DE102012204922A1

DE102012204922A1 - Öffnungs- und Schliessventil für Hochdruckgas

Info

Publication number: DE102012204922A1
Application number: DE201210204922
Authority: DE
Inventors: Taneaki MIURA; Hiroyasu Ozaki; Koichi Takaku; Koichi Kato
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2012-10-04
Also published as: US8820712B2; CN102734481A; CN102734481B; JP2012207743A; US20120248365A1

Abstract

Ein Pilotventil (26) ist mit einer kegelförmigen ersten Kontaktfläche (32) bereitgestellt, und ein Pilotventilsitz (27) ist mit einer ringförmigen zweiten Kontaktfläche (33) bereitgestellt, wobei ein initialer Kontaktabschnitt derselben bezüglich der ersten Kontaktfläche (32) einen kreisbogenförmigen Querschnitt (33a) aufweist. Die erste Kontaktfläche (32) ist aus einem Harz/Kunstharz mit Elastizität gebildet, und die zweite Kontaktfläche (33) ist aus Metall gebildet. Wenn eine Druckkontaktlast klein ist, kommen die erste Kontaktfläche (32) und die zweite Kontaktfläche (33) miteinander in Linienkontakt. Wenn eine Druckkontaktlast zunimmt, kommen die erste Kontaktfläche (32) und die zweite Kontaktfläche (33) miteinander in Flächenkontakt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas, welches als ein Durchgang zum Führen eines Hochdruckgases verwendet wird, und welches den Durchgang öffnet und schließt, indem ein Ventilkörper und ein Ventilsitz veranlasst werden, miteinander in Kontakt zu kommen oder sich voneinander zu trennen.
Beschreibung der verwandten Technik
In einem System, welches mit einem Hochdruckgas arbeitet, wie beispielsweise ein Brennstoffzellengas oder ein komprimiertes Erdgas (CNG), wird ein Öffnungs- und Schließventil für verschiedene Ventile, wie beispielsweise ein Absperrventil, verwendet. Das Öffnungs- und Schließventil, welches für einen derartigen Zweck verwendet wird, muss eine hohe Abdichtleistung (eine Isolierleistung) zwischen einem Ventilkörper und einem Ventilsitz sowie Beständigkeit für Langzeiteinsatz aufweisen. Dementsprechend ist es wichtig, dass beide Anforderungen auf einem hohen Niveau erfüllt werden.
Daher wird, als ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas, welches derartige Anforderungen erfüllt, ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas vorgeschlagen, in welchem eine Kontaktfläche in einem Ventilkörper kegelförmig gebildet ist, eine Kontaktfläche in einem Ventilsitz in abgeschrägter Form gebildet ist, welche die Kontaktfläche auf der Seite des Ventilkörpers aufnimmt, einer von den Ventilkörper und dem Ventilsitz aus Metall gebildet ist, und der andere davon aus einem Harz/Kunstharz gebildet ist (siehe beispielsweise japanische Patentschrift Nr. 4330943 ).
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas kommen allerdings die Kontaktflächen des Ventilkörpers und des Ventilsitzes normalerweise in Flächenkontakt miteinander. Dementsprechend kann, wenn beide Druckkontaktlasten hoch sind wenn das Ventil geschlossen ist, das Ventil zuverlässig geschlossen und eine hohe Beständigkeit erhalten werden. Jedoch ist es schwierig, wenn beide Druckkontaktlasten klein sind, die Abdichtleistung (die Isolierleistung) zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz aufrecht zu erhalten.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas bereitzustellen, welches dazu in der Lage ist, eine Abdichtleistung sogar dann aufrechtzuerhalten, wenn eine Druckkontaktlast zwischen einem Ventilkörper und einem Ventilsitz klein ist, und eine hohe Beständigkeit des Ventilkörpers und des Ventilsitzes sogar dann -aufrechtzuerhalten, wenn eine hohe Druckkontaktlast darauf wirkt.
Manche Aspekte der Erfindung setzen die folgenden Mittel ein, um die oben genannten Probleme zu lösen.

(A) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas bereitgestellt, das einen Durchgang öffnet und schließt, indem ein Ventilkörper und ein Ventilsitz, welche koaxial angeordnet sind veranlasst werden, miteinander in Kontakt zu kommen oder sich voneinander zu trennen, wobei einer von dem Ventilkörper und dem Ventilsitz eine kegelförmige erste Kontaktfläche umfasst und der andere davon eine ringförmige zweite Kontaktfläche umfasst, wobei ein initialer Kontaktabschnitt derselben bezüglich der ersten Kontaktfläche einen kreisbogenförmigen Querschnitt aufweist, und wobei eine von der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche aus Harz/Kunstharz gebildet ist, und die andere davon aus Metall gebildet ist.

Dementsprechend kommen der Ventilkörper und der Ventilsitz an der kegelförmigen ersten Kontaktfläche und dem Abschnitt mit kreisbogenförmigen Querschnitt der zweiten Kontaktfläche miteinander in Linienkontakt, wenn die Druckkontaktlast des Ventilkörpers bezüglich des Ventilsitzes klein ist, und die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktflächen kommen in Flächenkontakt miteinander, durch die Verformung des Harzes/Kunstharzes, wenn die Druckkontaktlast des Ventilkörpers bezüglich des Ventilsitzes zunimmt.

(B) In dem Aspekt nach (A) kann, wenn der Ventilkörper und der Ventilsitz miteinander in Kontakt kommen, ein Bereich aus dem Kontaktbereich mit dem Ventilkörper mit dem ersten Gasdurchgang verbunden sein, und ein Bereich aus dem Kontaktbereich mit dem Ventilsitz mit dem zweiten Gasdurchgang verbunden sein.

