JP2020523533A - 気体状の媒体を制御するための比例弁 - Google Patents

Abstract

気体状の媒体を、特に水素を制御するための比例弁（１）であって、ノズル体（２０）が構成されたバルブハウジング（２）を有している。バルブハウジング（２）の中に閉止部材（１８）が配置され、閉止部材（１８）はノズル体（２０）に構成された少なくとも１つの通過開口部（２７）を、ノズル体（２０）に構成された弁座（３０）で解放または遮断する。これに加えて閉止部材（１８）は、ノズル体（２０）の中で軸方向の案内部（１６）の中でストローク運動可能なように案内される。【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば燃料電池駆動装置を有する車両で適用するための、気体状の媒体を、特に水素を制御するための比例弁に関する。

車両開発の分野では、気体状の燃料、特に水素が従来の液体燃料に代わる代替案となっている。燃料電池を駆動装置として有する車両では水素ガス流を制御することが必要であり、ガス流は、液体燃料を噴射する場合のように不連続的に制御されるのではなく、たとえば所望の駆動出力に依存して開口断面を適合化する比例弁が利用される。

特許文献１は、気体状の媒体を、特に水素を制御するための比例弁を記載しており、この比例弁はノズル体と、閉止部材と、弾性的なシール部材とを含んでいる。ノズル体には、閉止部材によって弁座で解放または閉鎖をすることができる少なくとも１つの通過開口部が構成されている。弾性的なシール部材がその際に弁座で封止をし、内壁領域を備えた切欠きを有している。この内壁領域は、比例弁が閉じた状態にあるとき、気体状の媒体の圧力によって負荷される。

比例弁は、これが使用されれば燃料電池のアノード経路でわずかな圧力変動しか発生せず、静粛な動作を保証可能であるという特徴がある。比例弁の通常の動作領域では、頻繁な開放プロセスと閉止プロセスが発生する。燃料電池のアノード経路での洗浄プロセスの最適化のために、または燃料電池構造の吸込噴射ポンプの最適化された動作のために、追加の切換プロセスが望ましいこともあり得る。比例弁の頻繁な開放と閉止は、特に特許文献１に示されているような弾性的なシール部材を備える閉止部材が使用される場合、弁座の摩耗につながる。

独国特許出願公開第１０２０１２２０４５６５Ａ１号明細書

それに対して、気体状の媒体を、特に水素を制御するための本発明による比例弁は、比例弁の頻繁な開放プロセスと閉止プロセスがなされるときにも弁座の密閉性が保証され、弁座の摩耗の低減が実現されるという利点を有する。そのためにこの比例弁は、ノズル体が構成されたバルブハウジングを有する。バルブハウジングの中に閉止部材が配置され、閉止部材は、ノズル体に構成された少なくとも１つの通過開口部を、ノズル体に構成される弁座で解放または遮断する。本発明によると、閉止部材はノズル体の中で軸方向の案内部の中でストローク運動可能なように案内される。

弁の密閉性を改善するために、および弁座での摩耗を低減するために閉止部材が案内され、案内部は、弁座が構成されているコンポーネントすなわちノズル体に直接構成されるのが好ましい。それにより、比例弁の最適化された機能形態に加えて、その耐用寿命の向上も実現される。

発明思想の第１の好ましい発展例では、弁座が平坦な弁座として構成されることが意図される。閉止部材と弁座の間に、弁座で封止をする弾性的なシール部材が配置されるのが好ましい。弁座で封止をするための弾性的なシール部材との組み合わせで平坦な弁座が適用されることで、設計上の大きな変更なしに簡単な仕方で比例弁の密閉性を保証することができ、それにより、たとえば水素が比例弁から燃料電池のアノード領域の方向へ誘導されることがない。

別の好ましい実施形態では、バルブハウジングの中に、少なくとも１つの通過開口部を介して相互に接続可能である流入室と流出室が構成される。このようにして、燃料電池のアノード領域の方向に比例弁を通るガス貫流、特に水素ガス貫流を保証することができる。

