JP2006502352A - 噴射弁及び噴射弁を形成する方法 - Google Patents

Abstract

特に燃料電池のガス流内に水を噴射するための噴射弁（１）が、噴射側の終端部に接合された弁閉鎖体（２１）を備えた弁ニードル（１９）を有している。前記弁閉鎖体（２１）は、弁座体（２９）に形成された弁座面（２０）と、シール座の形で協働する。シール座の下流には噴射開口（７）が設けられており、噴射弁（１）の、水と接触する面の少なくとも一部が、腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）により被覆されている。

Description

本発明は、請求項１、請求項９の上位概念部に記載の噴射弁及び請求項１１の上位概念部に記載の噴射弁を形成する方法に関する。

自動車に使用するために汎用の燃料電池、特にプロトン伝導性の高分子膜を有する燃料電池（英語による概念では「陽子交換膜型燃料電池(Proton Exchange Membran Fuel Cell(PEM-FC)又は陽子電解質型燃料電池」とも呼ばれる）においては、電解質を形成する膜が運転時に常に湿潤されているように保持されなければならない。湿潤性が既定値を下回ると、膜のイオン伝導性が低下する。燃料電池の膜の湿潤性を規定された最適なレベルに保持するためには、供給されたガス流に脱イオン水が配量されることが多い。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９９５３８０３号明細書につき、ガス流を湿潤するための装置が開示されている。この装置は、ガス流内に突入する単純なノズルを介して水をガス流に混入する。

しかしながら、ガス流内への水の配量は、ガス流に関連して、できるだけ正確に、別の調量領域を介して、水ポンプ圧とはほぼ無関係に、複数のパラメータを介して調節可能に、安価に、かつ信頼性良く行われることが望ましい。それ故、水を配量するためには、例えば、内燃機関を有する行程ピストン機械により既に公知となっている燃料噴射弁を使用すると有利である。このような弁は、例えばドイツ連邦共和国特許公開第１９６２６５７６号明細書につき公知である。

類似の用途が、排ガス後処理のために、又は一般に潤滑不能な媒体において、ディーゼル車両の排ガス路内の酸化窒素を低減するための、水溶性の尿素水溶液の正確な配量である。

ドイツ連邦共和国特許公開第１９６２６５７６号明細書につき公知の装置では、この明細書に開示された装置は、水とは著しく異なった化学的特性を有する燃料の処理のために最適化されているということを主な原因とする欠点がもたらされる。すなわち、ほとんどの燃料、例えばガソリンは固有の潤滑特性を有しており、化学的な腐食を阻止するように作用するか、若しくは特に金属表面における化学的な腐食を自ら促進させることはない。これに対して水は固有の潤滑特性を有しておらず、金属面、特に鉄含有の金属面で化学的な腐食を促進する。このような鉄含有の金属面は、前記公知の燃料噴射弁では、その都度噴射された液体と接触することが多い。

公知の燃料噴射弁は、例えば１００℃を越える高い温度領域で使用するために設計されていることも欠点である。それ故、燃料噴射弁を構成する場合には、弁シール座には、良好な耐熱性を有する金属材料が使用されている。しかしながら、耐熱性の材料、例えば鉄含有金属の使用は、シール座の領域において。コスト高で小さい製造公差を用いた場合にもシール座の気密性をある程度にしか可能にしない。さらに、耐熱性の金属は、弾性の欠如により、弁開放及び閉鎖工程でシール座若しくは力伝達構成部材に生じる力を増大する。

発明の利点
これに対して、請求項１に記載の特徴を有する本発明による噴射弁は、様々な利点を有している。これにより、腐食を防止する、若しくは摩擦を低減する層を設けられた、水と接触する面は、特に化学的な腐食及び摩擦による摩耗に基づく化学的若しくは機械的な腐食に対して、効果的かつ長期にわたって保護されている。

従属請求項２〜請求項８までに実施された手段により、請求項１に記載の噴射弁の有利な発展形が可能である。

腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層が、複数の層又は被覆層から成っている場合、特に有利である。これにより、複数の被覆層材料の特性を組み合わせることができる。例えば、金属に良好に付着する耐水性の下層と、摩擦を低減する上層とを組み合わせることができる。

噴射弁が、渦流を形成する装置を有している場合には、渦流を伴う水をガス流内へ噴射することができる。このことは、ガス流内に噴射された水の改善された分配をもたらす。

水と接触する接合結合部、特に溶接継ぎ目に、腐食を防止する、若しくは摩擦を低減する層が被覆されている場合には、有利には、同様に噴射弁の高められた耐用寿命及び信頼性がもたらされる。同様に、燃料噴射弁の、水と接触する案内及び潤滑面の被覆も特別な耐用性及び信頼性をもたらす。

