CN103322217A - 具有改进的密封配合的比例阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制气态介质、尤其是氢的比例阀，包括：一个具有至少一个穿孔（3）的喷嘴体（2）；一个关闭元件（4），它释放和关闭一个阀座（21）上的穿孔（3）；和一个弹性的密封元件（5），它在所述阀座（21）上密封，其中，所述密封元件（5）具有一个具有内壁区域（51）的空槽（50），以及所述内壁区域（51）在所述比例阀的关闭状态中被加载气态介质的压力。

Description

具有改进的密封配合的比例阀
技术领域
本发明涉及一种用于控制气态介质、尤其是氢和尤其用于在具有燃料电池驱动器的机动车中使用的比例阀。
背景技术
在机动车领域中除液态燃料外，气态燃料在将来也越来越重要。尤其是在具有燃料电池驱动器的机动车中必须控制氢气流。气流在这里不再如在喷射液态燃料时那样不连续地被控制，而是优选使用比例阀，比例阀根据所希望的驱动功率来适配阀的打开横截面。
由于气态氢的分子大小很小，在比例阀的密封性方面必须满足高要求。在这里关闭元件的最小的倾斜就已经可能导致不希望的泄漏。由DE 2005056 212 A1已知一种用于天然气的气阀，在该气阀中在喷嘴体上构成专门的几何结构，以便实现尽可能低损失的介质流动。然而该阀不被构造为比例阀，而是被构造为吹入-节拍阀，并且没有任何关于改善阀座密封的说明。
发明内容
按照本发明的具有权利要求1的特征的用于控制气态介质的比例阀相对于此具有优点，即保证了在阀座上的进一步改善的密封性。尤其是在-40至0℃的温度范围中实现比例阀的提高的密封性，在该温度范围中密封元件由温度引起地通常弹性更少。改善的密封性尤其是通过密封元件在阀座上的改善的贴靠来实现。为此按照本发明规定，在阀座上密封的弹性密封元件具有一个空槽。该空槽在密封元件上限定一个内壁区域，该内壁区域在比例阀的关闭状态中被加载来自比例阀的压力区域的压力。因此，按照本发明除了例如通过关闭弹簧在密封元件上作用的关闭压力外，通过待控制的气态介质的压力能够提供一个关闭压力。由此尤其是能够实现相对于具有非常小的分子大小的气态氢的有效密封。阀优选被用于将氢输入给燃料电池。
从属权利要求示出本发明的优选扩展构型。
优选密封元件中的空槽是一个盲孔-空槽。由此能够以简单方式在密封元件上提供一个内壁区域，在该内壁区域上可以施加气体压力。
变换地，密封元件中的空槽是一个贯穿-空槽。优选该密封元件环形地构成并且优选在中间具有贯穿-空槽，它与比例阀的中心轴向同轴地定向。还优选关闭元件在这里附加地还具有一个盲孔-空槽，由此使密封元件中的贯穿-空槽进一步通入到关闭元件中。
对于特别简单的结构，比例阀具有一个作为穿孔的唯一的中央的穿孔。特别优选在这里密封元件中的空槽与穿孔同轴地设置。
根据本发明的另一种优选的扩展构型，阀座具有一个环绕地突出的密封唇，该密封唇在剖面中拱形地构成。由此在阀座上得到一个座面，密封元件能够特别好地贴靠在座面上并且在关闭状态中能够实现密封元件和阀座之间的尽可能大的接触面积。优选在这类环绕的密封唇的半径为大约0.1mm。由此在密封的情况下还可以实现对气压的特别好的支撑作用。
变换地，阀座也可以具有通向穿孔的倒圆的过渡部。
优选密封元件中的所述空槽的内直径与中心穿孔的直径的比位于0.40至0.80的范围中并且特别优选为大约0.60。
还优选在未被加载的状态中，所述密封元件上的空槽的深度与所述密封元件的厚度的比分别在比例阀的轴向上为至少2：5、优选4：5。
本发明还涉及一种具有燃料电池和按照本发明的用于控制气态氢的比例阀的燃料电池装置。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明的优选实施例。在附图中：
图1是按照本发明的一个实施例的比例阀的示意性剖视图；
图2是图1的比例阀的放大视图；
图3是图1的比例阀在关闭状态中的放大的剖视图；
图4是根据本发明的第二实施例的比例阀的放大剖视图；和
图5是按照本发明的第三实施例的比例阀的放大剖视图。
具体实施方式
在下面参照图1至3详细描述按照第一实施例的用于控制气态介质的比例阀1。在这些图中示出的比例阀1在这里用于控制气态氢，气态氢例如被输入给机动车中的燃料电池。
如图1所示，比例阀1包括一个阀壳体6，该阀壳体带有一个磁衔铁12、一个线圈13和一个与磁衔铁12连接的杆11。一个关闭弹簧14通过一个弹簧座15与杆11连接。附图标记16表示一个调节栓，用以调节关闭弹簧14的复位力。线圈13固定在阀壳体6上的塑料包覆成形部17中。一个电插接接头18侧向地设置在比例阀1上。在杆11的与关闭弹簧14相反的端部上设置一个关闭元件4。该关闭元件4封闭一个中心穿孔3，该中心穿孔构造在一个喷嘴体2中。穿孔3在这里与比例阀1的中心轴线X-X同轴地设置。
如进一步由图1可见，在喷嘴体2上设置一个过滤器19，通过该过滤器实现气态介质的输入（箭头A）。为了比例阀的密封，在一个结构元件中设有O形圈20。在比例阀打开的情况下在径向上（箭头B）实现气态介质的流出。
在关闭元件4上设有一个圆形的、弹性的密封元件5。该圆形的密封元件5密封喷嘴体2上的阀座21上的穿孔3。阀座21围绕穿孔3的外圆周延伸。如图2和3所示，阀座21在剖面中具有一个半径为R1的拱形形状。半径R1大约为0.1mm。
如进一步由图2和3可见，密封元件5具有一个带有壁区域51和底部区域52的空槽50。空槽50圆柱形地构成在密封元件5中并且与中心轴线X-X同轴地定向。密封元件5在这里例如借助粘接与关闭元件4连接。密封元件5在中心轴线X-X的方向上具有大约0.5mm的厚度D并且空槽50具有大于0.2mm的深度T并且在该实施例中具有大约0.4mm的深度。
在阀壳体6中还设有流出孔7、8，它们在径向方向上延伸。在打开阀时，关闭元件4连同密封元件5从喷嘴体2上的阀座21抬起并且根据关闭元件4的行程释放一个打开横截面。由此气体侧向地从关闭元件4旁边流入到流出孔7、8中。由此在比较小的行程时较大的气体量能够在关闭元件4处通过中心穿孔3流出。
如示出比例阀1的关闭状态的图3可见，密封元件5这样地被设置，即密封元件在阀座21上密封。在这里与空槽50相邻的角部区域53贴靠在剖面呈拱形的阀座21上。在这里，通过密封元件5在阀座21上的密封通过气态介质的压力来支持，气态介质的压力对密封元件5的内壁区域51加载。这在图3中通过箭头P表示。由此得到密封元件在阀座21的区域中的变形，这在图3中通过参考标记51’表示。为了比较，具有未变形的内壁区域51的密封元件的形状用虚线表示。在这里未变形的内壁区域51的直径D1被这样地选择，使得未变形状态中的直径D1与穿孔3的直径D2的比位于0.40至0.80的范围中。
气态介质的压力由此按照本发明在关闭的比例阀中支持在阀座21上的密封，从而得到阀密封性的明显改善。这可以按照本发明通过密封元件与空槽50的精心构造来实现，从而压力能够作用到密封元件5的内壁区域51上并且支持密封。如图3所示，由此尤其是明显增大了密封线（在剖面中）的长度。由此增加了在唇形阀座21上的有效密封面积。通过密封元件在密封元件5的角部区域53中的附加变形能够尤其在-40℃至0℃之间的低温时也实现改善的密封性，在所述低温时密封元件5由于温度而低弹性。
根据本发明的效应还随着气态介质的压力增加而增强，因为随着压力增加由于提高的气体密封，对比例阀的密封特性的要求也增加。因此根据本发明的效应是特别有利的。
图4和5示出本发明的替代实施例，其中，相同或功能相同的部分设有与在以上实施例中相同的附图标记。
在图4中密封元件5的空槽50被构造为贯穿空槽。由此气态介质的压力在密封元件的整个厚度D上贴靠在空槽50的内壁区域51上。如图4可见，密封元件5由此具有一个具有中心的中间贯穿-空槽的环形形状。在关闭元件4中还附加地设有一个盲孔-空槽40。该盲孔-空槽40由此延长构造在密封元件中的空槽50到关闭元件4中。
在图5中所示的第三实施例中，密封元件5如在图4的第二实施例中那样构成，但是在第三实施例中在关闭元件4中不存在盲孔-空槽。
所述的实施例由此示出一个用于控制氢气流的比例阀1，它尤其是在用于燃料电池的气体输入装置中使用。通过在密封元件5上构成空槽50，该空槽在比例阀的关闭装置中与处于压力下的气态介质连接，由此能够实现在阀座21上的改善的密封装置，该密封装置也在压力提高时通过在密封元件上的附加变形同样保持密封。由此按照本发明提供一种用于控制氢气流的比例阀1，它尤其是用于给燃料电池输送气体。按照本发明的设计方案能够实现更可靠的密封，它自动地适应气态介质的提高的压力。

