for controlling a fluid, in particular for controlling a gas, comprising a valve housing ( 13 ), an actuation unit for an at least partially tubular valve armature ( 15 ), which is guided axially displaceably and with a valve closing member ( 16 ) is provided, by means of which a fluid flow between an inflow side ( 11 ) and an outflow side ( 12 ) is controllable with a valve seat ( 18 ) interacts, whereby between the valve seat ( 18 ) and the downstream side ( 12 ) at least one outlet throttle ( 24 . 31 . 41 ) is arranged, characterized in that the outflow throttle ( 24 . 31 . 41 ) has an adjustable throttle cross section. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abströmdrossel (24, 31, 41) eine Blende umfaßt.Valve according to claim 1, characterized in that the outflow throttle ( 24 . 31 . 41 ) includes an aperture. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (31, 32) eine Wechselblende ist.Valve according to claim 2, characterized in that the diaphragm ( 31 . 32 ) is an interchangeable aperture. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselblende (31, 32) mit einem Wechselmechanismus verbunden ist, der insbesondere einen Stellmotor und/oder einen Elektromagnet umfaßt.Valve according to claim 3, characterized in that the interchangeable orifice ( 31 . 32 ) is connected to an interchangeable mechanism, which in particular comprises an actuator and / or an electromagnet. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende eine Irisblende ist.Valve according to claim 2, characterized in that the diaphragm is an iris diaphragm. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (42) aus einem elastisch verformbaren Material gefertigt ist.Valve according to claim 2, characterized in that the diaphragm ( 42 ) is made of an elastically deformable material. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (42) aus einem elastisch verformbaren Ring gebildet ist, dessen Innendruck pneumatisch oder hydraulisch einstellbar ist.Valve according to claim 6, characterized in that the diaphragm ( 42 ) is formed from an elastically deformable ring, the internal pressure of which can be adjusted pneumatically or hydraulically.
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