DE10353011A1

DE10353011A1 - Ventil zum Steuern eines Fluids

Info

Publication number: DE10353011A1
Application number: DE10353011A
Authority: DE
Inventors: Frank Brenner; Frank Miller; Martin Möller; Kai Kröger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2005-06-16
Also published as: BRPI0404981A; ITMI20042144A1

Abstract

Es wird ein Ventil (10) zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, vorgeschlagen. Das Ventil (10) umfasst ein Ventilgehäuse (13), das eine Betätigungseinheit (14) für einen Magnetanker (18) aufnimmt, der axial verschiebbar in dem Ventilgehäuse (13) geführt ist und mit einem Ventilschließglied (19) versehen ist, an dessen Stirnseite ein Dichtelement (20) angeordnet ist, das derart mit einem an einer Sitzplatte (22) ausgebildeten Ventilsitz (21) zusammenwirkt, dass ein Fluidstrom durch Abströmöffnungen (24) der Sitzplatte (22) steuerbar ist. Erfindungsgemäß ist das Dichtelement (20) aus einem mit einem Füllstoff versehenen Kunststoff gebildet (Figur 1).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
Ein derartiges Ventil ist aus der Praxis bekannt und kann beispielsweise als Gassteuerventil in Verbindung mit einer Brennstoffzelle oder einem Gasmotor eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden.
Das bekannte Ventil hat ein Ventilgehäuse, in dem ein mit einer Betätigungseinheit zusammenwirkender Magnetanker axial verschiebbar geführt ist, der mit einem Ventilschließglied versehen ist, das über ein Dichtelement mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, der an einer Sitzplatte ausgebildet ist. In Abhängigkeit von der Stellung des Magnetankers ist ein Fluidstrom durch Abströmöffnungen steuerbar, die in die Sitzplatte eingebracht sind und zu der Abströmseite des Ventils führen.
Bei Gasventilen besteht grundsätzlich das Problem, dass das zu steuernde, trockene und gasförmige Medium keine Schmiereigenschaften hat und so ein hoher Verschleiß im Ventilsitzbereich, d. h. im Dichtbereich, resultieren kann, was zu Veränderungen der Funktionswerte des Ventils und insbesondere bei geschlossenem Ventilschließglied zu unzulässig hohen Leckraten führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der einleitend genannten Art zu schaffen, das im Ventilsitzbereich verschleißoptimiert ausgebildet ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei welchem Ventil das Dichtelement aus einem mit einem Füllstoff versehenen Kunststoff gebildet ist, hat den Vorteil, dass mittels des Füllstoffes die Materialeigenschaften des Dichtelements präzise an die bei dem jeweiligen Anwendungsfall gestellten Anforderungen anpassbar ist. Gleichzeitig gewährleistet der Einsatz eines aus Kunststoff gefertigten Dichtelements eine lange Lebensdauer und eine hohe Dichtheit des Ventils. Ferner hat das Dichtelement neben einer Dichtfunktion auch eine Dämpfungsfunktion beim Aufprall des Ventilschließglieds auf die Sitzplatte, da es die Aufprallenergie weitgehend absorbieren kann.

Durch Einsatz eines aus Kunststoff bestehenden Dichtelements wird also ein gutes Verschleißverhalten und auch ein optimiertes Geräuschverhalten des Ventils erreicht.

Durch Verwendung eines befüllten Werkstoffs für das Dichtelement kann im Vergleich zu einem unbefüllten Dichtelement eine geringere dynamische und statische Mengendrift erreicht werden. Auch lassen sich durch die Befüllung belastbare Anschlagflächen herstellen, was wiederum zu einer Lebensdauererhöhung des Ventils führt. Ferner kann durch die Befüllung des Werkstoffs Setzvorgängen und auch einer Prellneigung beim Schließvorgang in wirkungsvoller Weise entgegengewirkt werden.

Des Weiteren bietet das Dichtelement des Ventils nach der Erfindung den Vorteil, dass es eine hohe Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von Medien, wie gegenüber Wasser, Ölen oder Fetten, hat.

Das Dichtelement des Ventils nach der Erfindung kann in einfacher Art und Weise, beispielsweise nach einem Spritzverfahren oder einem Klebeverfahren, auf die Stirnseite des Ventilschließglieds aufgebracht sein.

Das Ventil nach der Erfindung ist insbesondere zur Massenstromregelung von Gasen wie Wasserstoff und Erdgas geeignet und kann beispielsweise bei einer Brennstoffzelle oder auch bei einem gasmotorischen Antrieb eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden.

Der Begriff Kunststoff ist im vorliegenden Fall in seinem weitesten Sinne zu verstehen und umfasst sowohl Elastomere, d. h. elastische gummiähnliche Kunststoffe oder synthetische Kautschuke, als auch Hartkunststoffe. Als Hartkunststoff können beispielsweise Polyetheretherketon PEEK, Polyamid, Polyethylen oder Polyphenylensulfid PPS eingesetzt werden.