Dementsprechend wird, wenn der Ventilkörper und der Ventilsitz sich voneinander trennen oder miteinander in Kontakt kommen, die Lücke zwischen dem ersten Gasdurchgang und dem zweiten Gasdurchgang geöffnet und geschlossen.

(C) In dem Aspekt nach (A) oder (B) kann das Harz/Kunstharz Polyamid-Imid sein.

Dementsprechend kann das Harz/Kunstharz, welches in einer von der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche verwendet wird, elastisch verformbar sein und eine hohe Festigkeit aufweisen.
Wie oben beschrieben kommen gemäß dem Aspekt der Erfindung, wenn die Druckkontaktlast des Ventilkörpers und des Ventilsitzes klein ist, die kegelförmige erste Kontaktfläche und der Abschnitt mit dem kreisbogenförmigen Querschnitt der zweiten Kontaktfläche miteinander in Linienkontakt. Wenn die Druckkontaktlast des Ventilkörpers und des Ventilsitzes zunimmt, kommen die erste Kontaktfläche und die zweite Kontaktfläche miteinander in Flächenkontakt, durch die Verformung des Harzes/Kunstharzes. Dementsprechend ist es möglich, die Abdichtleistung zuverlässig aufrechtzuerhalten, wenn die Druckkontaktlast zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz klein ist und eine hohe Beständigkeit des Ventilkörpers und des Ventilsitzes, sogar dann, wenn eine große Druckkontaktlast darauf wirkt, aufrechtzuerhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, welches ein Brennstoffzellensystem zeigt, das ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas als eine Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet.
2 ist eine Schnittansicht in Längsrichtung, welche ein Absperrventil gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welcher einem Ausschnitt A aus 2 entspricht.
4 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche einem Ausschnitt A aus 2 entspricht.
5 ist eine Schnittansicht in Längsrichtung, welche das Absperrventil gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
6 ist eine Schnittansicht in Längsrichtung, welche das Absperrventil gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
7 ist eine Schnittansicht in Längsrichtung, welche ein Druckreduzierventil gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
8 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche einen Ausschnitt B aus 7 zeigt.
9 ist eine Schnittansicht in Längsrichtung, welche ein Druckreduzierventil gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
10 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche einen Ausschnitt C aus 9 zeigt.
11 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche eine Modifikation des Ausschnitts A aus 2 zeigt.
12 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche eine Modifikation des Ausschnitts B aus 7 zeigt.
13A ist ein vergrößerter Querschnitt, welcher eine andere Modifikation des Teils A aus 2 zeigt.
13B ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche eine andere Modifikation des Ausschnitts A aus 2 zeigt.
14A ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche eine andere Modifikation des Ausschnitts B aus 7 zeigt.
14B ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche eine andere Modifikation des Ausschnitts B aus 7 zeigt.
Bezugszeichenliste

5: DRUCKREDUZIERVENTIL (ÖFFNUNGS- UND SCHLIESSVENTIL FÜR HOCHDRUCKGAS)
10: HAUPTABSPERRVENTIL (ÖFFNUNGS- UND SCHLIESSVENTIL FÜR HOCHDRUCKGAS)
12: EINLASSPFAD (ERSTER GASDURCHGANG)
13: AUSLASSPFAD (ZWEITER GASDURCHGANG)
26: PILOTVENTIL (VENTILKÖRPER)
27: PILOTVENTILSITZ (VENTILSITZ)
32: ERSTE KONTAKTFLÄCHE
33: ZWEITE KONTAKTFLÄCHE
33a: KREISBOGENFÖRMIGER QUERSCHNITT
42: PRIMÄRE DRUCKKAMMER (ERSTER GASDURCHGANG)
43: SEKUNDÄRE DRUCKKAMMER (ZWEITER GASDURCHGANG)
47: VENTILKÖRPER
49: ERSTE KONTAKTFLÄCHE
51: VENTILSITZ
52: ZWEITE KONTAKTFLÄCHE
52a: KREISBOGENFÖRMIGER QUERSCHNITT