好ましい発展例では、流入室は閉止部材により第１の流入部分室と第２の流入部分室に分割されることが意図され、第１の流入部分室と第２の流入部分室は閉止部材に構成された長手方向穴を介して相互に接続される。それにより、閉止部材が開いたときに比例弁から燃料電池のアノード領域の方向へのガス貫流、特に水素ガス貫流を実現することができる。

本発明の別の実施形態では、バルブハウジングの中に磁気コイルが内極と外極の間に配置されることが意図されるのが好ましく、内極とバルブハウジングとに収容される磁気アーマチュアが磁気コイルによってストローク運動可能である。磁気アーマチュアは、磁気アーマチュア室の中で第１の結合部材と固定的に結合されるのが好ましく、第１の結合部材は閉止部材と作用結合される。このようにして、磁気コイルが励起されたとき、閉止部材が磁気アーマチュアによって弁座から持ち上げられて、少なくとも１つの通過開口部を解放する。

発明思想の別の好ましい実施形態では、バルブハウジングと内極とがばね室を区切り、このばね室の中に第１のばねが配置され、第１のばねは閉止部材と反対を向くほうの第１の結合部材の端部に支持されるとともに、第１の結合部材と作用結合された磁気アーマチュアを閉止部材の方向に力付勢する。第１のばねは、閉止部材と第１の結合部材との作用結合性を保証し、すなわち、閉止部材の上での第１の結合部材の常時の載置を保証する。

本発明の別の実施形態では、ばね室が第１の通路を介して磁気アーマチュア室と接続されることが意図されるのが好ましい。それにより、ばね室と磁気アーマチュア室の間の圧力補償を成立させることができ、それにより、たとえば別の空気圧の力が第１の結合部材または磁気アーマチュアに対して作用することがなく、そのような力が第１の結合部材と磁気アーマチュアのストロークに影響を及ぼすことがない。

発明思想の好ましい発展例では、内極には通過穴が構成され、第１の結合部材はこの通過穴に収容されて案内される。このようにして、比例弁の高い信頼度の機能形態を、最善の設計スペース利用で保証することができる。

本発明の別の実施形態では、磁気アーマチュア室が第２の通路を介して流入室または流出室と接続されることが意図されるのが好ましい。このことも同じく、磁気アーマチュア室と流入室と流出室の間の圧力補償を可能にし、それにより、磁気アーマチュアのストロークが、磁気アーマチュア室の内部の追加の空気圧の力によって影響を受けることがない。

本発明の好ましい実施形態では、流出室の中に第２の結合部材が配置され、第２の結合部材は閉止部材と作用結合される。流出室の中に第２のばねが配置されるのが好ましく、第２のばねは第２の結合部材およびバルブハウジングに支持される。このように第２のばねは、閉止部材のアライメントに応じて、弁座の密閉性または閉止部材の迅速で効率的な開放をサポートし、このことは比例弁全体の最善の機能形態に寄与する。

記載されている比例弁は、好ましくは燃料電池構造で燃料電池のアノード領域への水素供給を制御するのに適している。

図面には、燃料電池へのガス供給を、特に水素を制御するための本発明による比例弁の実施例が示されている。

案内される閉止部材を有する本発明による比例弁の第１の実施例を示す縦断面図である。 案内される閉止部材を有する本発明による比例弁の第２の実施例を示す縦断面図である。 案内される閉止部材を有する本発明による比例弁の第３の実施例を示す縦断面図である。 図１、図２、または図３の本発明による比例弁を有する燃料電池構造の考えられる実施形態を示す模式図である。

図１は、本発明による比例弁１の第１の実施例を縦断面で示している。この比例弁１は、外極４、内極８、磁気コイル６、およびノズル体２０が中に配置されたバルブハウジング２を有している。内極８には第１の通過穴１７が構成されていて、これを通して第１の結合部材１４が突き出し、第１の結合部材１４は第１の通過穴１７の中で軸方向に案内される。第１の結合部材１４は磁気アーマチュア１０と固定的に結合されており、磁気アーマチュア１０とバルブハウジング２の間に磁気エアギャップ１２が構成されている。

