CN110770485A - 用于控制气态介质的比例阀和燃料电池组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制气态介质、尤其氢气的比例阀(100)，所述比例阀包括：能运动的关闭元件(301)和布置在所述关闭元件(301)上的第一弹簧(302)，其中，所述第一弹簧(302)设置为用于将第一弹簧力沿关闭方向施加到所述关闭元件(301)上，和促动器(200)，其中，所述促动器(200)设置为用于将能调节的力提供到所述关闭元件(301)上，所述能调节的力与所述第一弹簧力相反地指向，其中，所述关闭元件(301)设置为用于通过运动关闭和打开通流开口(102)，其中，所述比例阀(100)包括闭合元件(305)，所述闭合元件布置在所述关闭元件(301)的一个端部上，并且包括第二弹簧(304)，其中，所述第二弹簧(304)布置在所述闭合元件(305)上，并且其中，所述第二弹簧(304)设置为用于将第二弹簧力施加到所述闭合元件(305)上，其中，所述第二弹簧力抵抗所述第一弹簧力。

Description

用于控制气态介质的比例阀和燃料电池组件
技术领域
本发明涉及一种用于控制气态介质的比例阀和一种燃料电池组件。
背景技术
在DE 102010043618 A1中说明了一种用于控制气态介质、例如氢气的比例阀。构造为针的关闭元件与关闭弹簧连接。所述针构造为能够通过包括电磁线圈和衔铁的促动器运动，用于打开和关闭通流开口。
发明内容
本发明从用于控制气态介质的比例阀和燃料电池组件出发。
根据权利要求1的比例阀的优点是，能够实现低成本的实施方式，因为可以在不损失比例阀的密封性的情况下降低在制造时的公差要求。因此，能够实现良好的阀座密封性和从而在气体配量时的高可靠性和安全性以及低成本的阀制造。
这借助根据权利要求1的用于控制气态介质、尤其氢气的比例阀来实现，所述比例阀包括可运动的关闭元件和布置在关闭元件上的第一弹簧。第一弹簧设置为用于将第一弹簧力沿关闭方向施加到关闭元件上。此外，所述比例阀还包括促动器，其中，该促动器设置为用于提供可调节的力，该可调节的力与第一弹簧力相反地指向。关闭元件设置为用于通过运动关闭和打开通流开口。根据权利要求1的比例阀的特点在于，该比例阀包括闭合元件，所述闭合元件布置在关闭元件的一个端部上。此外，比例阀的特点在于，该比例阀包括第二弹簧，其中，第二弹簧布置在闭合元件上，并且其中，第二弹簧设置为用于将第二弹簧力施加到闭合元件上，其中，第二弹簧力抵抗第一弹簧力。
一个优点在于，通流开口的安全关闭取决于第一弹簧力和第二弹簧力的设计，其中，能够以高精度实现弹簧的制造和从而弹簧力的设计。因此，安全关闭取决于这些弹簧的差值力，而不取决于绝对力。另一优点在于，第二弹簧朝打开方向作用并且因此防止关闭元件和闭合元件彼此分离，当关闭元件和闭合元件不是固定地相互连接而是彼此分离地实施时，这尤其是感兴趣的。关闭元件和闭合元件的分离的实施方式的优点在于，闭合元件可以平行于阀座地定向，因为闭合元件和关闭元件之间的运动是可能的。因此，闭合元件也可以在关闭元件和阀座之间存在公差的情况下平行地定向并且实现良好的密封性。由第二弹簧的布置产生的另一优点在于，可以减小比例阀的磨损并且从而提高比例阀的使用寿命。
在另一实施方式中，关闭元件构造为用于关闭或释放构造在通流开口的区域中的阀座。因此，一个优点在于，能够在供给压力增大的情况下确保阀座的密封性。
在另一实施方式中，关闭元件和闭合元件通过第一弹簧力和第二弹簧力彼此贴靠地布置。一个优点在于，关闭元件和闭合元件的连接被简化，因为关闭元件和闭合元件可以实施为单独的构件并且不是固定地相互连接，而是通过第一弹簧力和第二弹簧力彼此贴靠地固定。此外，由此能够减小对比例阀的结构的公差要求，而用于实现足够的密封性的精度不减小。因此，另一优点在于，能够实现合成的弹簧力的更好的可调节性。