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Als erstes wird eine erste Ausführungsform, welche in 1 bis 6 gezeigt ist, beschrieben.
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm zum Darstellen eines Brennstoffzellensystems, in welchem Bezugszeichen 1 einen Brennstoffzellenstapel (eine Brennstoffzelle) bezeichnet, welcher durch Aufnahme von Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel elektrische Energie erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist beispielsweise eine Polymer-Elektroden-Brennstoffzelle (PEFC) und wird durch Stapeln von mehreren Zellen gebildet, von denen jeder durch Zwischenanordnen einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) unter Verwendung von Separatoren (nicht gezeigt) gebildet wird.
Ein Wasserstoffgas mit einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Strömungsrate wird aus einem Wasserstofftank 2 (eine Hochdruckfluid-Zufuhrquelle), welcher Hochdruckwasserstoff speichert, dem Brennstoffzellenstapel 1 durch einen Wasserstoff-Zufuhrdurchgang 3 zugeführt, und Luft wird mit einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Strömungsrate dem Brennstoffzellenstapel 1 durch eine Luft-Zufuhrvorrichtung (nicht gezeigt) zugeführt.
Der Wasserstofftank 2 ist zylinderförmig gebildet, wobei beide Enden in der Längsrichtung im Wesentlichen halbkugelförmig sind und ein Ende in der Längsrichtung offen ist. Ein Hauptabsperrventil 10 (ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas), welches das Zuführen eines Gases aus dem Wasserstofftank 2 über den Wasserstoff-Zufuhrdurchgang 3 zulässt oder sperrt, ist an einem Öffnungsabschnitt 2a angebracht.
Ein Druckreduzierventil (ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas) und eine Druck-aufnehmende Vorrichtung 7 sind in dem Wasserstoff-Zufuhrdurchgang 3 installiert. Ein Wasserstoffgas mit einem hohen Druck (beispielsweise 35 MPa oder 70 MPa, welcher aus dem Wasserstofftank 2 abgelassen wird, wird auf einem vorbestimmten Druck zum Beispiel 1 MPa oder weniger) durch das Druckreduzierventil 5 Druck-entlastet, und der Druck-aufnehmenden Vorrichtung 7 zugeführt.
Vorliegend entspricht die Druck-aufnehmende Vorrichtung im Allgemeinen einer Vorrichtung, welche zwischen dem Druckreduzierventil 5 und dem Brennstoffzellenstapel 1 angeordnet ist, und umfasst einen Ejektor, einen Injektor, einen Befeuchter und dergleichen. Der Ejektor ist eine. Vorrichtung, welche ein Wasserstoffabgas an dem Wasserstoff-Zufuhrdurchgang 3 zurückführt, um das Wasserstoffabgas, das aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abgegeben worden ist, auf eine umlaufende Weise zu verwenden. Der Injektor ist eine Vorrichtung, welche eine Strömungsrate eines Wasserstoffgases einstellt, das dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird. Der Befeuchter ist eine Vorrichtung, welche ein Wasserstoffgas befeuchtet, das dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird. Durch die Gesamtkonfiguration des Brennstoffzellensystems wird bestimmt, welche Vorrichtung als die Druck-aufnehmende Vorrichtung 7 zusammengestellt wird.
In der ersten Ausführungsform wird das Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas gemäß der Erfindung auf einem Hauptabsperrventil 10 des Brennstoffzellensystems angewandt.
2 ist ein Diagramm, welches eine detaillierte Struktur des Hauptabsperrventils 10 zeigt, und 3 und 4 sind vergrößerte Diagramme, welche einen Abschnitt entsprechend einem Ausschnitt A aus 2 zeigen. Ferner zeigen 5 und 6 Diagramme, welche den Betriebszustand des Hauptabsperrventils 10 illustrieren.
Das Hauptabsperrventil 10 ist als ein elektromagnetisches Ventil vom Pilot-Typ gebildet, und wie in 2 gezeigt, ist ein Ventilkörper 11 an dem Öffnungsabschnitt 2a des Wasserstofftanks 2 angebracht, um als ein Abdichtungssprofpen zu dienen. Der Ventilkörper 11 ist mit einem Einlasspfad 12 (einen ersten Gasdurchgang) vorgesehen, welcher mit dem Inneren des Wasserstofftanks 2 verbunden ist, und mit einem Auslasspfad 13 (einen zweiten Gasdurchgang) vorgesehen, welcher mit dem Wasserstoff-Zufuhrdurchgang 3 außerhalb des Wasserstofftanks verbunden ist. Ferner ist eine Ventil-Aufnahmekammer 14 zwischen dem Einlasspfad 12 und dem Auslasspfad 13 innerhalb des Ventilkörpers 11 bereitgestellt und ein Hauptventil 15, welches den Endbereich des Auslasspfades 13 öffnet und schließt, ist innerhalb der Ventil-Aufnahmekammer 14 aufgenommen, um hin- und herbewegbar zu sein. Der Einlasspfad 12 wird durch Perforieren der äußeren Umfangswand von einer Endseite (zum Beispiel die untere Endseite der Zeichnung) der Ventil-Aufnahmekammer 14 (des Ventilkörpers 11) in der radialen Richtung (zum Beispiel die Querrichtung der Zeichnung) gebildet, und der Auslasspfad 13 wird durch Perforieren der Endwand der anderen Endseite (zum Beispiel die obere Endseite in der Zeichnung) der Ventil-Aufnahmekammer 14 (des Ventilkörpers 11) in die axiale Richtung (zum Beispiel die vertikale Richtung der Zeichnung) gebildet.
Das Hauptventil 15 umfasst: einen in der Endwand der Ventil-Aufnahmekammer 14 bereitgestellten Ventilkopfabschnitt 17, welcher mit dem Hauptventilsitz 16 in Kontakt kommt oder davon getrennt wird; einen Kolbenabschnitt 18, welcher sich in die axiale Richtung von der Hinterseite des Ventilkopfabschnitts 17 erstreckt; und einen Führungszylinderabschnitt 19, welcher den Umfangsbereich des Kolbenabschnitts 18 umgibt und sich in die der Ventilkopfabschnitt entgegengesetzten Richtung erstreckt (die gleiche Richtung wie die des Kolbenabschnitts 18). Der Hauptventilsitz 16 steht ferner aus der Endwand hervor, um den Umfangsbereich des Endabschnitts des Auslasspfads 13 zu umgeben.