Zur Einstellung der bei dem jeweiligen Anwendungsfall geforderten Materialeigenschaften können dem Kunststoff als Füllstoffe beispielsweise Kohlefasern, Graphit, Polytetrafluorethylen PTFE und/oder Aramitfasern beigegeben werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Ventils nach der Erfindung ist das Dichtelement aus PEEK gebildet, das mit Kohlefasern, Graphit und PTFE befüllt ist. Vorteilhaft ist auch die Verwendung von PEEK, das mit Aramitfasern befällt ist und optional in Abhängigkeit von seiner Beanspruchung weitere Füllstoffe, wie Graphit, PTFE und/oder Kohlefasern, umfassen kann.

Die Verwendung von Aramit als Füllstoff bietet den Vorteil, dass es sich hierbei um ein schlagzähes Material handelt, das eine beim Schließen des Ventilschließglieds anfallende Aufprallenergie in besonders wirkungsvoller Weise absorbieren kann.

Insbesondere durch Verwendung der vorstehend aufgeführten Füllstoffe kann erreicht werden, dass das für das Dichtelement eingesetzte Material einen Aufdehnungskoeffizienten hat, der in dem Bereich des Ausdehnungskoeffizienten von Stahl liegt, so dass es bei etwaig auftretenden Temperaturschwankungen nicht zu einer Beeinträchtigung der Anbindung des Dichtelements an das in der Regel aus Stahl gefertigte Ventilschließglied kommt.

Bei einer Ausführung des Dichtelements aus einem Elastomer ist es vorteilhaft, wenn der Füllstoff aus PTFE gebildet ist, da dann bei einem Schiefstand des Ventilschließglieds eine hinreichende Querbeweglichkeit des Ventilschließglieds gewährleistet ist.

Zur weiteren Erhöhung der Querbeweglichkeit des Ventilschließglieds kann das Dichtelement stirnseitig mit einer beispielsweise aus PTFE bestehenden Beschichtung versehen sein, die nach dem Vulkanisieren des Dichtungsmaterials aus der Gasphase auf dem Dichtelement abgeschieden werden kann. Die Beschichtung hat vorzugsweise eine Dicke von einigen Nanometern. Eine zu geringe Querbeweglichkeit des Ventilschließglieds ist zu vermeiden, da dann ein sogenannter Schuhsoleneffekt auftreten kann, der bewirkt, dass sich bei einem Schiefstand des Ventilschließglieds das auf den Ventilsitz aufliegende Dichtelement nicht mehr bewegen und sich das Ventilschließglied bzw. der Magnetanker nicht mehr aufstellen kann. Dies hätte eine Undichtigkeit des Ventils zur Folge.

Des Weiteren wird durch Einsatz des Dichtelements aus einer der oben genannten Materialmischungen eine Prellneigung des Ventilschließglieds, d. h. ein Abheben des Ventilschließglieds nach dem Schließvorgang aufgrund des Schließimpulses, deutlich reduziert.

Die Abdichtung der Abströmöffnungen der Sitzplatte mittels des Dichtelements kann entwederflächig oder auch linienförmig erfolgen. In letzterem Fall weist das Dichtelement vorteilhaft stirnseitig mindestens zwei konzentrische Dichtlippen auf.

Des Weiteren kann das Ventilschließglied so ausgelegt sein, dass das Dichtelement von einem konzentrischen Stützring umschlossen ist. Der insbesondere metallische Stützring trifft bei einer Schiefstellung des Ventilschließglieds beim Schließen des letzteren vor dem Dichtelement auf die Sitzplatte auf. Bei einem planparallelen Auftreffen des Dichtelements auf die Sitzplatte kommt es jedoch zu keiner Berührung des Stützelements und der Sitzplatte, da das Dichtelement geringfügig über den Stützring vorsteht und aufgrund seiner Materialbeschaffenheit in der Regel kaum komprimierbar ist und einen entsprechend großen Widerstand darstellt.