電気めっきによる物理的又は化学的な方法により腐食を防止する、若しくは摩擦を低減する層を被着することによって、被覆材料及び被覆しようとする面の種々異なった特性に対応することができる。同様に、腐食を防止する、若しくは摩擦を低減する層を形成する材料の選択により、被覆しようとする材料の種々異なった特性、若しくは被覆される表面の意図的な特性に対応することもできる。

従属請求項９に記載の特徴により、比較的小さくコスト高な製造公差を用いることなしに、シール座の気密性を高めることが可能である。弾性的なシールリングにより、シール座又はこのシール座と作用結合している構成部材が、力に関して負荷解除される。このことは、噴射弁の高められた耐用性及び信頼性をもたらす。少なくとも部分的にエラストマより成るシールリングを使用すると特に有利である。

請求項１１に記載の特徴を有する本発明による方法は、簡単、ひいては安価な形式で噴射弁を製造可能であり、この噴射弁により、前記利点が達成可能であるという利点を有する。

従属請求項１２〜１６に実施された手段により、請求項１１に記載の方法の有利な発展形及び改良形が可能である。

溶接又ははんだ付けによる構成部材の接合により、特に安価かつ信頼性良い接合結合部が生じる。特に有利には、腐食を防止する、若しくは摩擦を低減する層を形成する材料の、被覆しようとする箇所への供給はカニューレを介して行われる。これにより、調量は特に的確に、材料を節約して、ひいては安価に行うことができる。

接合された構成部材を遠心分離する形の後処理が、特に完全な被覆のために働く。なぜならば、これにより、特に被覆層を形成する材料が最小の中間室内へ、例えば溶接結合部に進入するからである。熱処理により、腐食を防止する、若しくは摩擦を低減する層が特に良好かつ持続的に、それぞれの面に結合される。

次に本発明の実施例を図面につき次に詳しく説明する。この場合に、一致する構成部材には全ての図面において一致する符号を付す。

図１に示した噴射弁１は、特に燃料電池（図示しない）のガス流内へ水を噴射するための噴射弁１である。この噴射弁１は、マグネットコイル４により取り囲まれた、流入管片として働く核２を有している。この核２は、例えばこの場合には管状に形成されており、長さ全体にわたって一定不変の外径を有しているが、段付けされて構成されていてもよい。半径方向に断付けされたコイル体３は、マグネットコイル４の巻体を収容し、一定不変の外径を有する核２と結合して、マグネットコイル４の領域で噴射弁１の特にコンパクトな構成を可能にする。

核２の下側の核終端部９には、弁長手方向軸線１０に対して同心的に、管状の金属の中間部材１２が、例えば溶接により密に結合されており、この場合に、前記核終端部９を部分的に軸線方向に取り囲む。段付けされたコイル体３は、部分的に核２を取り囲んでおり、より大きい直径の段部１５により、中間部材１２を少なくとも部分的に軸線方向に取り囲んでいる。コイル体３及び中間部材１２の下流側には、管状のノズル体１６が延在している。このノズル体１６は、例えば中間部材１２に堅固に結合されている。ノズル体１６内には長手方向孔１７が延びている。この長手方向孔１７は、弁長手方向軸線１０に対して同心的に形成されている。長手方向孔１７内には、例えば管状の弁ニードル１９が配置されている。この弁ニードル１９の下流側の終端部は、球状の弁閉鎖体２１に、図３に示した少なくとも１つの第３の溶接継ぎ目３１により結合されている。前記弁閉鎖体２１の周には、例えば５つの面取り部２２が設けられている。

噴射弁１の操作は公知の形式で行われ、本実施例では電磁的に行われる。弁ニードル１９の軸線方向の運動、ひいては噴射弁１の戻しばね２５のばね力に抗した開放若しくは閉鎖のためには、マグネットコイル４と核２と可動子２７とを備えた電磁的な回路が働く。中空円筒状の可動子２７は、弁ニードル１９の、上流側に位置する終端部を取り囲んでおり、第１の溶接継ぎ目２８により、弁ニードル１９に摩擦接続的（ｋｒａｆｔｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）に結合されている。ノズル体１６の、下流側に位置する、核２に向いていない方の終端部には、長手方向孔１７内に、弁座面２０を有する、円筒状の弁座体２９が、第２の溶接継ぎ目３０により密に組み付けられている。弁閉鎖体２１は、弁座体２９に形成された弁座面２０と共にシール座の形で協働する。

弁長手方向軸線１０に沿った、可動子２７を有する弁ニードル１９の軸線方向運動の間に弁閉鎖体２１を案内するためには、弁座体２９の案内開口１１が働く。弁閉鎖体２１に向いていない方の端面では、ノズル体１６は、例えばポット状に形成された噴射孔ディスク８に、同心的に、第４の溶接継ぎ目３４により堅固に結合されている。噴射孔８は、燃料電池（図示しない）のガス流内に水又は脱イオン水を噴射するための少なくとも１つの、この場合にはしかしながら４つの噴射開口７を有している。

