JP2005115955A - ガスを制御するための圧力調節モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ガスを制御するための圧力調節モジュールであって、少なくとも１つのガス入口と、チャンバと、このチャンバから分岐する少なくとも１つのガス出口とを有している形式のものにおいて、従来技術における欠点を改良する。
【解決手段】ガス入口（２０）に、主に圧力補償原理に基づき作業するプロポーショニング弁（２４）が後置されており、該プロポーショニング弁（２４）が、チャンバ（１６）に前置されており、かつ圧力センサ（４０）と協働するようになっており、該圧力センサ（４０）が、チャンバ（１６）に形成されたガス圧を測定するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを制御するための圧力調節モジュールであって、少なくとも１つのガス入口と、チャンバと、このチャンバから分岐する少なくとも１つのガス出口とを有している形式のものに関する。

この形式の圧力調節弁が実際に公知であり、例えば制御ユニットにより制御される弁を有しており、この弁により、所定の圧力を備えたガスを、後置された消費装置ユニットのために提供することができる。しかしながら、例えば、サイクル弁の使用時には、全ての使用事例のために十分に良好な弁ダイナミクスが保障されているわけではない。

さらに、所定の圧力を備えたガスを提供するためには、ダイアフラム弁を備えた圧力調節モジュールを装備することが公知である。しかしながら、このようなダイアフラム弁は、弁入口に提供されたガス圧に関係している出口圧力を供給するという欠点を有する。このことは、特に入口圧力が低下した場合には不利に作用しかねない。

ガスエンジン又は燃料電池を有する自動車においても、できるだけ大きいガス量を対応したタンクに蓄積できることが必要である。このためには、タンク内の当該ガス、例えば、天然ガス又は水素が高い圧力下に置かれており、特に天然ガスにより運転されるガスエンジンの場合には、約２５０ｂａｒから３００ｂａｒまでの圧力下に置かれており、水素により運転される燃料電池の場合には、約７００ｂａｒから７５０ｂａｒまでの圧力下に置かれている。ガス圧は、それぞれタンクの下流側では、それぞれの消費装置により必要とされる約４ｂａｒから８ｂａｒまでのシステム圧力にまで減じられていなければならない。このことは、一般に上に述べた形式の圧力調節モジュールにより実施される。運転の間には、それぞれのタンク内のガス圧は、フルタンク時の最大圧力から約１０ｂａｒから２０ｂａｒまでの圧力にまで降下する。

これにより、これまでに使用されてきた圧力調節モジュールでは、不利なことにはダイナミクスが変化してしまう。なぜならば、このダイナミクスは入口圧力に関係しており、ひいてはタンクの充填状態により変化するからである。

そこで本発明の課題は、冒頭で述べた形式の圧力調整モジュールにおいて、従来技術における欠点を改良することである。

この課題を解決した本発明の手段によれば、圧力調節モジュールにおいて、ガス入口に主に圧力補償原理に従って作業するプロポーショニング弁が後置されており、このプロポーショニング弁が、チャンバに配置された圧力センサと協働するようになっている。

請求項１の上位概念部に記載の特徴を備えた、ガスを制御するための本発明の圧力調節弁の圧力調節モジュールにおいては、ガス入口に、主に圧力補償原理に基づき作業するプロポーショニング弁が後置されており、このプロポーショニング弁が、チャンバに配置された圧力センサと協働するようになっている。このような圧力調節弁は、ガス入口に形成された入口圧力、すなわちタンク圧が、圧力調節モジュール全体の動力的な特性に影響を及ぼさないという利点を有する。

このようなプロポーショニング弁は絞り面を有しており、この絞り面は、可変に保持することができるようになっており、これにより、プロポーショニング弁を還流する質量流は、絞り面の開度により変化させることができる。特に、サイクル弁を備えた圧力調節モジュールに比べて、プロポーショニング弁の形で形成されたガス弁を備えた圧力調節モジュールは、弁を恒常的に開放することができ、良好な弁ダイナミクスを有していおり、並びに大きい質量流を圧送することができるという利点を有する。

