CN113302402B - 用于控制气态介质的喷射泵单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制气态介质、尤其是氢气的喷射泵单元(46)，所述喷射泵单元具有喷嘴(1)和混合管单元(30)，其中，所述混合管单元(30)具有纵轴线(48)并且所述喷嘴(1)具有纵轴线(18)。在此，所述混合管单元(48)的纵轴线(48)和所述喷嘴(1)的纵轴线(18)相对彼此具有角度(α)。

Description

用于控制气态介质的喷射泵单元

技术领域

本发明涉及一种用于控制气态介质、尤其是氢气的喷射泵单元，该喷射泵单元例如用于应用在具有燃料电池驱动器的车辆中。

背景技术

DE 10 2010 043 618 A1描述了一种用于控制气态介质、尤其是氢气的配量阀，其中，该配量阀包括阀壳体、喷射器单元、执行器和关闭元件。在阀壳体中构造有贯通开口，该贯通开口能够通过在阀座上的关闭元件释放或者闭锁。喷射器单元包括入流区域、吸入区域和混合管区域，向所述入流区域供应处在压力下的第一气态介质，在所述吸入区域上存在第二介质，第一和第二气态介质的混合物从所述混合管区域中逸出。贯通开口布置在喷射器单元的入流区域与吸入区域之间。

通过由配量阀和喷射泵组成的组合能够实现在燃料电池组件的阳极路径中的冲洗过程的优化。然而，将配量阀安装到喷射泵中的安装位置是受到限制的，因为喷射泵通常布置得与燃料电池堆垛的端板平行。由此，需要使在燃料电池堆垛的方向上从喷射泵中流出的气态介质(在这里是氢气)转向90°。由于所述转向，能够在喷射泵产生不对称的压力场，这能够导致对喷射泵的工作方式造成损坏。

发明内容

与此相对，根据本发明的用于控制气态介质、尤其是氢气的喷射泵单元具有以下优点：尽管已预确定喷射泵单元的安装位置，仍实现针对喷射泵单元的有效工作方式的经优化的流动。

为此，用于控制气态介质、尤其是氢气的喷射泵单元具有喷嘴和混合管单元，其中，混合管单元具有纵轴线并且喷嘴具有纵轴线。此外，该混合管单元的纵轴线和该喷嘴的纵轴线相对彼此具有角度α。

由于喷嘴在混合管单元中的非同轴布置，能够抵抗混合管单元的单侧流入，使得尽管存在流动偏转，在混合管单元中也不存在不对称的压力场。除了整个喷射泵单元的优化工作方式以外，这还导致燃料电池的高效工作方式。

在有利的第一扩展方案中设置，角度α在2°至5°之间。优化的角度值范围能够借助于数字流体力学计算或者说计算流体动力学(CFD)方法来求取。

在本发明的另一种构型方案中，有利地设置，所述混合管单元具有排出通道，该排出通道构造为在混合管单元的泵壳体中的横向孔并因此相对于混合管单元的纵轴线沿径向布置。因此，能够以简单的方式将来自喷射泵单元中的气态介质、例如氢气朝燃料电池的方向引导。

在有利的扩展方案中，喷嘴的纵轴线逆着排出通道的方向在混合管单元中倾斜。因此，能够使气态介质的压力场中的干扰最小化。为了进一步优化压力场，喷嘴的纵轴线也还能够枢转到另外的方向上。因此，尤其能够补偿由喷射泵单元的进流引起的干扰。

在本发明的另一构型中，有利地设置，混合管单元具有导流元件，该导流元件作为在混合管单元的端部上的盖元件构造在排出通道上并且集成到泵壳体中，由此，混合管单元中的气态介质流、优选氢气流能朝排出通道的方向偏转。因此，能够以简单的方式朝燃料电池的方向导向气态介质、尤其氢气。

