JP2013194918A - 改良されたシールシートを備えた比例弁 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス状媒体制御用の比例弁の弁座において、大幅に改良されたシール性を保証する。
【解決手段】少なくとも１つの通流開口を有するノズル体２と、前記通流開口を弁座２１において開閉する閉鎖部材４と、前記弁座２１をシールする弾性的なシール部材とを備え、該シール部材は、内壁領域５１を備えた切欠き５０を有しており、前記内壁領域５１は、比例弁の閉鎖状態において、ガス状媒体の圧力により押圧されているようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガス状媒体、特に水素を制御し、且つ特に燃料電池駆動装置を備えた車両に使用するための比例弁に関する。

車両分野では、液状の燃料だけでなく、将来的にはガス状の燃料が果たす役割も、ますます大きくなる。特に燃料電池駆動装置を備えた車両の場合は、水素ガス流を制御する必要がある。この場合、ガス流は最早、液状の燃料の噴射の場合のように断続的に制御されるのではなく、有利には、所望の駆動出力に関連して弁の開放横断面を適合させる比例弁が使用される。

ガス状の水素の小さな分子サイズに基づき、比例弁のシール性に関しては高度な要求が満たされねばならない。この場合、閉鎖部材の最小の傾斜位置が既に不都合な漏れを招く恐れがある。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０５６２１２号明細書から公知の天然ガス用のガス弁の場合は、可能な限り損失の少ない媒体流を得るために、ノズル体に特殊な幾何学的形状が形成されている。しかしながら、この公知の弁は比例弁として形成されているのではなく、噴射タイミング弁として形成されていて、弁座におけるシール作用の改良に関しては、何ら記載されていない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０５６２１２号明細書

本発明の課題は、公知の欠点を回避することにある。

この課題を解決するために本発明では、少なくとも１つの通流開口を有するノズル体と、前記通流開口を弁座において開閉する閉鎖部材と、前記弁座をシールする弾性的なシール部材とを備え、該シール部材は、内壁領域を備えた切欠きを有しており、前記内壁領域は、比例弁の閉鎖状態において、ガス状媒体の圧力により押圧されているようにした。

請求項１に記載の特徴を備えた、本発明によるガス状媒体制御用の比例弁は、弁座における大幅に改良されたシール性が保証されている、という利点を有している。特に、シール部材の弾性が一般に温度に起因して低い、−４０℃〜０℃の温度範囲において、比例弁のシール性の向上を達成することができる。改良されたシール性は、特に弁座にシール部材がより良好に接触することによって得られる。このために本発明では、弁座をシールする弾性的なシール部材が、切欠きを有している。この切欠きは、シール部材において内壁領域を画定しており、この内壁領域は、比例弁が閉じられた状態において、比例弁の圧力範囲からの圧力により押圧されている。これにより、本発明ではシール部材に作用する、例えば閉鎖ばねによる閉鎖圧力に加えて、制御されるべきガス状媒体の圧力による閉鎖圧力を付加的に提供することができる。これにより、極めて小さな分子サイズを有するガス状の水素の特に効果的なシールが可能である。この弁は、特に燃料電池に水素を供給するために使用される。

本発明の有利な改良は、従属請求項に記載されている。

有利には、シール部材に設けられる切欠きは、止まり穴状の切欠きである。これにより、シール部材においてガス圧が加えられる内壁領域を簡単に提供することができる。

択一的には、シール部材に設けられる切欠きは、貫通切欠きである。有利には、シール部材はリング形に形成されていて、好適には中央に、比例弁の中心軸線に対して同軸的に位置付けされた貫通切欠きを有している。この場合、更に有利には、付加的に更に閉鎖部材が止まり穴状の切欠きを有しており、これにより、シール部材に設けられた貫通切欠きは、更に閉鎖部材の内部に案内される。

特に簡単な構成のために、比例弁は通流開口として、唯一の中央の通流開口を有している。この場合、特に有利には、シール部材に設けられた切欠きは、前記通流開口に対して同軸的に設けられている。

本発明の別の有利な構成では、弁座は環状に突き出たシールリップを有していて、このシールリップは断面で見て円弧状に形成されている。これにより、弁座には、シール部材が特に良好に接触可能であり且つ閉鎖状態において最大限の接触面がシール部材と弁座との間に実現され得る座面が形成される。この場合、有利には環状のシールリップの半径は約０．１ｍｍである。更に、これによりシール時のガス圧の特に良好な支援作用が得られる。

