JP2006512546A - 流体を制御するための弁 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体、特にガスを制御するための弁であって、弁ハウジング（１３）と、少なくとも部分的に管形の弁プランジャ（１７）のための操作ユニットとが設けられており、弁プランジャ（１７）が、軸方向で摺動可能に案内されていて、弁閉鎖部材（２２）を有しており、弁閉鎖部材（２２）により、流入側（１１）と流出側（１２）との間の流体流が制御可能であり、弁閉鎖部材（２２）が弁座（２５）と協働する形式のものに関する。弁プランジャ（１７）が、弁閉鎖部材（２２）から離れた領域にガイド鍔（３６）を有しており、ガイド鍔（３６）に対してずらされた領域に第２のガイド手段（３１）を有しているようにした。

Description

背景技術
本発明は、特許請求項１の上位概念部で詳細に定義した形式の、流体、特にガスを制御するための弁から出発する。

この種の弁は実際の使用から公知であり、例えばガス吹込弁として、自動車の、天然ガス（ＮＧ＝Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）で運転されるオットー機関で使用可能である。この、ガスを制御するために設計された弁は、弁プランジャが軸方向で摺動可能に案内されている弁ハウジングを有している。その摺動が電磁式の操作ユニットにより惹起され得る弁プランジャは、弁閉鎖部材を有している。弁閉鎖部材は弁座と協働する。弁閉鎖部材により、弁の流入側と流出側との間の流体流は制御可能である。

上記形式の公知のガス弁では、オイルを含まないガスの使用時に、潤滑の欠如に基づいて、材料の磨耗が弁プランジャおよび弁座の領域で発生するという問題と、弁プランジャが傾倒して、弁ボディに引っ掛かる可能性があるという問題とが存在する。このことはやはり弁の機能性の早期的な失陥につながる。

発明の利点
本発明による、弁プランジャが、弁閉鎖部材から離れた領域にガイド鍔を有しており、ガイド鍔に対してずらされた領域に第２のガイド手段を有しているという、特許請求項１の上位概念部に記載された特徴を備えた、流体、特にガスを制御するための弁は、弁プランジャの、傾倒防止された案内が保証されているという利点を有している。その結果、弁プランジャの傾倒に基づく弁の失陥のリスクは最小化されている。

本発明による弁は特にガス弁として、エネルギ発生器のような定置の設備や、ガス駆動または燃料電池との関連での自動車や、自動車の、いわゆる「ＡＰＵ（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ：補助動力装置）」において使用可能である。

本発明による弁の有利な構成では、第２のガイド手段が板ばねから形成されている。板ばねは有利には弁プランジャと弁ハウジングとの間で緊張されている。その結果、板ばねの平面は弁プランジャの軸線に対して直角に方向付けられている。板ばねは、プランジャの、プランジャ軸線に対して平行な運動を許可し、弁プランジャの、半径方向での運動を阻止する。

板ばねの、特に安定な固定は、板ばねが弁閉鎖部材と、弁プランジャの管形の領域との間でクランプされているかつ／または溶接されている場合に存在する。

板ばねの領域における流動損失を排除するために、板ばねは、弁プランジャの、一般に存在する半径方向の流出孔の上流に配置されていることもできる。

板ばねが流動孔の下流に配置されている場合、板ばねがリング形に形成されており、流体流のための流れ通路を有していると有利である。

さらに、弁プランジャのガイド鍔は乾式の潤滑剤、例えばＭｏＳ_２、潤滑塗料、Ｃ層で被覆されていることができる。

本発明による弁の択一的な構成では、第２のガイド手段が弁閉鎖部材により形成されている。弁プランジャと一体的に製作されているか、または弁プランジャに結合されている別個の構成部分として製作されていることもできる弁閉鎖部材はそれにより半径方向で、有利には弁ハウジングにより形成されるガイド面に隣接する。

本発明による弁の特別な構成では、弁プランジャが、深絞り加工された弁ブシュ内で案内されており、弁ブシュが弁ハウジングの構成部分である。この事例では、有利には弁プランジャと一体的に製作された弁閉鎖部材が実質的に、弁プランジャのガイド鍔と同じか、または若干小さな直径を有している。

弁座と流出孔との間に配置されていて、半径方向で弁ハウジングにより画定されている高圧ガス室を大きく形成するために、弁プランジャが、半径方向の流出孔の領域に狭窄部を有していることができる。このことは弁の高い効率につながる。それというのも、弁閉鎖部材の開放時、この高圧ガス室内に含まれるガスが最初に流出するからである。