Der Führungszylinderabschnitt 19 bildet darin zusammen mit dem Kolbenabschnitt 18 einen konkaven Abschnitt 20, und der konkave Abschnitt 20 ist normalerweise mit dem Einlasspfad 12 des Ventilkörpers 11 verbunden. Ein Pilotloch 21, welches mit dem konkaven Abschnitt 20 und dem Auslasspfad 13 kommuniziert, ist an der Achsenposition des Ventilkopfabschnitts 17 und des Kolbenabschnitts 18 gebildet.
Ferner ist ein Plunger 23 einer Antriebseinheit 22, welche später beschrieben wird, innerhalb des Führungszylinderabschnitts 19 derart angeordnet, dass er hin- und herverlagerbar ist. Der Plunger 23 ist mit einem Längsloch 24, welches in der Radialrichtung perforiert ist, vorgesehen, und ein Verbindungsstift 25, welcher mit der entgegengesetzten Wand des Führungszylinderabschnitts 19) verbunden ist, ist in dem Längsloch 24 eingeführt. Das heißt, das Hauptventil 15 (der Führungszylinderabschnitt 19 und der Plunger 23 sind miteinander durch den Verbindungsstift 25 mit einem leichten Axialspiel in dem Längsloch 24 verbunden.
Ein Pilotventil 26 (ein Ventilkörper), welches einen Ventilkopfabschnitt 26a umfasst, ist an der Endfläche des innerhalb des konkaven Bereichs 20 angeordneten Plungers 23 befestigt. Das Pilotventil 26 ist derart angeordnet, dass es mit dem Pilotloch 21 des Hauptventils 15 koaxial angeordnet ist, und das Rand, welches in dem konkaven Raum 20 des Pilotlochs 21 angeordnet ist, als einen Pilotventilsitz 27 (einen Ventilsitz) gebildet ist, welcher mit dem Pilotventil 26 in Kontakt kommt oder sich von diesem trennt. Das Pilotventil 26 und der Pilotventilsitz 27 werden detailliert später beschrieben.
Die Antriebseinheit 22 wird dazu verwendet, um das Pilotventil 26 und das Hauptventil 15 zu öffnen und zu schließen. Ein konkaver Abschnitt 30 ist an der Achsenposition innerhalb einer Einlassung 29 bereitgestellt, welche eine elektromagnetische Spule 28 aufnimmt. Der Plunger 23, welcher aus einem magnetischen Material gebildet ist, ist innerhalb des konkaven Bereichs 30 aufgenommen, um hin- und herbewegbar zu sein. Der konkave Abschnitt 30 ist in Richtung des Führungszylinderabschnitts 19 des Hauptventils 15 geöffnet und ist derart angeordnet, um mit dem Führungszylinderabschnitt 19 koaxial zu sein. Eine Feder 31, welche ein Beaufschlagungselement ist, ist zwischen dem konkaven Abschnitt 30 und dem Plunger 23 angeordnet und der Plunger 23 ist normalerweise in Richtung des Kolbenabschnitts 18 des Hauptventils 15 durch die Beaufschlagungskraft der Feder 31 beaufschlagt.
Im Falle des Hauptabsperrventils 10, empfängt der Plunger 23 in einem Zustand, in welchem die elektromagnetische Spule 28 nicht magnetisiert ist, die Beaufschlagungskraft der Feder 31, der Ventilkopfabschnitt 26a des Pilotventils 26 kommt mit dem Pilotventilsitz 27 des Hauptventils 15 in Kontakt, und der Ventilkopfabschnitt 17 des Hauptventils 15 kommt mit dem Hauptventilsitz 16 des Ventilkörpers 11 in Kontakt. Dementsprechend ist zu diesem Zeitpunkt der Auslasspfad 13 bezüglich des Inneren (der Einlasspfad 12) des Wasserstofftanks 2 unterbrochen, da der Auslasspfad 13 des Ventilkörpers 11 durch das Hauptventil 15 in einem Zustand geschlossen ist, in welchem das Pilotloch 21 des Hauptventils 15 durch das Pilotventil 26 geschlossen ist.
Wenn die elektromagnetische Spule 28 aus diesem Zustand magnetisiert wird, empfängt der Plunger 23 ferner eine Schubkraft von der elektromagentischen Spule 28 gegen die Beaufschlagungskraft der Feder 31, und das Pilotventil 26 des Endabschnitts des Plungers 23 trennt sich anschließend, wie in 5 gezeigt, von dem Pilotventilsitz 27 des Hauptventils 15.
Dementsprechend wird das Pilotloch 21 des Hauptventils 15 geöffnet, so dass ein kleiner Betrag eines Wasserstoffgases innerhalb des Wasserstofftanks 2 an dem Auslasspfad 13 durch das Pilotloch 21 abgegeben wird. Als ein Ergebnis wird eine Differenz in dem Druck, welcher auf den Vorder- und Hinterseiten (die obere und die untere Seite der Zeichnung) des Hauptventils 15 wirkt, klein.
Wenn die elektromagnetische Spule 28 aus diesem Zustand magnetisiert wird, wie in 6 gezeigt, kommen anschließend der Endabschnitt des Längslochs 24 des Plungers 23 mit dem Verbindungsstift 25 in Kontakt und das Hauptventil 15 wird zusammen mit dem Plunger 23 durch den Verbindungsstift 25 verlagert. Dementsprechend wird der Auslasspfad 13 durch das Hauptventil 15 geöffnet, so dass ein großer Betrag eines Wasserstoffgases aus dem Einlasspfad 12 an dem Auslasspfad 13 abgegeben wird.
Im Übrigen ist das Pilotventil 26 des Hauptabsperrventils 10 aus einem Harz/Kunstharz mit Elastizität gebildet, und wie in 3 und 4 vergrößert, ist der Ventilkopfabschnitt 26a derart gebildet, dass er in einer kegelförmigen Gestalt vorsteht. Die kegelförmige Fläche des Ventilkopfabschnitts 26a bildet eine erste Kontaktfläche 32. Es ist wünschenswert, dass das Harz/Kunstharz, welches die erste Kontaktfläche 32 bildet, Elastizität und hohe Beständigkeit bezüglich einer Druckkontaktlast aufweist. Beispielsweise wird Polyamid-Imid oder dergleichen verwendet.