本発明によれば、溶接継ぎ目２８，３０，３１，３４には、腐食を防止し、かつ／又は摩擦を低減する層が被覆されている。

ポット状の噴射孔ディスク８を有する弁座体２０の押込み深さは、弁ニードル１９の行程の前調節値を規定する。この場合に、マグネットコイル１が励磁されていない場合の弁ニードル１９の終端位置が、弁閉鎖体２１の接触により規定され、マグネットコイル４が励磁された場合の弁ニードル１９の別の終端位置が、核終端部９への可動子２７の接触によりもたらされる。

弁長手方向軸線１０に対して同心的に延びる、核２の流体孔６内へ押し込まれた調節スリーブ５が、この調節スリーブ５に接触している戻しばね２５のばねプレストロークを調節するために働く。前記調節スリーブ５は、例えば巻かれたばね鋼薄板又は胴合金より成形されている。さらに調節スリーブ２５は反対側では弁ニードル１９で支持される。

噴射弁１は、プラスチック被覆成形部２３により広範に取り囲まれている。このプラスチック被覆成形部２３は、核２を基点として、軸線方向にマグネットコイル４を介してノズル体１６まで延びている。このプラスチック被覆成形部２３には、例えば一体射出成形されたコネクタ２６も属している。

フィルタ１８が、核６の流体孔６の上流側の終端部内に突入しており、噴射弁１内で故障又は損傷をもたらしかねない成分を選別するために働く。

噴射弁１の、水と接触する面の少なくとも一部、特に長手方向孔１７、案内孔１１及び流体孔６の内面並びに調節スリーブ５、弁ニードル１９、弁座面２０及び弁閉鎖体の面には、腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層３３（図３参照）が被覆されている。

図２は、本発明による別の実施例の弁座体２１の領域の概略的な部分横断面図を示している。面取り部２２を有する弁座体２１が、弁閉鎖体２１の下側の噴射側の領域に部分的に設けられた溝１３内に位置している弾性的なシールリング１４を介して、弁座体２９の弁座面２０に密に載置されている。前記溝１３内に部分的に挿入された弾性的なシールリング１４に対して択一的又は付加的に、特に弁操作時に生じる力を緩衝するために、ひいては噴射弁の閉鎖時の持続的なシールのためには、弁座面２０及び／又は弁閉鎖体２１は、腐食を防止する、若しくは摩耗を低減する層（図３の符号３３）により被覆することができる。

図３は、調量装置（図示しない）に属するカニューレ２４を示している。このカニューレ２４は、弁閉鎖体２１に向いている方の終端部で斜めに切断されている。本発明による有利な方法によれば、前記調量装置は、第３の溶接継ぎ目３１により接合された、位置決めされた構成部材に配属されている。図示の位置では、腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層３３の材料の調量が、弁ニードル１９及び弁閉鎖体２１の内部領域で行われる。この場合に、材料の改善された分配のためには、カニューレ２４又は構成部材を長手方向軸線を中心として回転することができる。外部領域では層３３は外側から被着される。

図４は、別の実施例の弁ニードル１９、弁閉鎖体２１及び可動子２７の領域の概略的な部分横断面図を示している。この場合に、可動子２７、第１の溶接継ぎ目２８、第３の溶接継ぎ目３１及び弁閉鎖体２１は層３３により被覆されている。弁ニードル１９が、耐腐食性の材料、例えば特殊鋼より成っている。しかしながら、この弁ニードル１９は層３３により被覆されていてもよい。

腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層３３は、例えば電気めっき法により被着されている。しかしながら、例えば別の物理的若しくは化学的な方法、特に物理蒸着法又は化学蒸着法も層３３の被着のために適している。この場合、腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層３３は、テフロンベースの潤滑用ラッカー、硫黄ベースの材料、特に二硫化モリブデンＭｏＳ_２、炭素、キシラン、窒化チタンＴｉＮ及び／又は炭素混合物、特にＰＴＥＥから成っている。

弁ニードル１９及び弁閉鎖体２１を保護する層３３は、本製造法では、例えば層３３を形成する材料の被着後には遠心分離される。この場合に弁ニードル１９と弁閉鎖体２１とは既に接合されており、弁ニードル１９は遠心分離時には内側に位置しており、弁閉鎖体２１は外側に位置している。このようにして、極めて一様な層３３を形成することができる。

本発明は、上に述べた実施例に限定されるものではなく、例えば噴射弁１の任意の構成のために、特に外方に開放する噴射弁のためにも、又は圧電式、磁気ひずみ式又は電気ひずみ式のアクチュエータを有する噴射弁のためにも使用可能である。特に本発明は、水、特にアグレッシブ脱イオン水を噴射するためにのみ適している。