弁閉鎖部材もしくは弁プランジャにおける材料損傷を回避するために、弁座の下流に絞りが配置されていることができる。その結果、弁を通流するガスの絞りは弁閉鎖部材から離れて実施される。これにより、本発明による弁における最大の圧力降下は絞りで起こる。

別の有利な構成では、本発明による弁の弁座が、少なくとも絞りの通流面積の２倍〜３倍の大きさにある通流面積を有している。その際、弁を通過する質量流量は弁座下流の圧力と絞りの直径とに依存している。さらに、絞りは有利には、その直径のオーダに選択されている長さを有している。

弁の流入側と弁座との間の圧力降下を最小化するために、弁プランジャに形成された複数の流出孔が合わせて、やはり少なくとも通流面積の数倍に相当する通流面積を有していると有利である。

本発明によるガス弁は有利には、絞りの流出部におけるマッハ数（Ｍａ）が１に等しい（音速流れ）ように設計されている。そうすると、圧縮衝撃（Ｖｅｒｄｉｃｈｔｕｎｇｓｓｔｏｓｓ）は絞りの直後、減衰管内で起こる。

これに比して、従来のガス弁は大抵、マッハ３までの範囲にあることができる高いマッハ数、厳密に言えば、特に弁の流出開口の領域における高いマッハ数で作業する。マッハ数として、圧縮性流れの場合、ガス速度の、ガス媒体中の相応の音速に対する比が定義される。周囲の流出境界条件と弁幾何学形状とに基づいて、ガス噴流はガス弁内で強く制動される。すなわち、マッハ数の減少が起こる。これにより、マッハ数の二乗に比例する圧力増加のために、圧縮衝撃が発生する。圧縮衝撃は弁ボディにおける材料損傷ならびに弁流出部における望ましくない騒音を引き起こす。

圧縮衝撃が弁閉鎖部材に伝達されないように、有利には絞りの下流に接続された減衰管が、少なくとも絞り直径の３倍に相当する直径を有していると有利である。

減衰管の流出部におけるガス流れのマッハ数を、１を大幅に下回るように維持し、騒音発生の大幅な削減を導き出すために、減衰管が、少なくとも絞り直径の１０倍に相当する長さを有していると有利である。

本発明による対象の別の利点および有利な構成は、説明、図面および特許請求の範囲から見て取ることができる。

図面
本発明による弁の５つの実施例を図面に概略的に簡単化して示し、以下の説明で詳細に述べる。
図１：本発明による弁の第１の実施形態の縦断面図である。
図２：図１に示した弁の流出側の拡大図である。
図３：図１に示した弁の弁閉鎖部材の案内部を示す図である。
図４：図１に示した弁の板ばねを示す図である。
図５：本発明により構成された弁の第２の実施形態の抜粋縦断面図である。
図６：本発明による弁の第３の実施形態の、図５に相当する縦断面図である。
図７：本発明による弁の第４の実施形態の、図５に相当する縦断面図である。
図８：ガイドブシュを有する、本発明による弁の第５の実施形態の縦断面図である。

実施例の説明
図１〜図４に示されているガス弁１０は、燃料電池またはガス機関で使用するために設計されており、流入側１１から流出側１２への水素流もしくはＮＧ（天然ガス）流を調整するために役立つ。

ガス弁１０は、実質的に管形のインサート１４を備えた、複数部分から成るハウジング１３を有している。インサート１４に流入側１１が形成されている。インサート１４は軸方向で、フランジ状の、外径拡張部を有する段部でもって、実質的に中空円筒状の中央の弁ボディ１５内に挿入されている。中央の弁ボディ１５内には、電磁式の操作ユニットのための室１６が形成されている。電磁式の操作ユニットは弁プランジャ１７と協働する。弁プランジャ１７はコイルばね１８を介して、インサート１４の内孔内に挿入されたスリーブ１９に支持されている。

弁プランジャ１７は、拡大された外径の領域２０と、減じられた外径の、狭窄部の形で形成された領域２１とを有している。領域２１の端面に弁閉鎖部材２２が接続する。弁閉鎖部材２２は管形の付設部２３を介して、弁プランジャ１７の、減じられた外径の領域２１の、軸方向の長手方向孔３８内に差し込まれている。

特に図２から見て取れるように、弁閉鎖部材２２はその自由な端面にシール鍔２４を有している。シール鍔２４は、平座として形成された弁座２５と協働し、エラストマーシールリングにより形成されている。

平座２５はいわゆる「減衰管（Ｄａｅｍｐｆｕｎｇｓｒｏｈｒ）」２７の端面２６に形成されている。減衰管２７はやはり弁ボディ１５内に挿入されており、流出側１２を形成する。