択一的に、弁座は通流開口に至る、丸み付けられた移行部を有していてもよい。

有利には、中央の貫通開口の直径に対するシール部材の切欠きの内径の比は、０．４〜０．８の範囲内であり、特に有利には、約０．６である。

更に有利には、非荷重状態において、それぞれ比例弁の軸方向で見たシール部材の切欠きの深さ：シール部材の厚さの比は、少なくとも２：５であって、有利には４：５である。

更に本発明は、燃料電池と、ガス状の水素を制御するための本発明による比例弁を備えた、燃料電池ユニットに関する。

本発明の１実施形態による比例弁の概略的な断面図である。 図１に示した比例弁の拡大図である。 図１に示した比例弁を閉鎖状態で示した拡大断面図である。 本発明の第２実施形態による比例弁の拡大断面図である。 本発明の第３実施形態による比例弁の拡大断面図である。

以下に、第１実施形態による、ガス状媒体制御用の比例弁１を、図１〜図３につき詳しく説明する。図示の比例弁１は、例えば車両の燃料電池に供給されるガス状の水素の制御に使用される。

図１から判るように、比例弁１は弁ケーシング６を有しており、この弁ケーシング６は、ソレノイドアーマチュア１２と、コイル１３と、ソレノイドアーマチュア１２に結合されたピン１１を備えている。ピン１１には、ばね取付け部１５を介して閉鎖ばね１４が結合されている。符号１６は、閉鎖ばね１４の戻し力を調節するための調節ピンを示すものである。コイル１３を取り囲むようにプラスチックを射出した射出成形部１７が、弁ケーシング６に固定されている。電気的なプラグ接続部１８が、比例弁１の側方に設けられている。ピン１１の、閉鎖ばね１４とは反対側の端部には、閉鎖部材４が配置されている。この閉鎖部材４は、ノズル体２内に形成された、中央の通流開口３を閉鎖する。この場合、通流開口３は比例弁１の中心軸線Ｘ−Ｘに対して同軸的に配置されている。

更に図１から判るように、ノズル体２にはフィルタ１９が設けられており、このフィルタ１９を介してガス状媒体が流れ込む（矢印Ａ）。所定の構成部材において比例弁をシールするために、複数のＯリング２０が設けられている。比例弁が開放されると、ガス状媒体は半径方向に流出する（矢印Ｂ）。

閉鎖部材４には、円形の弾性的なシール部材５が配置されている。この円形のシール部材５は、ノズル体２に設けられた弁座２１において、通流開口３をシールする。弁座２１は、通流開口３の外周をめぐって延在している。図２及び図３から判るように、弁座２１は断面で見て、（曲率）半径Ｒ１を備えた円弧状の形状を有している。半径Ｒ１は約０．１ｍｍである。

更に図２及び図３から判るように、シール部材５は内壁領域５１と底部領域５２を備えた切欠き５０を有している。この切欠き５０は、シール部材５において円筒形に形成されていて、前記中心軸線Ｘ−Ｘに対して同軸的に位置付けされている。この場合、シール部材５は、例えば接着によって閉鎖部材４に結合されている。シール部材５は、中心軸線Ｘ−Ｘの方向に約０．５ｍｍの厚さを有しており、切欠き５０は、０．２ｍｍよりも大きな、本実施例では約０．４ｍｍの深さＴを有している。

弁ケーシング６内には更に、半径方向に延びる流出孔７，８が配置されている。弁が開放されると、閉鎖部材４はシール部材５と共に、ノズル体２に設けられた弁座２１から持ち上がり、閉鎖部材４の行程に相応して、所定の開口横断面を解放する。これにより、ガスは、閉鎖部材４の側方を通って流出孔７，８に流入する。これにより、比較的小さな行程で、より多量のガスが、中央の貫通開口３を介して閉鎖部材４に沿って流出可能である。

比例弁１の閉じた状態を示す図３から判るように、シール部材５は、該シール部材が弁座２１においてシールするように設けられている。この場合、切欠き５０に隣接した角隅領域５３は、断面が円弧状の弁座２１に接触している。弁座２１でのシール部材５によるこのシール作用は、シール部材５の内壁領域５１を押圧するガス状媒体の圧力により支援される。このことは、図３において矢印Ｐにより示されている。これにより、弁座２１の領域でシール部材の変形が生じ、このことは図３に符号５１′で示されている。比較のために、変形されていない内壁領域５１を有するシール部材の形状が破線で示されている。この場合、通流開口３の直径Ｄ２に対する、変形されていない状態での直径Ｄ１の比が０．４〜０．８の範囲になるように、変形されていない内壁領域５１の直径Ｄ１が選択されている。