Andererseits ist der in dem Kolbenabschnitt 18 des Hauptventils 15 bereitgestellte Pilotventilsitz 27 aus Metall gebildet. Wie in 3 und 4 gezeigt, ist in dem Pilotventilsitz 27 der Kern des Endabschnitts des Pilotlochs 21 bogenkreisförmig entlang der Umfangsrichtung abgeschrägt, und der Abschnitt ist mit einem kreisbogenförmigen Querschnitt 33a gebildet. Im Falle der Ausführungsform sind der Bereich des kreisbogenförmigen Querschnitts 33a und die Inner- und Außerrandbereiche als eine zweite Kontaktfläche 33 gebildet.
Wenn die zweite Kontaktfläche 33 mit der ersten Kontaktfläche 32 an der Seite des Pilotventils 26 zuerst in Kontakt kommt, wie in 3 gezeigt, kommt der Bereich des kreisbogenförmigen Querschnitts 33a mit der ersten Kontaktfläche 32 in Linienkontakt. Wenn die Druckkontaktlast aus diesem Zustand zunimmt, wie in 4 gezeigt, kommt der kreisbogenförmige Querschnitt 33a in Flächenkontakt mit der ersten Kontaktfläche 32 durch die elastische Verformung um den Bereich des kreisbogenförmigen Querschnitts 33a an der Seite der zweiten Kontaktfläche 33 der ersten Kontaktfläche 32, welche aus Harz/Kunstharz gebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt vergrößert der Ventilkopfabschnitt 26a des Pilotventils 26 einen Kontaktbereich bezüglich des Pilotventilsitzes 27, um in das Pilotloch 21 eingeführt zu werden.
Vorliegend ist es vorteilhaft, dass der kreisbogenförmige Querschnitt 33a der zweiten Kontaktfläche 33 den kleineren Krümmungsradius aufweist, um ein Abdichtverhalten zwischen dem Pilotventil 26 und dem Pilotventilsitz 27 sogar im Falle einer kleinen Druckkontaktlast aufrechtzuerhalten. Jedoch ist es wünschenswert, dass die jeweiligen Abschnitte des Pilotventils 26 und des Pilotventilsitzes 27 gemäß den folgenden Bereichen festgesetzt werden, auf Grundlage der Balance bezüglich der Beständigkeit der aus Harz/Kunstharz gebildeten ersten Kontaktfläche 32.
Zum Beispiel,
Durchmesser des Pilotlochs 21 → 0,2 mm bis 0,5 mm
Kegelwinkel des Ventilkopfabschnitts 26a des Pilotventils 26 → 60° bis 120°
Krümmungsradius des kreisbogenförmigen Querschnitts 33a → 0,1 mm bis 0,5 mm
Wie oben beschrieben ist in dem Hauptabsperrventil 10 der Ausführungsform die kegelförmige erste Kontaktfläche 32, welche aus einem Harz/Kunstharz mit Elastizität gebildet ist, in dem Ventilkopfabschnitt 26a des Pilotventils 26 bereitgestellt, und die zweite Kontaktfläche, welche aus Metall gebildet ist und einen kreisbogenförmigen Querschnitt aufweist, ist in dem Pilotventilsitz 27 bereitgestellt. Dementsprechend kommt in einem Zustand, in welchem die Druckkontaktlast zwischen dem Pilotventil 26 und dem Pilotventilsitz 27 klein ist, die erste Kontaktfläche 32 in Linienkontakt mit dem Bereich des kreisbogenförmigen Querschnitts 33a der zweiten Kontaktfläche 33, so dass das Abdichtverhalten aufrecht erhalten werden kann. Ferner kommt, wenn die Druckkontaktlast zwischen dem Pilotventil 26 und dem Pilotventilsitz 27 zunimmt, die erste Kontäktfläche 32 in Flächenkontakt mit der zweiten Kontaktfläche 33 durch die Verformung des Harzes/Kunstharzes der ersten Kontaktfläche 32, so dass die hohe Beständigkeit der Kontaktfläche aufrechterhalten werden kann.
Ferner ist in dieser Ausführungform die erste Kontaktfläche 32 aus einem Harz/Kunstharz gebildet, und die zweite Kontaktfläche 33 ist aus Metall gebildet. Jedoch kann die erste Kontaktfläche 32 aus Metall gebildet sein, und die zweite Kontaktfläche 33 kann aus einem Harz/Kunstharz gebildet sein.
Ferner wurde vorliegend ein Fall beschrieben, in welchem das Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas gemäß der Erfindung an dem Bereich des Pilotventilsitzes 27 und des Pilotventils 26 des Hauptabsperrventils 10 verwendet wird. Jedoch kann das Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas gemäß der Erfindung an dem Bereich des Hauptventilsitzes 16 und des Hauptventils 15 des Hauptabsperrventils 10 verwendet werden. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die jeweiligen Bereiche des Hauptventils 15 und des Hauptventilsitzes 16 gemäß den folgenden Bereichen eingestellt werden.
Zum Beispiel,
Durchmesser des Endbereichs neben dem Hauptventilsitz 16 des
Auslasspfades 13 → 3 mm bis 8 mm
Kegelwinkel des Ventilkopfabschnitts 17 des Hauptventils 15 → 60° bis 120°
Krümmungsradius des kreisbogenförmigen Querschnitts des Hauptventilsitzes 16 → 0,1 mm bis 0,5 mm
Nachfolgend wird eine zweite Ausführungsform, welche in den 7 bis 10 gezeigt ist, beschrieben. In dieser Ausführungsform ist das Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas gemäß der Erfindung an dem Druckreduzierventil 5 des Brennstoffzellensystems aus 1 verwendet.
7 und 9 sind Diagramme, welche eine detaillierte Struktur des Druckreduzierventils 5 zeigen, und 8 und 10 sind Diagramme, welche jeweils vergrößerte Teile B und C der 7 und 9 zeigen.
Wie in diesen Figuren gezeigt, sind in dem Druckreduzierventil 5 eine primäre Druckkammer 42 (ein erster Gasdurchgang) und eine sekundäre Druckkammer 43 (ein zweiter Gasdurchgang) mit einer dazwischen angeordneten Trennwand 41 innerhalb eines Ventilgehäuses 40 bereitgestellt. Die primäre Druckkammer 42 ist mit der stromaufwärtigen Seitedes Wasserstoff-Zufuhrdurchgangs 3 (die Seite des Wasserstofftanks 2) durch eine Zuflussöffnung 44 des Ventilgehäuses 40 verbunden, und die sekundäre Druckkammer 43 ist mit einer stromabwärtigen Seite des Wasserstoff-Zufuhrdurchgangs 3 (die Seite der Druck-aufnehmenden Vorrichtung 7) durch eine Abflussöffnung 45 des Ventilgehäuses 40 verbunden.
Die Trennwand 41 ist mit einem Verbindungsloch 46 vorgesehen, welches mit der primären Druckkammer 42 und der sekundären Druckkammer 43 in Verbindung steht, und das Verbindungsloch 46 wird von der Seite der primären Druckkammer 42 durch einen Ventilkörper 47, wie später beschrieben, geöffnet und geschlossen.