弁プランジャ１７は、その減じられた外径の領域２１に、半径方向の流出孔２８を有している。流出孔２８は、軸方向で互いにずらされた２列中に、周方向で分配配置されており、弁プランジャ１７の、流入側１１と連通している長手方向孔３８を高圧ガス室２９に接続する。高圧ガス室２９は半径方向で、一方では弁プランジャ１７により、他方では弁ハウジング１３により画定されている。軸方向で、高圧ガス室２９は減衰管２７の端面２６に隣接する。

流出孔２８はその長手方向長さに関してその都度相対的に短い。その結果、流出孔２８を通して、僅かな圧力降下が弁座２５の手前で発生するにすぎない。

弁プランジャ１７は、弁閉鎖部材２２から軸方向で離れて配置されている、拡大された外径の領域２０で、ガイド鍔３０を介して弁ボディ１５の軸方向孔３１内で軸方向摺動可能に案内されている。このことは特に図３から見て取れる。ガイド鍔３０は、弁プランジャ１７の外径の、縁部もしくは面取り部３６により形成される拡張部を成す。その結果、ガイド鍔３０は、弁ボディ１５の、内径を形成する縁部３９に隣接する。これにより、弁閉鎖部材２２の開弁時に、異物粒子が、弁プランジャ１７の、拡大された外径の領域２０の外径と、弁ボディ１５の内径との間に形成されるリングギャップ３７内に取り込まれることが阻止される。

さらに、弁プランジャ１７は磨耗を最小化するために少なくともガイド鍔３０の領域で潤滑塗料（Ｇｌｅｉｔｌａｃｋ）により処理されている。

弁プランジャ１７はここでは、ガイド鍔３０に対して軸方向でずらされている、減じられた外径の領域２１で、板ばね３１により案内されている。板ばね３１は図４に詳細に示されている。板ばね３１はリング形に形成されており、一方では弁ハウジング１３に、他方では弁プランジャ１７に結合されており、詳細に言えば、減じられた外径の領域２１と、弁閉鎖部材２２との間にクランプされているように結合されている。弁プランジャ１７の、減じられた外径の領域２１と、弁閉鎖部材２２とは、ここでは溶接結合により固く互いに結合されている。

さらに、図示の構成ではレーザ切断により製作されていて、約１ｍｍの軸方向の厚さを有する板ばねは、複数のウェブ３３を有している。ウェブ３３は、制御したいガスのためのガス通流開口３２を画定する。板ばね３１は半径方向での弁プランジャ１７の運動を阻止する。その際、弁プランジャ１７は板ばね３２に懸装されており、懸装領域で磨耗なしに作業するようになっている。

さらに、減衰管２７は弁座２５の下流にシリンダ室３３を有している。シリンダ室３３は、減じられた直径の絞り３４を介して軸方向で、減衰管２７の、軸方向の長手方向孔として形成される減衰室もしくは膨張室３５に接続されている。絞り３４と、絞り３４の上流に接続されたシリンダ室３３とにより、圧力衝撃（Ｄｒｕｃｋｓｔｏｓｓ）は、それが絞り３４の下流で起こり、膨張室３５内で弛緩するように移動させられる。これにより、圧力衝撃による弁閉鎖部材２２の損傷は最小化されることができる。

図５には、燃料電池またはガス機関で使用するための、本発明によるガス弁５０の第２の実施形態が示されている。ガス弁５０はほぼ、図１に示したガス弁に相当する。それゆえ、互いに相当する構成部分には同一の符号を付与した。

ガス弁５０は弁ハウジング１３を有している。弁ハウジング１３内には、実質的に管形に形成された弁プランジャ１７が軸方向で摺動可能に案内されている。弁プランジャ１７はその弁座側の端面に、弁閉鎖部材として役立つ弁プレート５１を有している。弁プレート５１は弁プランジャ１７の管形の領域に、ここでは点溶接されており、エラストマーシールリング５２を介して、平座として形成された弁座２５と協働し、それにより、圧力室２９とシリンダ室もしくは絞り室３３との間のガス流を制御する。

弁プランジャ１７は図１に示した実施形態に応じて半径方向の流出孔２８を有している。流出孔２８はやはり、軸方向で互いにずらされた２列中に、周方向で分配配置されており、弁プランジャ１７の内室と、圧力室２９との間のガス流を保証する。唯一の列の流出孔または２列よりも多くの流出孔を設けることも可能である。