内極８とバルブハウジング２がばね室１９を区切り、その中に第１のばね２６が配置されている。この第１のばね２６は、一方ではバルブハウジング２に支持されるとともに、他方では第１の結合部材１４の皿状の端部１５に支持されて、これをノズル体２０の方向へ力によって付勢する。これに加えて内極８とバルブハウジング２は磁気アーマチュア室２１を区切り、その中に、第１の結合部材１４と固定的に結合された磁気アーマチュア１０が配置されている。ばね室１９と磁気アーマチュア室２１は、第１の通路７を介して相互に接続されている。バルブハウジング２と内極８は、非磁性材料から製作されたスペーサブッシュ部材２８を介して、相互に結合されている。

ノズル体２０はバルブボディ２と固定的に結合されており、ノズル体２０は通過開口部２７を有している。ノズル体２０の切欠き２５の中に、弾性的なシール部材２２を有する閉止部材１８が軸方向の案内部１６の中で案内されている。ノズル体２０には平坦な弁座３０が構成され、これが閉止部材１８の弾性的なシール部材２２と協同作用し、それにより、閉止部材１８が弾性的なシール部材２２とともに平坦な弁座３０の上に載置されたときに通過開口部２７が閉止される。

通過開口部２７が閉止されているとき、バルブボディ２とノズル体２０は流入室３４と境を成し、その中に、バルブボディ２に構成された入口開口部２３を通してガスが、たとえば水素が流れ込むことができる。供給開口部１１を介して、ガスは平坦な弁座３０にまで達する。流入室３４は、第２の通路９を介して、磁気アーマチュア室２１と接続されている。第１の結合部材１４は、バルブボディ２に構成された第２の通過穴２９を通って磁気アーマチュア室２１から流入室３４の中に入り、第２の通過穴２９で軸方向に案内される。さらに、第１の結合部材１４は閉止部材１８のほうを向く端部３３をもって、第１のばね２６のばね力に基づいて閉止部材１８に載り、これと作用結合される。このとき第１の結合部材１４の端部３３は、角度許容差の改善された補償を実現するために、中高に構成されている。

さらに、ノズル体２０とバルブボディ２は流出室３６を区切っていて、その中に第２の結合部材３２と第２のばね２４が配置されている。第２の結合部材３２は１つの端部をもって閉止部材１８と固定的に結合され、第２のばね２４は、一方ではバルブボディ２および他方では第２の結合部材３２の皿状の端部３１に支持されて、第２の結合部材３２に対して閉止部材１８の方向に力を及ぼす。バルブボディ２には流出室３６の領域に出口開口部１３が配置されていて、これを通してガスが流出室３６から、およびこれに伴って比例弁１から、たとえば噴射ポンプ４６（図４参照）の流入領域４４へと流れ出ることができる。

第１の実施例における比例弁１の機能形態
磁気コイル６が通電されていないとき、閉止部材１８は、閉止部材１８に当接する第１の結合部材１４により、第１のばね２６のばね力によって出口開口部１３の方向へ力付勢され、それにより、閉止部材１８は弾性的なシール部材２２をもって平坦な弁座３０に当接する。第２の結合部材３２を介して、閉止部材１８は第２のばね２４のばね力によって磁気アーマチュア１０の方向へ力付勢され、それは、磁気コイル６がオンになったときに平坦な弁座３０からの閉止部材１８の持ち上げプロセスを加速させるためである。したがって、第１のばね２６と第２のばね２４は閉止部材１８に対して反対向きに作用し、弁座３０の密閉性を保証するために、第１のばね２６が第２のばね２４よりも高いばね力を有している。

磁気コイル６が通電されると、第１のばね２６のばね力と反対方向を向く磁力が磁気アーマチュア１０に対して生成される。それにより磁気アーマチュア１０が第１のばね２６の方向へ動き、その結果、磁気アーマチュア１０と固定的に結合された第１の結合部材１４による閉止部材１８に対する力が低減される。弾性的なシール部材２２が第１の結合部材１４の動きに追随して、シール台座３０から持ち上がる。すると通過開口部２７が解放され、それによりガスが流入室３４から供給開口部１１、流出室３６、および出口開口部１３を介して、噴射ポンプ４６（図４参照）の流入領域４４へと流れることができる。