在另一实施方式中，第一弹簧力在量值方面大于第二弹簧力。一个优点在于，通流开口在基本状态下、即当促动器未被通电时关闭，并且因此，没有气体能够通过通流开口。
在另一实施方式中，第二弹簧力可以选择得大于在阀座上出现的最大关闭力，该最大关闭力由供给压力和流量得出。由此可以有利地保证，阀座在任何运行条件下安全地打开。
在另一实施方式中，闭合元件可以包括支撑结构，其中，第二弹簧经由支撑结构与闭合元件作用连接。因此，一个优点在于，能够以简单的方式实现第二弹簧在闭合元件上的布置并且还能够实现，第二弹簧力抵抗第一弹簧力。
在另一实施方式中，闭合元件可以构造为罐形。因此，第二弹簧能够有利地将抵抗第一弹簧力的第二弹簧力施加到闭合元件上。因此，一个优点在于，可以节省空间地布置第二弹簧并且因此能够提高比例阀的紧凑性。
在另一实施方式中，可以在闭合元件的面向通流开口的面上布置有弹性元件。由此可以有利地实现，关闭元件在关闭状态下已经在较小的压紧力的情况下密封通流开口，使得没有气体能够通过通流开口。因此，能够实现精确的气体配量。
在另一实施方式中，流入室和关闭元件可以布置在通流开口的第一侧上，而流出室可以构造在通流开口的背离第一侧的第二侧上，其中，流入室和流出室能够经由通流开口相互连接。因此，一个优点在于，流入室中的气体有助于关闭力并且因此尤其在基本状态下在通过关闭元件密封通流开口时起辅助作用。因此，能够提高比例阀的密封性和可靠性。
在另一实施方式中，关闭元件与闭合元件的接触部位可以实施为凸球形。一个优点在于，由此能够改善角度公差的补偿。因此，能够提高比例阀的密封性和可靠性。
在另一实施方式中，促动器可以包括电磁线圈和电磁衔铁，其中，电磁衔铁与关闭元件固定连接，并且其中，电磁衔铁能够通过电磁线圈升降运动。因此，一个优点在于，打开行程被无级地调节，因为第一和第二弹簧力根据胡克定律与各个弹簧的偏移是成比例的，因此能够调节气体配量。
具有用于控制到燃料电池的氢气输送的比例阀的燃料电池组件能够有利地实现对气体配量的可靠调节，并且因此将气体配量可靠地匹配燃料电池的需求。另外的优点是在燃料电池的阳极路径中的较小的压力波动和比例阀的静音运行。
附图说明
在附图中示出并且在下面的说明中详细地阐述本发明的实施例。在附图中的相同的附图标记标明相同或相同作用的元件。
附图示出了：
图1根据第一实施例的包括第一弹簧和第二弹簧的比例阀的横截面，
图2根据第二实施例的在关闭元件和闭合元件之间具有凸球形地实施的接触部位的比例阀的横截面，
图3具有比例阀的燃料电池组件的简化结构，
图4根据第三实施例的比例阀的横截面的局部，和
图5根据第四实施例的比例阀的横截面的局部。
具体实施方式
在图1中示出根据第一实施例的用于控制气态介质、尤其氢气的比例阀100的横截面。比例阀100包括可运动的关闭元件301和布置在关闭元件301上的第一弹簧302，其中，第一弹簧302将第一弹簧力沿关闭方向409施加到关闭元件301上。第一弹簧302在这里构造为螺旋压力弹簧。第一弹簧302布置在关闭元件301的第一端部上，其中，第一弹簧302以另一端部支撑在阀壳体104上。阀壳体104在这里包围整个比例阀100。在关闭元件301的背离第一端部的端部上布置有闭合元件305。此外，比例阀100包括促动器200。促动器200和关闭元件301布置在阀壳体104中。促动器200设置为用于将可调节的力提供到关闭元件301上，该可调节的力与第一弹簧力相反地指向。关闭元件301设置为用于通过运动关闭和打开通流开口102。
在图1所示的实施例中，促动器200包括电磁衔铁202和电磁线圈201，所述电磁衔铁与关闭元件301固定连接。电磁衔铁202能够通过电磁线圈201升降运动。电磁衔铁202至少部分地布置在电磁线圈201的内部。电磁衔铁202在这里构造为柱形。关闭元件301在这里构造为杆形，其中，杆形的关闭元件301沿着电磁衔铁202的对称轴线411穿过该电磁衔铁202延伸并且能够平行于对称轴线411地升降运动。