これにより、本発明による圧力調節モジュールのプロポーショニング弁は、主に圧力補償原理に基づき作業する、すなわち、弁座には、ほぼ補償された圧力比率が形成され、プロポーショニング弁の開放若しくは閉鎖のためには、入口圧力には関係していないわずかな力若しくはわずかなモーメントのみが必要である。

本発明による圧力調節モジュールは、特に自動車の燃料電池、又はガスエンジンで使用するためにも設計されており、この場合に、タンクから提供されたガス圧を、当該システムに要請されるシステム圧力にまで低減する。この場合に、供給された出口若しくはシステム圧力は一定不変に保持することができる。

本発明による圧力調節モジュールの有利な１実施例では、プロポーショニング弁は特にステータの形で形成されたポット状の構成エレメントを有している。この構成エレメントには半径方向の開口が設けられており、これらの開口は、前記ポット状の構成エレメントに対して回転可能な、特にロータの形で形成された管部材の半径方向の流出開口と協働する。この場合に、ポット状の構成部分と管部材とは、互いに内外に係合する。本実施例では、有利にはポット状の構成エレメントはチャンバ内に突入するようにチャンバのケーシングに位置決めされている。この場合、例えば７５０ｂａｒの高い圧力時にも変形しない管部材が、ポット状の構成部分内で回転可能になっている。この場合に管部材は自由に回転可能になっているか、又はストッパにより回転可能性を制限されていてよい。前記管部材の内面全体には入口圧力が作用し、これにより、そこには周方向に圧力補償された状態が形成される。

当然のことながら、ポット状の構成部材をロータの形で形成し、かつ管部材をステータの形で形成することも可能である。

プロポーショニング弁を操作するためには、本発明による圧力調節モジュールは、有利には操作ユニットを有している。この操作ユニットは、特に磁気調整装置の形で形成されていてよい。この場合、この磁気調整装置は、プロポーショニング弁の可動な構成部分、有利にはロータの形で形成された管部材に連結されている。択一的には、磁気調整装置の代わりに、プロポーショニング弁の可動な部分に係合する電動モータを有する操作ユニットを使用することもできる。

プロポーショニング弁の領域における流体漏出をわずかに保持するためには、プロポーショニング弁のポット状の構成部分と管部材とが、例えば５μｍから１０μｍまでのわずかな半径方向遊びにより互いに案内されている。さらに、このためには、両方の構成部分の間の案内領域を周方向にできるだけ長く形成すると有利である。

プロポーショニング弁の領域の磨耗をわずかに保持するためには、プロポーショニング弁のポット状の構成部分と管部材とに、少なくとも部分的に、特に炭素から成る磨耗保護層が設けられていてよい。

安全性に基づき、すなわち、チャンバ及び／又は圧力調節モジュールに後置された構成ユニットを高い圧力から保護するためには、本発明による圧力調節モジュールの有利な１構成では、チャンバが圧力制限弁に接続されている。圧力制限弁は、ガスにより加えられた圧送力が、あらかじめ設定された限界値を超過した場合に開く。この限界値は、例えば１０ｂａｒと２０ｂａｒとの間に位置していてよい。

ガス出口に滞留している圧力が大きい変動にさらされていることを阻止するためには、チャンバ内に隔壁が設けられていると有利である。この隔壁は、チャンバを、プロポーショニング弁に対応配置された中間チャンバと、出口に対応配置された流出チャンバとに分割する。前記隔壁なしには、チャンバ内に大きい圧力変動が生じかねない。このような圧力変動は、ガス噴流の高い流出速度によりプロポーショニング弁に引き起こされる恐れがある。

本発明による対象の別の利点及び有利な構成が、説明、図面及び請求項により明らかである。

本発明による圧力調整モジュールの１実施例を図面に概略的に示し、以下に詳しく説明する。

図１には、圧力調節モジュール１０が示されている。この圧力調節モジュール１０は、自動車の燃料電池又はガスエンジンで使用するために設計されており、かつガスタンク（図示しない）からガス弁（同様に図示しない）への水素流若しくは天然ガス流を調節するために働く。