本発明による噴射弁の１実施例を示す概略的な横断面図である。 噴射弁の本発明による別の１実施例（図１の実施例に類似しているが、弾性的なリングが弁閉鎖体に設けられている）を示す概略的な部分横断面図である。 弁閉鎖体及び位置決めされたカニューレを備えた弁ニードルを示す概略的な部分横断面図である。

Claims (16)

1. 特に燃料電池のガス流内へ水を噴射するための噴射弁（１）であって、弁ニードル（１９）が設けられており、該弁ニードル（１９）が、噴射側の終端部に弁閉鎖体（２１）を有しており、該弁閉鎖体（２１）が、弁座体（２９）に形成された弁座面（２０）と、シール座の形で協働するようになっており、該シール座の下流に少なくとも１つの噴射開口（７）が設けられている形式のものにおいて、噴射弁（１）の、水と接触する面の少なくとも一部が、腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）により被覆されていることを特徴とする、特に燃料電池のガス流内へ水を噴射するための噴射弁（１）。
2. 腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）が、１つ又は複数の層から成っている、請求項１記載の噴射弁。
3. 水と接触する接合結合部、特に溶接継ぎ目（３１）に、腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）が被覆されている、請求項１又は２記載の噴射弁。
4. 水と接触する案内及び潤滑面（１１，２２）が、少なくとも部分的に、腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）により被覆されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の噴射弁。
5. 腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）が、電気めっき法により被着されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の噴射弁。
6. 腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）が、物理的な方法、特に物理蒸着法により被着されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の噴射弁。
7. 腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）が、化学的な方法、特に化学蒸着法により被着されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の噴射弁。
8. 腐食を防止する、かつ／又は摩擦を低減する層（３３）が、テフロンをベースとする潤滑用ラッカー、硫黄ベースの材料、特に二硫化モリブデンＭｏＳ_２、炭素、キシラン、窒化チタンＴｉＮ及び／又は炭素混合物、特にＰＴＥＥから成っている、請求項１から７までのいずれか１項記載の噴射弁。
9. 特に燃料電池のガス流内へ水を噴射するための噴射弁（１）であって、弁ニードル（１９）が設けられており、該弁ニードル（１９）が、噴射側の終端部に球状の閉鎖体（２１）を有しており、該弁閉鎖体（２１）が、弁座体（２９）に形成された弁座面（２０）と、シール座の形で協働し、該シール座の下流側に少なくとも１つの噴射開口（７）が設けられている形式のものにおいて、弁閉鎖体（２１）が、シール座の領域に環状の溝（１３）を有しており、該溝（１３）内に、環状の弾性的なシールリング（１４）が挿入されていることを特徴とする、特に燃料電池のガス流内へ水を噴射するための噴射弁（１）。
10. 環状のシールリング（１４）が、少なくとも部分的にエラストマより成っている、請求項９記載の噴射弁。
11. 特に燃料電池のガス流内へ水を噴射するための噴射弁（１）を形成する方法であって、弁ニードル（１９）が設けられており、該弁ニードル（１９）が、噴射側の終端部に弁閉鎖体（２１）を有しており、該弁閉鎖体（２１）が、弁座体（２９）に形成された弁座面（２０）と、シール座の形で協働するようになっており、該シール座の下流に噴射開口（２４）が設けられている形式の方法において、次の方法ステップを用いる、すなわち、
    ・弁ニードル（１９）と弁閉鎖体（２１）との間に接合結合部（３１）を形成し、
    ・接合された構成部材（１９，２１）を位置決めし、
    ・調量装置（２４）を配属し、
    ・腐食を防止する、若しくは摩擦を低減する層（３３）を形成する材料を、調量装置（２４）により接合結合部（３１）に被着する、
    ステップを用いることを特徴とする、特に燃料電池のガス流内に水を噴射するための噴射弁（１）を製造する方法。
12. 接合結合部（３１）を、溶接又ははんだ付けにより形成する、請求項１１記載の方法。
13. 調量装置により、腐食を防止する、若しくは摩擦を低減する層（３３）を形成する材料を、カニューレ（２４）を介して接合結合部（３１）に被着する、請求項１１又は１２記載の方法。
14. カニューレ（２４）を、スリーブの形で形成された弁ニードル（１９）内へ、閉鎖体（２１）の向かい側に位置している開口（３２）を介して接合結合部（３１）に配属する、請求項１３記載の方法。
15. 後処理のために弁ニードル（１９）及び弁閉鎖体（２１）を遠心分離し、該弁閉鎖体（２１）が、外側に位置し、かつ弁ニードル（１９）が内側に位置しているようにする、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の方法。
16. 後処理を熱処理、特に熱硬化により行う、請求項１５記載の方法。

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