此外，内极204被部分地接收在电磁线圈201的内部并且外极205布置在阀壳体104和电磁线圈201之间，并且由此构成插入式衔铁。在电磁线圈201的内部布置有间隔套筒元件203，内极204借助该间隔套筒元件与延伸到电磁线圈201内部的阀壳体区段104’连接。阀壳体区段104’在图1中构造为空心柱形。内极204和延伸到电磁线圈201内部的阀壳体区段104’起到引导电磁衔铁202的作用。间隔套筒元件203优选由非磁性材料、例如非磁性金属构成。阀壳体104和内极204与间隔套筒元件203一起限界衔铁室405，在该衔铁室中布置有电磁衔铁202。内极204在背离衔铁室405的一侧上与阀壳体104一起围成弹簧室401，在该弹簧室中布置有第一弹簧302。弹簧室400经由第一通道406与衔铁室405连接并且衔铁室405经由第二通道407与流入室401连接。第一通道406和第二通道407能够实现弹簧室400、衔铁室405和流入室401之间的压力补偿。
图1中的比例阀100包括第二弹簧304，该第二弹簧布置在闭合元件305上。在图1所示的实施例中，闭合元件305包括支撑结构303，其中，第二弹簧304经由支撑结构303与闭合元件305作用连接。闭合元件305在图1中构造为罐形，其中，支撑结构303构成闭合元件305的环形突出部，在该环形突出部上支撑有第二弹簧304。关闭元件301和闭合元件305的对称轴线411是相同的。闭合元件305和第二弹簧304在图1中布置在比例阀100的流入室401中，其中，流入室401在图1所示的实施例中被阀壳体104和喷嘴体101限界。流入室401能够经由通流开口102与流出室402连接。气体、例如氢气可以经由流入通道408沿流入方向403从周围环境被引入到流入室401中，所述流入通道构成比例阀100的周围环境和流入室401之间的开口。如果闭合元件305释放通流开口102，则气体可以沿流出方向404从流入室401流到流出室402中。在图1中，流出室402被喷嘴体101限界，该喷嘴体部分地被阀壳体104接收。替代地或补充地，流出室402可以至少部分地被阀壳体104限界。在通流开口102的面向流入室401的一侧上形成阀座103。在图1中，阀座103设置为喷嘴体101上的平面座，其中，在图1中，在闭合元件305和喷嘴体101之间布置有弹性元件306。在图4中以细节示图示出的另一实施例中，为了提高密封性在弹性元件306上设置有增高的密封棱边。
第一弹簧302设置为用于将第一弹簧力沿关闭方向409施加到关闭元件301上。第一弹簧302在一侧以第一端部支撑在阀壳体104上并且将第一弹簧力传递到关闭元件301上。在另一侧，第一弹簧302以其第二端部支撑在关闭元件301上。在图1中，在关闭元件301和第一弹簧302之间附加地布置有弹簧盘300。弹簧盘300可以将第一弹簧力从第一弹簧302传递到关闭元件301上。第一弹簧302对关闭元件301并且从而对闭合元件305加载以第一弹簧力，所述第一弹簧力沿关闭方向409、即朝阀座103的方向作用。闭合元件305被通过流入通道408流入的气体也沿关闭方向409加载以另外的力。第二弹簧304将抵抗第一弹簧力的第二弹簧力施加到闭合元件305上。第一弹簧302的第一弹簧力和第二弹簧304的第二弹簧力根据胡克定律与行程相关。取决于第一弹簧力和第二弹簧力之间的差的力作用到关闭元件301上，其中，该差值力与弹簧的偏移线性相关。第二弹簧304在图1中以一个力沿打开方向410加载闭合元件305。第一弹簧302和第二弹簧304负责关闭元件301和闭合元件305之间的连接，其方式是：所述第一弹簧和第二弹簧将关闭元件301和闭合元件305相对彼此压紧。因此，例如可以是，单独地制造关闭元件301和闭合元件305并且省去关闭元件301和闭合元件305之间的固定连接。在相应地设计弹簧力和阀动态性时可以在比例阀100运行中避免构件的分离，这防止磨损问题。例如，第一弹簧力可以在量值方面大于第二弹簧力，使得通流开口102在比例阀100的基本状态下关闭，而在电磁线圈201通电时才打开。替代地或补充地，第二弹簧力可以选择得大于在阀座103上出现的最大关闭力，该最大关闭力由供给压力和流量得出。所述供给压力相应于流入室401中的压力。由此可以保证，阀座103在任何运行条件下安全地打开。