弁プランジャ１７は、弁閉鎖部材５１とは反対側の領域で、例えばここには示されていないものの、図１に示した実施形態に相応するガイド鍔を介して弁ハウジング１３内で案内されている。

弁プランジャ１７は、ガイド鍔に対して軸方向でずらされている第２のガイド手段として板ばね５１を有している。板ばね５１は弁プランジャ１７と弁ハウジング１３との間で緊張されており、弁プランジャ１７の半径方向の流出孔２８の上流に位置する。

図１に示した実施形態の場合と同様に、絞り室３３の下流に絞り３４が配置されている。絞り３４は減衰管２７の減衰室３５に通じる。絞り３４により、ガス弁５０における最大の圧力降下は、弁座２５もしくは弁閉鎖部材５１の下流に配置されている箇所に移動させられている。

ガス弁５０は、弁座２５に、直径Ｄを有する絞り３４の通流面積の６倍に相当する、座直径Ｄ＿Ｓを有する最小の通流面積が存在するように設計されている。絞り３４はほぼその直径Ｄに相当する長さＬ＿Ｄを有している。

複数の流出孔２８は合計でやはり、少なくとも絞り面積の６倍に相当する通流面積を有している。

絞り３４の下流には減衰管２７が接続されている。減衰管２７は、少なくとも絞り直径Ｄの３倍に相当する内径Ｄ＿Ｒと、少なくとも絞り直径Ｄの１０倍に相当する長さＬ＿Ｒとを有している。

弁閉鎖部材５１もしくは弁プランジャ１７は図示の構成では約０．３ｍｍ〜０．４ｍｍのストロークＨを有している。

図５には、弁ハウジング１３と減衰管２７とが一体的に示されている。ただし、実際の使用では、場合によっては減衰管２７を別個の構成部分として形成し、減衰管２７を弁ハウジング１３に結合することが有利である可能性もある。

図６には、弁６０の別の実施形態が示されている。弁６０は、図５に示した弁とは、弁閉鎖部材として、弁プレート６１と一体的に製作された金属シールリング６２を備えた弁プレート６１を有している点で区別される。金属シールリング６２の使用により、ガス弁６０のシール領域での磨耗は減じられている。さらに、エラストマーシール材料の膨張により弁開放時に引き起こされ得るストローク変化も生じ得ない。弁６０はガソリン弁として使用されることもできる。

図７に示されているガス弁７０は実質的に、図５に示したガス弁に相当するが、図５に示したガス弁とは、実質的に円錐形に形成されている絞り室７１を有している点で区別される。その際、円錐角αは６０°〜１２０°にあることができる。絞り室７１の円錐形の構成は、円筒形の絞り室に対して、良好な通流につながることができる。それというのも、いわゆる「後流領域（Ｔｏｔｗａｓｓｅｒｇｅｂｉｅｔ）」が減じられているからである。

図８には、本発明によるガス弁８０の別の実施形態が示されている。ガス弁８０はガス機関で使用するために設計されている。

ガス弁８０は、実質的に中空円筒状の弁ボディ８２と、弁プランジャ８４を収容するための、弁ボディ８２内に配置される、深絞り加工されたガイドブシュ８３とを備えたハウジング８１を有している。弁プランジャ８４は、軸方向で方向付けられた盲孔８５を有しており、コイルばね１８を介して栓体８６に支持されている。栓体８６は管片８７内に挿入されており、管片８７は固くガイドブシュ８３内に組み付けられている。盲孔８５はガス弁８０の流入側１１と連通している。

ガイドブシュ８３を包囲する電磁式の操作ユニット８８により軸方向で摺動可能な弁プランジャ８４は弁閉鎖部材８９を有している。弁閉鎖部材８９はシールリング９０を介して、平座として形成された弁座９１と協働する。弁閉鎖部材８９のシールリング９０は金属からまたはエラストマーからも成ることができる。

弁座９１は、ガイドブシュ８３内に挿入され、弁プレートとして役立つ管片９２の端面に形成されている。弁プレート９２内にはシリンダ孔３３が形成されている。シリンダ孔３３は絞り室を成し、絞り室は絞り３４の上流に接続されている。絞り３４はやはり弛緩室３５に通じる。絞り３４の直径はガス弁８０における最大の体積流量を規定する。

弁閉鎖部材８９はここでは弁プランジャ８４と一体的に製作されている。その結果、弁閉鎖部材８９の溶接は不要である。

さらに、弁プランジャ８４は、高圧ガス室２９を解放する狭窄部もしくは直径縮小部９３を有している。狭窄部もしくは直径縮小部９３の領域に、半径方向の流出孔２８が配置されている。流出孔２８は弁プランジャ８４の軸方向の盲孔８５を高圧ガス室２９に接続する。