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

Zeichnung
Drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Ventils sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 einen vereinfachten Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Gasventils;
2 eine vergrößerte und vereinfachte Darstellung des einen Dichtbereich darstellenden Bereichs II in 1;
3 einen Dichtbereich bei einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils;
4 einen Dichtbereich bei einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ventils; und
5 den in 4 dargestellten Dichtbereich bei einer Ankerschiefstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein Gasventil 10 dargestellt, das zum Einsatz bei einer Brennstoffzelle oder bei einem Gasmotor ausgelegt ist und zur Regelung eines Gasstroms aus beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas von einer Zuströmseite 11 zu einer Abströmseite 12 dient.
Das Gasventil 10 hat ein mehrteilig aufgebautes Gehäuse 13, in welchem eine Magnetspule 14 angeordnet ist, die eine dem Ventilgehäuse 13 zugeordnete Führungshülse 15 umgreift. In der Führungshülse 15 ist ein im Wesentlichen rohrförmiger Stopfen 16 fixiert, in den eine Spiralfeder 17 eingreift, die als Vorspannfeder für einen Magnetanker 18 dient, der axial verschiebbar in der Führungshülse 15 geführt ist.
Der Magnetanker 18 ist ebenfalls im Wesentlichen rohrförmig ausgebildet und bildet an seiner der Vorspannfeder 17 abgewandten Seite ein Ventilschließglied 19, das stirnseitig über ein ringförmiges Dichtelement 20 mit einem Ventilsitz 21 zusammenwirkt, der ein Flachsitz ist und an einer Ventilplatte 22 ausgebildet ist. Die Ventilplatte 22 und das Ventilschließglied 20 des Magnetankers 18 sind in 2 vereinfacht und vergrößert dargestellt.
Die Sitzplatte 22 ist Bestandteil eines topfförmigen Einsatzes 23, der in der Führungshülse 15 fixiert ist und als Schalldämpfer dient, dessen stirnseitige Öffnung die Abströmseite 12 des Gasventils 10 bildet.
Die Sitzplatte 22 weist des Weiteren eine Vielzahl an Abströmöffnungen bzw. düsen 24 auf, die entlang einer Kreislinie angeordnet sind und zu der Abströmseite 12 des Gasventils 10 führen. In Schließstellung des Ventilschließglieds 19 sind die Abströmdüsen 24 von dem Dichtelement 20 flächig abgedeckt.
Der Magnetanker 18 weist ferner einen Innenraum 26 auf, der mit der Zuströmseite 11 des Gasventils 10 verbunden ist und von dem bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel radiale Abströmbohrungen 27 und eine axiale Abströmbohrung 28 abzweigen. Die radialen Abströmbohrungen 27 führen zu einem im Wesentlichen ringförmigen Hochdruckraum 29, der von dem Magnetanker 18, der Führungshülse 15 und der Sitzplatte 22 begrenzt ist. Die axiale Abströmbohrung 27 führt an die Stirnseite des Magnetankers 18 bzw. des Ventilschließglieds 19.
Das Dichtelement 20 besteht aus einem aus PEEK gebildeten Werkstoff, der mit einem Füllstoff aus Aramitfasern befüllt ist. Des Weiteren weist der Werkstoff aus dem das Dichtelements 20 gefertigt ist, geringe Anteile an Graphit, PTFE und Kohlenfasern auf.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform eines Dichtbereichs eines Gasventils der in 1 näher gezeigten An dargestellt. Dieser Dichtbereich unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Dichtbereich dadurch, dass ein Ventilschließglied 19 eines Magnetankers stirnseitig mit einem ringförmigen Dichtelement 20' versehen ist, das zwei Dichtlippen 31 und 32 aufweist, die bei geschlossenem Ventilschließglied 19 so an einer Sitzplatte 22 anliegen, dass eine linienförmige Abdichtung von Abströmdüsen 24 erfolgt. Die resultierenden Dichtlinien sind konzentrisch zu einer Kreislinie angeordnet, entlang der die Abströmdüsen 24 angeordnet sind.
Das Dichtelement 20' besteht aus PEEK, das mit Kohlefasern befüllt ist.
In den 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Dichtbereichs eines Gasventils der in 1 gezeigten Art dargestellt. Dieser Dichtbereich unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Dichtbereich dadurch, dass ein Ventilschließglied 19 eines Magnetankers stirnseitig einen Stützring 33 aufweist, der ein ringförmiges Dichtelement 20'' umschließt. Wie 5 zu entnehmen ist, bewirkt der Stützring 33, dass bei einer Schiefstellung des Magnetankers bzw. des Ventilschließglieds 19 zunächst der Stützring 33 auf die Sitzplatte 22 aufsetzt und ein Aufrichten des Ventilschließglieds erleichtert. Nach dem Aufrichten des Ventilschließglieds 19 kommt das geringfügig über den Stützring 33 vorstehende Dichtelement 20'' an einem Ventilsitz 21 zur Anlage, so dass Abströmdüsen 24 flächig abgedichtet werden.
Das Dichtelement 20'' besteht aus Polyamid und weist einen Füllstoff aus Kohlefasern und Graphit auf.

Claims

Ventil zum Steuern eines Fluids, insbesondere zum Steuern eines Gases, umfassend ein Ventilgehäuse (13), das eine Betätigungseinheit (14) für einen Magnetanker (18) aufnimmt, der axial verschiebbar in dem Ventilgehäuse (13) geführt ist und mit einem Ventilschließglied (19) versehen ist, an dessen Stirnseite ein Dichtelement (20, 20', 20'') angeordnet ist, das derart mit einem an einer Sitzplatte (22) ausgebildeten Ventilsitz (21) zusammenwirkt, dass ein Fluidstrom durch Abströmöffnungen (24) der Sitzplatte (22) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (20, 20', 20'') aus einem mit einem Füllstoff versehenen Kunststoff gebildet ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus einem Hartkunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon, Polyamid, Polyethylen oder Polyphenylensulfid besteht.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus einem Elastomer gebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff aus Kohlefasern, Graphit, PTFE und/oder Aramitfasern gebildet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (20') stirnseitig mit zwei konzentrischen Dichtlippen (31, 32) versehen ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (20'') von einem konzentrischen Stützring (33) umschlossen ist.