通过电磁线圈201的通电借助比例阀100实现气体配量。在电磁线圈201的基本状态、即未通电的状态下，阀座103被第二弹簧304沿打开方向410加载以第二弹簧力并且经由关闭元件301沿关闭方向409加载以第一弹簧力。如果第一弹簧302的第一弹簧力与沿关闭方向409作用的另外的气动力一起大于沿打开方向410作用的第二弹簧力，则阀座103保持闭合。在电磁线圈201通电时，电磁衔铁202由于电磁线圈201的磁场而沿打开方向410运动。作用到电磁衔铁202上并且从而作用到关闭元件301上的力沿打开方向410抵抗第一弹簧力，使得在闭合元件305上沿打开方向410的力占主导并且因此释放通流开口102和阀座103。可以借助调节电磁线圈201的电流强度来控制电磁衔铁202的升降运动。在此，在电流强度增大的情况下实现增大的打开行程并且更多气体从流入室401通过通流开口102被引导到流出室402中。在电流强度减小的情况下，打开行程也减小。如果通电结束，则阀座103由于第一弹簧302和流入室401中的供给压力而闭合。
在图2中示出根据另一实施例的比例阀100的横截面。与图1中的比例阀100的区别在于，关闭元件301和闭合元件305之间的接触部位307构造为凸球形。
在图3中示出具有用于控制到燃料电池501的氢气输送的比例阀100的可能的燃料电池组件500的简化结构。燃料电池组件500包括阳极区域504和阴极区域506。此外，燃料电池组件500还包括箱502，在所述箱中储存有气态介质、在这里是氢气。如例如在图1和2中所示的那样，气态介质从箱502经由流入管路502通过流入通道408被引导到比例阀100的流入空间401中，所述流入通道作为阀壳体104中的开口实现。气态介质可以经由通流开口102被引导到喷射泵503的喷嘴体101中并且可以从那里被输送给燃料电池501的阳极区域504。
借助比例阀100可以通过调节打开行程来控制通过比例阀100的气态介质的通流速率。可以由控制单元505通过调节在比例阀100的电磁线圈201上的电流强度实现打开行程的调节。打开行程的大小取决于电流强度。由此能够根据需求调节到燃料电池501的气体输送。
图5示出根据另一实施例的比例阀100的横截面的局部。该实施例与在图1中所示的实施例的区别于第二弹簧304的布置。在图5所示的实施例中，第二弹簧304布置在下游、即在流出室403中。支撑结构303在这里包括盘形元件303”和连接销303’。连接销303’在第一端部上贴靠到闭合元件305上并且在第二端部上与盘形元件303”连接。连接销303’居中地贴靠在闭合元件405上。第二弹簧力沿打开方向410作用。第二弹簧304支撑在弹簧盘308上，并且压到盘形元件303”上和从而压到连接销303'上，所述弹簧盘布置在第二弹簧304的背离支撑结构303的一侧上，所述连接销将力沿打开方向410传递到闭合元件405上。由此，弹簧力居中地被引入到闭合元件305中，使得可以在打开时避免闭合元件305的移位或者倾斜。弹簧盘308布置在喷嘴体101的背离闭合元件305的一侧上。弹簧盘308能够实现对第二弹簧力的调节。为此，如在图5中所示的那样，弹簧盘308可以设有螺纹308’。替代地或补充地，弹簧盘308按尺寸被压入。为此在弹簧盘308中布置有居中的孔，以便借助测量头到达支撑结构303。由于第二弹簧304的良好的可接近性，针对该第二弹簧能够以简单的方式，例如通过螺纹308’或按尺寸的压入过程实现对第二弹簧304的调节。由此可以减小构件公差。此外，因此可以实现第一弹簧302、即关闭弹簧不能调节的结构方式。因为为了补偿公差，所述弹簧中的至少一个应能够调节，这可以通过调节第二弹簧304来实现。