高圧ガス室２９を絞り室３３に弁閉鎖部材８９の開放時に接続するために、弁閉鎖部材は、周方向で分配された軸方向の孔９４を有している。弁８０内のガス流は矢印Ｘにより示されている。

弁プランジャ８４は、弁閉鎖部材８９側の領域に、ガイド鍔９５を有している。ガイド鍔９５はガイドブシュ８３の内壁に当て付けられている。

さらに、弁プランジャ８４の傾倒を回避するために、弁プランジャ８４は弁閉鎖部材８９を介してガイドブシュ８３内で案内されている。その際、弁閉鎖部材８９は、ガイド鍔９５よりも若干小さな直径を有している。このことは、ガイドブシュ８３内のガイド面の製作を容易にする。

ガイド鍔９５、弁閉鎖部材８９および／またはガイドブシュ８３に設けられたガイド面は、弁プランジャ８４の運動特性を改善するために、適当な潤滑塗料で被覆されていることができる。潤滑塗料は、ガス弁８０の寿命にわたって不変のすべり特性にも貢献する。

本発明による弁の第１の実施形態の縦断面図である。 図１に示した弁の流出側の拡大図である。 図１に示した弁の弁閉鎖部材の案内部を示す図である。 図１に示した弁の板ばねを示す図である。 本発明により構成された弁の第２の実施形態の抜粋縦断面図である。 本発明による弁の第３の実施形態の、図５に相当する縦断面図である。 本発明による弁の第４の実施形態の、図５に相当する縦断面図である。 ガイドブシュを有する、本発明による弁の第５の実施形態の縦断面図である。

Claims (14)

1. 流体、特にガスを制御するための弁であって、弁ハウジング（１３；８１）と、少なくとも部分的に管形の弁プランジャ（１７；８４）のための操作ユニット（８８）とが設けられており、弁プランジャ（１７，８４）が、軸方向で摺動可能に案内されていて、弁閉鎖部材（２２；５１；６１；８９）を有しており、弁閉鎖部材（２２；５１；６１；８９）により、流入側（１１）と流出側（１２）との間の流体流が制御可能であり、弁閉鎖部材（２２；５１；６１；８９）が弁座（２５；９１）と協働する形式のものにおいて、弁プランジャ（１７；８４）が、弁閉鎖部材（２２；５１；６１；８９）から離れた領域にガイド鍔（３６；９５）を有しており、ガイド鍔（３６；９５）に対してずらされた領域に第２のガイド手段（３１；５２；８９）を有していることを特徴とする、流体を制御するための弁。
2. 第２のガイド手段（３１；５２）が板ばねから形成されている、請求項１記載の弁。
3. 板ばね（３１；５２）が弁閉鎖部材（１７）と弁ハウジング（１３）との間で緊張されている、請求項２記載の弁。
4. 板ばね（５２）が弁プランジャ（１７）の半径方向の流出孔（２８）の上流に配置されている、請求項２または３記載の弁。
5. 板ばね（３１）がリング形に形成されており、流体流のための流れ通路（３２）を有している、請求項２から４までのいずれか１項記載の弁。
6. 第２のガイド手段（８９）が弁閉鎖部材により形成されている、請求項１記載の弁。
7. 弁プランジャ（８４）が、深絞り加工された弁ブシュ（８３）内で案内されており、該弁ブシュ（８３）が弁ハウジング（８１）の構成部分である、請求項１から６までのいずれか１項記載の弁。
8. 弁プランジャ（１７；８４）が、半径方向の流出孔（２８）の領域に狭窄部（２１；９３）を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の弁。
9. 弁座（２５；９１）の下流に絞り（３４）が配置されており、絞り（３４）が、上流に接続された絞り室（３３；７１）と協働する、請求項１から８までのいずれか１項記載の弁。
10. 弁座（２５；９１）が、絞り（３４）の通流面積の２倍〜３倍に相当する通流面積を有している、請求項９記載の弁。
11. 流出孔（２８）の通流面積が少なくとも絞り（３４）の通流面積の数倍に相当する、請求項９または１０記載の弁。
12. 絞り（３４）の下流に減衰管（２７）が接続されている、請求項９から１１までのいずれか１項記載の弁。
13. 減衰管（２７）が、少なくとも絞り（３４）の直径の３倍に相当する内径を有している、請求項１２記載の弁。
14. 減衰管（２７）が、少なくとも絞り（３４）の直径の１０倍に相当する長さを有している、請求項１２または１３記載の弁。

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