圧力調節モジュール１０は、円筒状に形成された調節装置ケーシング１２を有しており、この調節装置ケーシング１２はカバー１４により閉鎖されている。調節装置ケーシング１２及びカバー１４は、チャンバ１６を限定している。このチャンバ１６からは、本実施例の場合には、ガス出口１８として働く１０個の流出孔が分岐している。これらのガス流出部１８は、カバー１４の円形ラインに沿って形成されている。

本使用事例では、カバー１４に設けられたガス出口１８にはチャンバが後置されている。このチャンバからは切換弁が分岐している。この切換弁は、ガスを供給された消費装置に結合されている。

円筒状に形成されたケーシング１２の底部には、ガス入口２０として形成された流入孔が配置されている。この流入孔はプロポーションイング弁２４の内室２２に通じている。

チャンバ１６に前置されたプロポーションイング弁２４は、ステータの形で形成されたポット状の構成エレメント２６を有している。この構成エレメント２６は、チャンバ１６内に突入しており、かつ側壁には、周にわたって分配されて、半径方向の４つの開口２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ及び２８Ｄが形成されている。ポット状の構成エレメント２６は、ケーシング１２の底部に堅固に結合されている。ポット状の構成エレメント２６には、ロータの形で形成された円筒状の管部材３０が回転可能に支承されている。この管部材３０は４つの流出開口３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ及び３２Ｄを有しており、これらの流出開口３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ及び３２Ｄは、ステータ２６の開口２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ若しくは２８Ｄと協働する。

ポット状の構成エレメント２６内に設けられたロータ部材３０の位置により、いわゆる「開角θ」が調節可能である。この開角θは、０°と４０°との間、本実施例では約４０°である。前記開角θは、絞り面若しくは開口面３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ及び３４Ｄを規定する。この開口面３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ及び３４Ｄの大きさを介して、質量流が調節可能である。この質量流は、プロポーショニング弁２６の内室２２から圧力調節モジュール１０のチャンバ１６内に流れることができる。

ステータの形で形成されたポット状の構成エレメント２４と、ロータの形で形成された管部材３０との間のオーバラップ面は次のように、すなわち、周方向で見て、開口面３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ及び３４Ｄの最大長さよりも大きくなるように選択されている。ポット状の構成エレメント２６と管部材３０との間の半径方向の遊びは、約５μｍから１０μｍまでである。これにより、プロポーショニング弁２４の領域にはわずかな流体漏出しか存在しないことが確保されている。

さらに、管部材３０及びポット状の構成エレメント２４の互いに隣接する面には、それぞれ炭素からなる摩耗保護層が設けられている。

ロータ部材３０の操作、すなわち回転のためには、プロポーショニング弁２４は磁気回転調整装置として形成された操作ユニット３６を有している。この操作ユニット３６の制御ユニットは、導体３８を介して圧力センサ４０に接続されている。この圧力センサ４０は、チャンバ１６内に形成されたガス圧を測定するために働く。これにより、開口面３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ及び３４Ｄの開度が、チャンバ１６内に形成された圧力に関連して調節可能である。

さらに、チャンバ１６には圧力制限弁４２が設けられている。この圧力制限弁４２は、例えば１０ｂａｒの所定の限界圧力に調節されており、かつ側方の開口４４を介してチャンバ１６に接続されている。前記圧力制限弁４２は、チャンバ１６内に形成されたガス圧が、調節された限界値を超過し、ばね４８の力に抗してピストン４６を摺動した場合に開くようになっており、これにより、ガスは側方の開口４４及び通路５０を介してチャンバ１６から流出することができる。ばね４８のばね力は、流出チャンバ１６Ｂ内に形成される圧力の目標値を設定する。

さらに、ケーシング１２のカバー１４からは、環状の隔壁５２がチャンバ１６内に、特にプロポーショニング弁２４の半径方向の開口２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ及び２８Ｄの下方
に位置する高さまで、突入している。隔壁５２はチャンバ１６を、プロポーショニング弁２４に対応配置された中間チャンバ１６Ａと、ガス出口１８若しくは圧力制限弁４２に対応配置された流出チャンバ１６Ｂとに分割している。隔壁５２は、流出チャンバ１６Ｂ内の圧力変動に抗して作用し、これにより、ガス出口１８も圧力制限弁４２も常に所定の圧力比率にさらされている。圧力センサが、同様に流出チャンバ１６Ｂに対応配置されている。