在有利的扩展方案中，混合管单元具有泵壳体，在该泵壳体中构造有阶梯形的贯通孔，其中，所述喷嘴完全地被接收在混合管单元的贯通孔中。有利地，喷嘴具有模制部，该模制部伸入到混合管单元的吸入区域中。因此，能够优化气态介质在混合管单元内的流动。

在本发明的另一种构型方案中有利地设置，喷嘴布置在具有阀壳体的配量阀上并且与阀壳体固定连接。该配量阀能够将气态介质精确地配量到混合管单元中并且因此例如精确地配量到燃料电池的阳极区域中，使得能够实现整个系统的、例如燃料电池系统的优化工作方式。

在有利的扩展方案中，在喷嘴中构造有配量阀的通过开口，其中，该通过开口通入到贯通孔中。有利地，所述配量阀具有关闭元件，该关闭元件具有弹性密封元件，该关闭元件与阀座共同作用用以打开和关闭通过开口并且在喷嘴上构造为平座。通过结合用于在阀座上进行密封的弹性密封元件地使用平坦的阀座能够通过简单的方式并且在没有大结构改变的情况下确保配量阀的密封性，使得例如氢气不能够从配量阀中逸出。

在有利的扩展方案中，配量阀具有用于气态介质的进入通道，其中，该进入通道至少部分地构造在泵壳体中。有利地，混合管单元的泵壳体具有至少一个阶梯，通过所述至少一个阶梯在泵壳体中引导配量阀。因此，配量阀能够以结构上简单的方式集成到混合管单元中，用以实现优化的工作方式。

所描述的喷射泵单元优选适合用在燃料电池组件中用于控制对燃料电池的阳极区域的氢气供应。优点在于，阳极路径中的压力波动小并且运行噪音小。

附图说明

在附图中示出根据本发明的用于控制给燃料电池的气体供应、尤其是氢气供应的喷射泵单元的实施例。在附图中示出：

附图示出根据本发明的具有配量阀和混合管单元的喷射泵单元的实施例的纵截面图。

具体实施方式

附图以纵截面示出根据本发明的用于控制气态介质、尤其是氢气的喷射泵单元46的一个实施例，该喷射泵单元具有配量阀100和混合管单元30。

喷射泵单元46具有喷射泵壳体41，该喷射泵壳体包括混合管单元30的泵壳体49和配量阀100的阀壳体12。

在配量阀100的阀壳体12中构造有内部空间26，在该内部空间中布置有电磁铁130，该电磁铁包括电磁线圈13、内极10和外极11。在此，内极10与阀壳体12通过由非磁性材料制成的间隔衬套元件14连接。

另外，在被内部空间26包围的衔铁空间9中布置有能往复运动的磁衔铁6，该磁衔铁具有销形元件5，其中，销形元件5与磁衔铁6固定连接并且不仅在内极10的缺口27中而且在阀壳体12的缺口28中被接收和引导。磁衔铁6构造为沉入式衔铁并且在该磁衔铁往复运动时被接收在内极10的缺口22中。

阀壳体12和内极10限界弹簧空间8，磁衔铁6的销形元件5的碟形端部16伸入到该弹簧空间中。关闭弹簧15支撑在销形元件5的碟形端部16上，通过该关闭弹簧使具有销形元件5的磁衔铁6预紧。销形元件5的背离关闭弹簧15的端部与平坦的关闭元件2固定连接。关闭元件2在其背离销形元件5的端部上具有弹性密封元件3并且布置在配量阀100的进入区域7中。弹簧空间8和衔铁空间9通过第一连接通道24相互流体连通并且衔铁空间9和进入区域7通过第二连接通道25相互流体连通。

在相对于配量阀100的纵轴线18的径向上，在阀壳体12中构造有进入通道31，通过所述进入通道能给配量阀100的进入区域7充注气态介质。进入区域7除了阀壳体12外还由喷嘴1限界，该喷嘴具有模制部33，在该模制部中构造有阶梯形通过开口21。喷嘴1的在面向弹性密封元件3的、相对于配量阀100的纵轴线18沿径向布置的座面1a上构造有环绕的密封棱边，在该密封棱边上构造有阀座4。在配量阀100的关闭位置中，弹性密封元件3通过关闭弹簧15的力加载贴靠在阀座4上，使得进入区域7与通过开口21之间的连接关闭。