つまり、本発明では比例弁が閉じられた状態において、ガス状媒体の圧力が弁座２１におけるシール作用を支援するので、弁シールが著しく改良されている。このことは、本発明に基づき切欠き５０を備えたシール部材を適当に形成することにより実現され得、これにより、圧力はシール部材５の内壁領域５１に作用することができるので、シール作用を支援することになる。図３から判るように、これにより特に（断面図で見た）シールラインの長さが著しく伸長される。これにより、リップ状の弁座２１における有効シール面積が増大する。シール部材５の角隅領域５３におけるシール部材の付加的な変形により、シール部材５の弾性が温度に起因して低くなる特に−４０℃〜０℃の低温においても、改良されたシール作用が得られる。

更に、本発明による作用効果は、ガス状媒体の圧力が上昇するにつれて強められる。それというのも、ガス密度の増大に基づく圧力上昇に伴って、比例弁のシール特性に対する要求も増大するからである。したがって、本発明による作用効果は特に有利である。

図４及び図５には、本発明の択一的な実施形態が示されており、この場合、同一の構成部材及び機能的に同一の構成部材には、先行の実施形態と同一の符号が付されている。

図４において、シール部材５の切欠き５０は、貫通切欠きとして形成されている。これにより、ガス状媒体の圧力は、切欠き５０の内壁領域５１において、シール部材の厚さＤ全体にわたって作用する。つまり、図４から判るように、シール部材５は中央の中心貫通切欠きを備えたリング形を有している。

更に付加的に、閉鎖部材４にもう１つの止まり穴状の切欠き４０が設けられている。つまり、この止まり穴状の切欠き４０は、シール部材に形成された切欠き５０を、閉鎖部材４の内部へと延長している。

図５に示した第３実施形態において、シール部材５は、図４に示した第２実施形態と同様に形成されているが、この第３実施形態では、閉鎖部材４に止まり穴状の切欠きは存在していない。

前記の複数の実施形態は、特に燃料電池に対するガス供給に使用される、水素ガス流制御用の比例弁１を示すものである。シール部材５に、比例弁の閉鎖状態において、圧力をかけられた状態のガス状媒体と接続する切欠き５０を形成することにより、弁座２１において改良されたシール作用が達成され得、この改良されたシール作用は、圧力上昇時でも、シール部材における付加的な変形により、やはり密封を維持する。これにより、本発明では特に、燃料電池へのガス供給に使用される、水素ガス流制御用の比例弁１が提供される。本発明による構成は、自動的に上昇するガス状媒体の圧力に適合する、確実なシール作用を可能にする。

１ 比例弁、 ２ ノズル体、 ３ 通流開口、 ４ 閉鎖部材、 ５ シール部材、 ６ 弁ケーシング、 ７，８ 流出孔、 １１ ピン、 １２ ソレノイドアーマチュア、 １３ コイル、 １４ 閉鎖ばね、 １５ ばね取付け部、 １６ 調節ピン、 １７ 射出成形部、 １８ プラグ接続部、 １９ フィルタ、 ２０ Ｏリング、 ２１ 弁座、 ５０ 切欠き、 ５１ 内壁領域、 ５２ 底部領域、 ５３ 角隅領域

Claims (10)

1. ガス状媒体、特に水素を制御するための比例弁であって、
   −少なくとも１つの通流開口（３）を有するノズル体（２）と、
   −前記通流開口（３）を弁座（２１）において開閉する閉鎖部材（４）と、
   −前記弁座（２１）をシールする弾性的なシール部材（５）とを備え、
   −該シール部材（５）は、内壁領域（５１）を備えた切欠き（５０）を有しており、
   −前記内壁領域（５１）は、比例弁の閉鎖状態において、ガス状媒体の圧力により押圧されていることを特徴とする、比例弁。
2. 前記切欠き（５０）は、止まり穴状の切欠きである、請求項１記載の比例弁。
3. 前記切欠き（５０）は、貫通切欠きである、請求項１記載の比例弁。
4. 前記閉鎖部材（４）は、止まり穴状の切欠き（４０）を有している、請求項３記載の比例弁。
5. 前記通流開口（３）として、唯一の中央の通流開口が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の比例弁。
6. 前記シール部材（５）に設けられた切欠き（５０）は、前記通流開口（３）に対して同軸的である、請求項５記載の比例弁。
7. 前記弁座（２１）は、環状に突き出たシールリップを有していて、該シールリップは断面で見て円弧状に形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の比例弁。
8. 前記通流開口（３）の直径（Ｄ２）に対する、非荷重状態での前記シール部材（５）に設けられた切欠き（５０）の内径（Ｄ１）の比は、０．４〜０．８の範囲内である、請求項１から７までのいずれか１項記載の比例弁。
9. 非荷重状態において、前記シール部材（５）に設けられた切欠き（５０）の深さ（Ｔ）：前記シール部材（５）の厚さ（Ｄ）の比は、少なくとも２：５である、請求項１から８までのいずれか１項記載の比例弁。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の、燃料電池への水素供給制御用の比例弁（１）を有する燃料電池ユニット。

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