圧力調節モジュール１０により、特に流出チャンバ１６Ｂ内の圧力の上昇時には、一方では開口面３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ及び３４Ｄが操作装置３６により縮小され、かつ他方では圧力制限弁４２により圧力が望ましい目標値に調節される形式で、常に一定不変の圧力が出口１８に提供されているようにすることができる。

圧力センサ４０により測定された、流出チャンバ１６Ｂ内のガス圧が目標値以下である場合には、開口面３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ及び３４Ｄは、流出チャンバ１６Ｂ内に目標値が調節される程度に大きく開かれる。

本発明による圧力調節モジュールの横断面図である。

図１による圧力調節モジュールのプロポーショニング弁の、ＩＩ−ＩＩ線に沿った横断面図である。

符号の説明

１０ 圧力調節モジュール、 １２ 調節装置ケーシング、 １４ カバー、 １６ チャンバ、１６Ａ 中間チャンバ、 １６Ｂ 流出チャンバ １８ 流出孔、 ２０ ガス入口、 ２２ 内室、 ２４ プロポーショニング弁、 ２６ 構成エレメント、 ２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ 開口、 ３０ 管部材、 ３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ 流出開口、 ３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ 開口面、 ３６ 操作ユニット、 ３８ 導体、 ４０ 圧力センサ、 ４２圧力制限弁、 ４４開口、 ４６ ピストン、 ４８ ばね、 ５０ 通路、 ５２ 隔壁、

Claims (8)

1. ガスを制御するための圧力調節モジュールであって、少なくとも１つのガス入口（２０）と、チャンバ（１６）と、該チャンバ（１６）から分岐する少なくとも１つのガス出口（１８）とを有している形式のものにおいて、ガス入口（２０）に、主に圧力補償原理に基づき作業するプロポーショニング弁（２４）が後置されており、該プロポーショニング弁（２４）が、チャンバ（１６）に前置されており、圧力センサ（４０）と協働するようになっており、該圧力センサ（４０）が、チャンバ（１６）に形成されたガス圧を測定することを特徴とする、ガスを制御するための圧力調節モジュール。
2. プロポーショニング弁（２４）が、有利にはステータの形で形成されたポット状の構成エレメント（２６）を有しており、該構成エレメント（２６）に、半径方向の開口（２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ）が設けられており、該開口（２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ）が、前記ポット状の構成エレメントに対して回転可能な、有利にはロータの形で形成された管部材（３０）の半径方向の流出開口（３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ）と協働するようになっており、前記ポット状の構成エレメント（２６）と管部材（３０）とが、互いに内外に係合する、請求項１記載の圧力調節モジュール。
3. プロポーショニング弁（２４）が、特に磁気調整装置の形で形成された操作ユニット（３６）により操作可能である、請求項１記載の圧力調節モジュール。
4. プロポーショニング弁（２４）のポット状の構成エレメント（２６）と管部材（３０）とが、約５μｍから１０μｍまでの半径方向の遊びをもって互いに案内されている、請求項２記載の圧力調節モジュール。
5. プロポーショニング弁（２４）のポット状の構成エレメント（２６）と管部材（３０）との間の案内面に、少なくとも部分的に、特に炭素を有する閉鎖保護層が設けられている、請求項２記載の圧力調節モジュール。
6. チャンバ（１６）が、圧力制限弁（４２）に接続されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力調節モジュール。
7. 圧力制限弁（４２）が、１０ｂａｒと２０ｂａｒとの間に位置する、あらかじめ設定された圧力時に開くようになっている、請求項６記載の圧力調節モジュール。
8. チャンバ（１６）内に隔壁（５２）が設けられており、該隔壁（５２）が、チャンバ（１６）を、プロポーショニング弁（２４）に対応配置された中間チャンバ（１６Ａ）と、ガス出口（１８）に対応配置された流出チャンバ（１６Ｂ）とに分割している、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力調節モジュール。

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