混合管单元30具有带有纵轴线48的泵壳体49。在泵壳体49中，在相对于纵轴线48的轴向上构造有部分阶梯形地且部分锥形地构造的贯通孔42。在泵壳体49中，相对于纵轴线48沿径向地构造有配量阀100的进入通道31和吸入通道43。

另外，在贯通孔42中构造有吸入区域44、混合管区域52，并且在混合管单元30的端部50上构造有排出区域45。在该端部50上，相对于混合管单元30的纵轴线48沿径向构造有排出通道23，该排出通道例如为了氢气供给而与燃料电池组件的燃料电池连接。此外，在端部50上布置有导流元件53，该导流元件构造为盖元件并且集成到泵壳体49中。由此，贯通孔42中的气态介质能朝排出通道23的方向偏转。

配量阀100部分地接收在泵壳体49的开口中。在此，阀壳体12借助阶梯37布置在泵壳体49上并且借助于螺钉元件39与该泵壳体固定连接。另外，在阀壳体12上布置有密封元件35，使得阀壳体12和泵壳体49相对彼此密封。因此，来自进入通道31的气态介质仅经由通过开口21到达吸入区域44的方向。

另外，泵壳体49具有第一阶梯19和第二阶梯20，通过所述第一阶梯和所述第二阶梯在泵壳体49中引导配量阀100和该配量阀的喷嘴1，因此喷嘴1在混合管单元52的上游以优化的方式定向。因此，能够使配量阀100、主要是喷嘴1相对于泵壳体49连同第一阶梯19和第二阶梯20的位置公差最小化。

配量阀100在这里不是同轴地集成到混合管单元30中，而是配量阀100的纵轴线18和混合管单元30的纵轴线48具有角度α，该角度具有2°至5°之间的值范围。在此，配量阀100的纵轴线18逆着排出通道23的方向在混合管单元30中倾斜。

喷射泵单元的工作方式如下：

配量阀100在这里构造为比例阀。当电磁线圈13未通电时，关闭元件2通过关闭弹簧15压抵阀座4，使得进入区域7与通过开口21之间的连接中断并且不发生气体穿流。

如果电磁线圈13通电，则产生作用到磁衔铁6上的磁力，该磁力与关闭弹簧15的关闭力反向。这个磁力通过销形元件5传递到关闭元件2上，使得关闭弹簧15的关闭力被过度补偿并且关闭元件2从阀座4上抬起。来自进入区域7朝通过开口21的方向的气体穿流被释放。

关闭元件2的行程能够通过在电磁线圈13上的电流强度的高度来调节。在电磁线圈13上的电流强度越高，则关闭元件2的行程越大并且配量阀100中的气体穿流量也越高，因为关闭弹簧15的力与行程有关。如果减小电磁线圈13上的电流强度，则关闭元件2的行程也减小并因此使气体穿流被节流。

如果中断电磁线圈13上的电流，则作用到磁衔铁6上的磁力消除，使得借助于销形元件5作用到关闭元件2上的力减小。关闭元件2朝通过开口21的方向运动并且借助弹性密封元件3在阀座4上密封。配量阀100中的气体穿流中断。

当配量阀100的阀座4打开或者部分打开时，来自箱体的气态介质、在这里是氢气从配量阀100的进入通道31中经由阀座4流到喷嘴1的通过开口21中。该氢气通过喷嘴1流入到泵壳体49的贯通孔42中。在进入贯通孔42之后，氢气在吸入区域44中遇到已供应给燃料电池然而未消耗且通过吸入通道42引导回到喷射泵单元46中的气态介质。被引导回的气态介质主要包括氢气，但也包括水蒸气和氮气。在混合管区域52中，通过气态介质的脉冲交换从吸入区域44中吸入质量流并且朝排出区域45和排出通道23的方向并因此朝燃料电池的阳极区域的方向输送该质量流。视贯通孔42的几何形状和配量阀100的纵轴线18与混合管单元30的纵轴线48之间的角度α而定地，能够根据需求来调节供应给燃料电池的气体流。