Eine Membran 48 ist ferner innerhalb des Ventilgehäuses 40 derart angebracht, dass sie in der sekundären Druckkammer 43 angeordnet ist.
Die Fläche der Membran 18, welche in der sekundären Druckkammer 43 angeordnet ist, dient als eine Druck-aufnehmende Fläche 48a, und der Raumabschnitt an der Rückseitenfläche der Druck-aufnehmenden Fläche 48a ist mit der Atmosphäre verbunden. Ein Ventilkolben 47b des Ventilkörpers 47, welcher durch das Verbindungsloch 46 der Trennwand 41 durchgeht, ist mit dem Mittelabschnitt der Membran 48 verbunden. Der Ventilkörper 47 umfasst den Ventilkolben 47b, welcher durch das Innere des Verbindungslochs 46 durchgeht, und einen Ventilkopfabschnitt 47a, welcher sich zu dem Endabschnitt des Ventilkolbens 47b erstreckt und den Endbereich des Verbindungslochs 46 auf der Seite der primären Druckkammer 42 öffnet und schließt. Ferner ist eine Feder 39 an der Rückseitenfläche der Membran 48 bereitgestellt, welche die Membran 48 in eine Richtung, in welcher der Ventilkörper 47 das Verbindungsloch 46 öffnet, beaufschlagt.
Die Beaufschlagungskraft der Feder 39 und der Druck in der sekundären Druckkammer 43 werden in der Membran 48 ausgeübt. Aus diesem Grund öffnet der Ventilkopfabschnitt 47a des Ventilkörpers 47 das Verbindungsloch 46, wenn der Druck in der sekundären Druckkammer 43 durch den Verbrauch (Strömung) des Wasserstoffgases in der Druck-aufnehmenden Vorrichtung 7 auf einen vorbestimmten Druck oder darunter abfällt, so dass das Hochdruckwasserstoffgas aus der primären Druckkammer 42 zu der sekundären Druckkammer 43 in einem drucklosen Zustand strömt.
Ferner, wie in 8 und 10 gezeigt, ist der Ventilkörper 47 derart gebildet, dass der Ventilkopfabschnitt 47a in Richtung des Ventilkolbens 47b kegelförmig vorsteht. Die kegelförmige Fläche des Ventilkopfabschnitts 47a bildet eine erste Kontaktfläche 49 und wird durch Anbringen eines aus elastischem Harz/Kunstharz gebildeten Flächenmaterials 50 an einer metallischen Grundfläche gebildet. Es ist wünschenswert, dass das Harz/Kunstharz, welches das Flächenmaterial 50 bildet, Elastizität und ausreichende Beständigkeit bezüglich der Druckkontaktlast aufweist. Polyamid-Imid oder dergleichen werden zum Beispiel verwendet.
Andererseits wird der Randabschnitt des Verbindungslochs 46 auf der Seite der primären Druckkammer 42 als ein Ventilsitz 51 gebildet, an welchem der Ventilkopfabschnitt 47a des Ventilkörpers 47 in Kontakt kommt und sich davon trennt. Der gesamte Ventilsitz 51 ist aus Metall gebildet. Ferner ist der Ventilkörper 47 derart angeordnet, dass er koaxial mit dem Ventilsitz 51 ist.
In dem Ventilsitz 51 ist die Ecke des Endabschnitts des Verbindungslochs 46 kreisbogenförmig in der Umfangsrichtung abgeschrägt und der Abschnitt ist als ein kreisbogenförmiger Querschnitt 52a gebildet. In dieser Ausführungsform sind der Bereich des kreisbogenförmigen Querschnitts 52a und der Innen- und der Außenrandabschnitt als eine zweite Kontaktfläche 52 gebildet. Wenn die zweite Kontaktfläche 52 mit der ersten Kontaktfläche 49 auf der Seite des Ventilkörpers 51 zuerst in Kontakt kommt, wie in 8 gezeigt, kommt der Bereich des kreisbogenförmigen Querschnitts 52a in Linienkontakt mit der ersten Kontaktfläche 49. Wenn die Druckkontaktlast von diesem Zustand zunimmt, wie in 10 gezeigt, kommt der Abschnitt in Flächenkontakt mit der ersten Kontaktfläche 49 durch die elastische Verformung der ersten Kontaktfläche 49, welche aus einem Harz/Kunstharz gebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ventilkopfabschnitt 47a des Ventilkörpers 47 in das Verbindungsloch 46 eingeführt, so dass der Kontaktbereich bezüglich des Ventilsitzes 51 zunimmt.
Ferner ist es wünschenswert, dass die jeweiligen Bereiche des Ventilkörpers 47 und die jeweiligen Bereiche des Ventilsitzes 51 gemäß den folgenden Bereichen festgesetzt werden.
Zum Beispiel,
Durchmesser des Verbindungslochs 46 → 3 mm bis 8 mm
Kegelwinkel des Ventilkopfabschnitts 47a des Ventilkörpers 47 → 60° bis 120°
Krümmungsradius des kreisbogenförmigen Querschnitts 52 des Ventilsitzes 51 → 0,1 mm bis 0,5 mm
Im Übrigen sind im Falle des Druckreduzierventils 5 der Bereich S (mm²) der Druck-aufnehmenden Fläche 48a der Membran 48 und die Federkonstante (N/mm) der Feder 39 derart festgelegt, dass die folgenden Gleichungen (1) und (2) erfüllt sind. P1 × S – k × ΔL > C (1) P1 < P2 (2)
Dabei bezeichnet P1 den Druck (MPa oder N/mm²) der sekundären Druckkammer 43, wenn der Ventilkörper 47 das Verbindungsloch 46 schließt. ΔL bezeichnet die Verlagerung (mm) von der freien Länge der Feder 39, C bezeichnet eine minimale Schließlast (N) des Ventilkörpers 47, und P2 bezeichnet den zulässigen maximalen Druck (MPa oder N/mm²) der Druck-aufnehmenden Vorrichtung 7.
Mit einer derartigen Einstellung wird in dem Druckreduzierventil 5, wenn der Fluss des Wasserstoffgases an der Druck-aufnehmenden Vorrichtung 7 mit dem Anhalten des Betriebs der Druck-aufnehmenden Vorrichtung 7 angehalten wird, zuerst die Schubkraft (P1 × S) in die Ventilschließrichtung, welche durch den auf die Membran 48 wirkenden Druck P1 der sekundären Druckkammer 43 verursacht ist, gleich der Schubkraft (k × ΔL) in der Ventilöffnungsrichtung, welche durch die Feder 39 verursacht ist, so dass der Ventilkörper 47 mit dem Ventilsitz 51 leicht in Kontakt kommt, wie in 7 und 8 gezeigt.