Claims (10)

1.用于控制气态介质、尤其是氢的比例阀，包括：
-一个具有至少一个穿孔（3）的喷嘴体（2），
-一个关闭元件（4），它释放和关闭一个阀座（21）上的穿孔（3），和，
一个弹性的密封元件（5），它在所述阀座（21）上密封，
-其中，所述密封元件（5）具有一个具有内壁区域（51）的空槽（50），和
-其中，所述内壁区域（51）在所述比例阀的关闭状态中被加载气态介质的压力。
2.根据权利要求1的比例阀，其特征在于，所述空槽（51）是一个盲孔-空槽。
3.根据权利要求1的比例阀，其特征在于，所述空槽（51）是一个贯穿-空槽。
4.根据权利要求3的比例阀，其特征在于，所述关闭元件（4）具有一个盲孔-空槽（40）。
5.根据以上权利要求之一的比例阀，其特征在于，作为所述穿孔（3）设置一个唯一的、中心的穿孔。
6.根据权利要求5的比例阀，其特征在于，所述密封元件（5）中的空槽（50）与所述穿孔（3）同轴。
7.根据以上权利要求之一的比例阀，其特征在于，所述阀座（21）具有一个环绕地突出的密封唇，所述密封唇在剖面中拱形地构成。
8.根据以上权利要求之一的比例阀，其特征在于，所述密封元件（5）中的空槽（50）在未被加载的状态中的内直径（D1）与所述穿孔（3）的直径（D2）的比位于0.40至0.80的范围中。
9.根据以上权利要求之一的比例阀，其特征在于，在未被加载的状态中，所述密封元件（5）上的空槽（50）的深度（T）与所述密封元件（5）的厚度（D）的比为至少2：5。
10.燃料电池装置，包括一个根据以上权利要求之一比例阀（1），该比例阀用于控制向着燃料电池的氢输入。
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