在一种替代的实施方式中也可能的是，配量阀100不像在上述实施例中示出的那样集成到混合管单元30中，而是例如通过通道连接件与混合管单元30连接。因此，配量阀100不旋拧到混合管单元30上。然而，喷嘴1在此仍在混合管单元30中布置在相同的位置上并且与混合管单元30固定连接。

Claims (11)

1.一种用于控制对燃料电池的氢气供应的喷射泵单元（46），所述喷射泵单元具有喷嘴（1）和混合管单元（30），其中，所述混合管单元（30）具有纵轴线（48）并且所述喷嘴（1）具有纵轴线（18），其中，所述混合管单元（30）的纵轴线（48）和所述喷嘴（1）的纵轴线（18）相对彼此具有角度α，其中，所述混合管单元（30）具有排出通道（23），所述排出通道（23）构造为在所述混合管单元（30）的泵壳体（49）中的横向孔并且因此相对于所述混合管单元（30）的纵轴线（48）径向地布置，其特征在于，所述喷嘴（1）的纵轴线（18）逆着所述排出通道（23）的方向在所述混合管单元（30）中倾斜。

2.根据权利要求1所述的喷射泵单元（46），其特征在于，所述角度α在2°至5°之间。

3.根据权利要求1或2所述的喷射泵单元（46），其特征在于，所述混合管单元（30）具有导流元件（53），所述导流元件（53）作为在所述混合管单元（30）的端部（50）上的盖元件构造在所述排出通道（23）上并且集成到所述泵壳体（49）中，由此，所述混合管单元（30）中的氢气流能朝所述排出通道（23）的方向偏转。

4.根据权利要求1或2所述的喷射泵单元（46），其特征在于，所述混合管单元（30）具有泵壳体（49），在所述泵壳体（49）中构造有阶梯形的贯通孔（42），其中，所述喷嘴（1）完全被接收在所述混合管单元（30）的所述贯通孔（42）中。

5.根据权利要求1或2所述的喷射泵单元（46），其特征在于，所述喷嘴（1）具有模制部（33），所述模制部（33）伸入到所述混合管单元（30）的吸入区域（44）中。

6.根据权利要求4所述的喷射泵单元（46），其特征在于，所述喷嘴（1）布置在具有阀壳体（12）的配量阀（100）上并且与所述阀壳体（12）固定连接。

7.根据权利要求6所述的喷射泵单元（46），其特征在于，在所述喷嘴（1）中构造有所述配量阀（100）的通过开口（21），其中，所述通过开口（21）通到所述贯通孔（42）中。

8.根据权利要求7所述的喷射泵单元（46），其特征在于，所述配量阀（100）具有关闭元件（2），所述关闭元件具有弹性密封元件（3），所述关闭元件（2）与阀座（4）共同作用用以打开和关闭所述通过开口（21）并且在所述喷嘴（1）上构造为平面座。

9.根据权利要求6、7或8中任一项所述的喷射泵单元（46），其特征在于，所述配量阀（100）具有用于氢气的进入通道（31），其中，所述进入通道（31）至少部分地构造在所述泵壳体（49）中。

10.根据权利要求6、7或8中任一项所述的喷射泵单元（46），其特征在于，所述混合管单元（30）的泵壳体（49）具有至少一个阶梯（19、20），通过所述至少一个阶梯（19、20）在所述泵壳体（49）中引导所述配量阀（100）。

11.一种燃料电池组件，所述燃料电池组件具有根据上述权利要求中任一项所述的用于控制对燃料电池的氢气供应的喷射泵单元（46）。