In diesem Zustand läuft, da die Druckkontaktkraft zwischen dem Ventilkörper 47 und dem Ventilsitz 51 schwach ist, das Hochdruck-Wasserstoffgas der primären Druckkammer 42 mit dem Verstreichen der Zeit geringfügig durch die Lücke zwischen dem Ventilkörper 47 und dem Ventilsitz 51 in die sekundäre Druckkammer 43 aus, so dass der Druck P1 des Durchgangs der Druck-aufnehmenden Vorrichtung 7 und der sekundären Druckkammer 43 leicht zunimmt. Auf diese Weise erreicht eine Differenz zwischen der Schubkraft (P1 × S) in der Ventilschließrichtung, welche durch den auf die Membran 48 wirkenden Druck P1 der sekundären Druckkammer 43 verursacht wird, und die Schubkraft (k × ΔL) in der Ventilöffnungsrichtung, welche durch die Feder 39 verursacht wird, wenn der Druck P1 der sekundären Druckkammer 43 bis auf einen vorbestimmten Druck zunimmt, eine minimale Schließlast C des Ventilkörpers 47. Anschließend wird, wie in den 9 und 10 gezeigt, die Lücke zwischen dem Ventilkörper 47 und dem Ventilsitz 51 abgedichtet, und die Lücke zwischen der primären Druckkammer 42 und der sekundären Druckkammer 43 wird vollständig isoliert. Zu diesem Zeitpunkt kommen die erste Kontaktfläche 49 auf der Seite des Ventilkörpers 47 und die zweite Kontaktfläche 52 auf der Seite des Ventilsitzes 51 durch die elastische Verformung der ersten Kontaktfläche 49, wie oben beschrieben, miteinander in Flächenkontakt.
Darüber hinaus ist, da der Druck P1 der sekundären Druckkammer 43 zu diesem Zeitpunkt auf einem Bereich eingestellt ist, der den zulässigen maximalen Druck der Druck-aufnehmenden Vorrichtung 7 nicht erreicht, wie in der Gleichung (2) gezeigt, die Druck-aufnehmende Vorrichtung 7 durch den Druck P1 des Gases nicht ungünstig beeinflusst, sogar dann, wenn das Ventil ununterbrochen geschlossen ist.
Wie oben beschrieben kommen in dem Druckreduzierventil 5 der Ausführungsform der Ventilkörper 47 und der Ventilsitz 71 an der kegelförmigen ersten Kontaktfläche 49 und an der zweiten Kontaktfläche 42 mit einem kreisbogenförmigen Querschnitt 42a miteinander in Kontakt, die erste Kontaktfläche 49 ist aus einem Harz/Kunstharz mit Elastizität gebildet, und die zweite Kontaktfläche 52 ist aus Metall gebildet. Dementsprechend kommen in einem Zustand, in welchem die Schubkraft in der Ventilschließrichtung klein ist, die erste Kontaktfläche 49 und die zweite Kontaktfläche 52 miteinander in Linienkontakt, um das Ventil zu schließen. Wenn die Schubkraft in der Ventilschließrichtung zunimmt, können die erste Kontaktfläche 49 und die zweite Kontaktfläche 52, durch die Verformung des Harzes/Kunstharzes miteinander in Flächenkontakt kommen.
Dementsprechend ist in dem Druckreduzierventil 5 möglich, die Lücke zwischen dem Ventilkörper 47 und dem Ventilsitz 51b durch den Linienkontaktabschnitt beginnend bei einer Stufe, bei der die Schubkraft, die auf die Membran 48 in die Ventilschließrichtung wirkt, verhältnismäßig klein ist, eine übermäßige Zunahme der Druck-aufnehmenden Fläche der Membran 48 zu vermeiden, und eine Verkleinerung der Größe der Vorrichtung zu erreichen. Ferner kommen, wenn die Schubkraft, die auf die Membran 48 in die Ventilschließrichtung wirkt, zunimmt, der Ventilkörper 47 und der Ventilsitz 51 miteinanderin Flächenkontakt, wodurch die hohe Beständigkeit der Kontaktfläche des Ventilkörpers 47 oder des Ventilsitzes 51 aufrecht erhalten werden kann.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene Modifikationen im Design können vorgenommen werden, ohne sich vom Gegenstand der Erfindung zu entfernen. Beispielsweise ist in den jeweiligen oben beschriebenen Ausführungsformen die kegelförmige erste Kontaktfläche in dem Ventilkörper bereitgestellt, und die zweite Kontaktfläche, welche einen kreisbogenförmigen Querschnitt aufweist, den Ventilsitz bereitstellt. Jedoch kann, wie in 11 und 12 gezeigt, die kegelförmige erste Kontaktfläche in dem Ventilsitz bereitgestellt werden und die zweite Kontaktfläche, welche einen kreisbogenförmigen Querschnitt aufweist, kann in dem Ventilkörper bereitgestellt werden. Ferner kann, wie in den 13A, 13B, 14A und 14B gezeigt, die geneigte Richtung der Kegelform derjenigen aus den 3, 8, 11 und 12 entgegengesetzt sein.
Während vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben und verdeutlicht wurden, ist es zu verstehen, dass diese Beispiele der Erfindung sind und nicht als einschränkend anzusehen sind. Hinzufügungen, Weglassungen, Ersetzungen und andere Modifikationen können vorgenommen werden, ohne sich vom Geist oder Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorangehende Beschreibung beschränkt anzusehen und ist nur durch den Gegenstand der angefügten Ansprüche beschränkt.
Ein Pilotventil (26) ist mit einer kegelförmigen ersten Kontaktfläche (32) bereitgestellt, und ein Pilotventilsitz (27) ist mit einer ringförmigen zweiten Kontaktfläche (33) bereitgestellt, wobei ein initialer Kontaktabschnitt derselben bezüglich der ersten Kontaktfläche (32) einen kreisbogenförmigen Querschnitt (33a) aufweist. Die erste Kontaktfläche (32) ist aus einem Harz/Kunstharz mit Elastizität gebildet, und die zweite Kontaktfläche (33) ist aus Metall gebildet. Wenn eine Druckkontaktlast klein ist, kommen die erste Kontaktfläche (32) und die zweite Kontaktfläche (33) miteinander in Linienkontakt. Wenn eine Druckkontaktlast zunimmt, kommen die erste Kontaktfläche (32) und die zweite Kontaktfläche (33) miteinander in Flächenkontakt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 4330943 [0003]