Claims (12)

1.一种用于控制气态介质、尤其氢气的比例阀(100)，所述比例阀包括：
·能运动的关闭元件(301)和布置在所述关闭元件(301)上的第一弹簧(302)，其中，所述第一弹簧(302)设置为用于将第一弹簧力沿关闭方向施加到所述关闭元件(301)上，和
·促动器(200)，其中，所述促动器(200)设置为用于将能调节的力提供到所述关闭元件(301)上，所述能调节的力与所述第一弹簧力相反地指向，
其中，所述关闭元件(301)设置为用于通过运动关闭和打开通流开口(102)，其特征在于，所述比例阀(100)
·包括闭合元件(305)，所述闭合元件布置在所述关闭元件(301)的一个端部上，并且
·包括第二弹簧(304)，其中，所述第二弹簧(304)布置在所述闭合元件(305)上，并且其中，所述第二弹簧(304)设置为用于将第二弹簧力施加到所述闭合元件(305)上，其中，所述第二弹簧力抵抗所述第一弹簧力。
2.根据权利要求1所述的比例阀(100)，其特征在于，所述关闭元件(301)构造为用于关闭或释放构造在所述通流开口(102)的区域中的阀座(103)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，所述关闭元件(301)和所述闭合元件(305)通过所述第一弹簧力和所述第二弹簧力彼此贴靠地布置。
4.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，所述第一弹簧力在量值方面大于所述第二弹簧力。
5.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，所述第二弹簧力大于在所述阀座上出现的最大关闭力，其中，所述出现的最大关闭力由供给压力和流量得出。
6.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，所述闭合元件(305)包括支撑结构(303)，其中，所述第二弹簧(304)经由所述支撑结构(303)与所述闭合元件(305)作用连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，所述闭合元件(305)构造为罐形。
8.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，在所述闭合元件(305)的面向所述通流开口(102)的面上布置有弹性元件(306)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，流入室(401)和所述关闭元件(301)布置在所述通流开口(102)的第一侧上，而流出室(402)构造在所述通流开口(102)的背离所述第一侧的第二侧上，其中，所述流入室(401)和所述流出室(402)能够经由所述通流开口(102)相互连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，所述关闭元件(301)的与所述闭合元件(305)接触的接触部位(307)实施为凸球形。
11.根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)，其特征在于，所述促动器(200)包括电磁线圈(201)和电磁衔铁(202)，其中，所述电磁衔铁(202)与所述关闭元件(301)固定连接，并且其中，所述电磁衔铁(202)能够通过所述电磁线圈(201)升降运动。
12.一种燃料电池组件，所述燃料电池组件具有根据前述权利要求中任一项所述的比例阀(100)。
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