Claims

Ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas, das einen Durchgang öffnet und schließt, indem ein Ventilkörper und ein Ventilsitz, welche koaxial angeordnet sind, veranlasst werden, miteinander in Kontakt zu kommen oder sich voneinander zu trennen, wobei der Ventilkörper eine kegelförmige erste Kontaktfläche umfasst und der Ventilsitz eine ringförmige zweite Kontaktfläche umfasst, wobei ein initialer Kontaktabschnitt derselben bezüglich der ersten Kontaktfläche einen kreisbogenförmigen Querschnitt aufweist, und wobei eine von der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche aus einem Harz/Kunstharz gebildet ist, und die andere davon aus Metall gebildet ist.
Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas nach Anspruch 1, wobei, wenn der Ventilkörper und der Ventilsitz miteinander in Kontakt kommen, ein Bereich aus dem Kontaktbereich mit dem Ventilkörper mit einem ersten Gasdurchgang verbunden ist, und ein Bereich aus dem Kontaktbereich mit dem Ventilsitz mit einem zweiten Gasdurchgang verbunden ist.
Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Harz/Kunstharz Polyamid-Imid ist.
Ein Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas, das einen Durchgang öffnet und schließt, indem ein Ventilkörper und ein Ventilsitz, welche koaxial angeordnet sind, veranlasst werden, miteinander in Kontakt zu kommen oder sich voneinander zu trennen, wobei der Ventilsitz eine kegelförmige erste Kontaktfläche umfasst und der Ventilkörper eine ringförmige zweite Kontaktfläche umfasst, wobei ein initialer Kontaktabschnitt derselben bezüglich der ersten Kontaktfläche einen kreisbogenförmigen Querschnitt aufweist, und wobei eine von der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche aus einem Harz/Kunstharz gebildet ist, und die andere davon aus Metall gebildet ist.
Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas nach Anspruch 4, wobei, wenn der Ventilkörper und der Ventilsitz miteinander in Kontakt kommen, ein Bereich aus dem Kontaktbereich mit dem Ventilkörper mit einem ersten Gasdurchgang verbunden ist, und ein Bereich aus dem Kontaktbereich mit dem Ventilsitz mit einem zweiten Gasdurchgang verbunden ist.
Öffnungs- und Schließventil für Hochdruckgas nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Harz/Kunstahrz Polyamid-Imid ist.