磁気コイル６での電流強さが増大すると、このことは閉止部材１８のさらに大きい開放ストロークをもたらす。なぜならば、第１のばね２６の力がストローク依存的だからである。電流強さが低減すると、閉止部材１８の開放ストロークは縮小される。したがって磁気コイル６での電流強さを変更することで比例弁１のガス貫流を制御することができ、必要性に応じて、たとえば燃料電池５１（図４参照）へ水素が追加調量されるときに、適合化および最適化することができる。

磁気コイル６への通電が終了すると磁力が低下し、それにより再び第１のばね２６のばね力が優位となり、それによって閉止部材１８が磁気アーマチュア１０と結合された第１の結合部材１４により弁座３０の方向へと動き、弾性的なシール部材２２が再び弁座３０で封止をする。このようにして比例弁１のガス貫流が遮断される。ノズル体２０の中での閉止部材１８の軸方向の案内部１６によって、閉止部材１８の径方向への動きが阻止され、それにより閉止部材１８は弁座３０で常に同じ位置を占め、そのようにして不要な摩耗が回避される。

図２は、本発明による比例弁１の第２の実施例を縦断面で示している。同じ機能をもつコンポーネントは図１と同じ符号で表されている。図１の実施例とは異なり、第１の結合部材１４、磁気アーマチュア１０、および閉止部材１８が１つのコンポーネントとして互いに固定的に結合されている。このケースでは、第２の結合部材３２と第２のばね２４が省略される。

さらに第１の結合部材１４は、第１の通過穴１７に収容されて軸方向で案内されるにすぎない。バルブハウジング２の第２の通路９は省略される。第２の通過穴２９も省略される。第２の実施例の原理的な構造と機能形態は、第１の実施例のものに準ずる。閉止部材１８は第１の実施例と同じく、ノズル体２０の切欠き２５の中に収容されて案内される。

図３は、本発明による比例弁１の第３の実施例を縦断面で示している。同じ機能をもつコンポーネントは図１と同じ符号で表されている。図１の実施例とは異なり、比例弁１を通るガス貫流がここでは逆に行われ、それにより流出室３６がここでは流入室３４に相当し、これと逆も成り立つ。同じことが入口開口部２３および出口開口部１３にも当てはまる。さらに、第２の実施例では第２の結合部材３２が省略され、第２のばね２４は閉止部材１８に直接支持される。閉止部材１８はここでも流入室３４の中に配置され、ノズル体２０の軸方向の案内部１６の中で案内される。弾性的なシール部材２２を有する閉止部材１８は、ここでは第２のばね２４を介して平坦な弁座３０に押圧される。さらに閉止部材１８には穴３５が、ここでは長手方向穴が構成されており、これを通して、弁座３０が開いたときにガスが出口開口部１３の方向へ流れることができる。流入室３４は閉止部材１８によって第１の流入部分室３７と第２の流入部分室３８に分割され、これらが穴３５を介して相互に接続されている。

第２の実施例における比例弁１の機能形態
磁気コイル６が通電されていないとき、閉止部材１８は第２のばね２４を通じて弁座３０に押圧され、それにより、流入室３４と流出室３６の間の接続が遮断されてガス貫流が行われない。第１のばね２６は第２のばね２４のばね力と反対向きに作用して、第１の結合部材１４を閉止部材１８に押圧する。第２のばね２４のばね力は、弁座３０での閉止部材１８の密閉性を保証するために、第１のばね２６のばね力よりも大きい。

磁気コイル６が通電されると、磁気アーマチュア１０に対する磁力が閉止部材１８の方向に生成される。この磁力が第１の結合部材１４を介して閉止部材１８に伝達され、それにより、第１のばね２６のばね力によって第２のばね２４が過度に補償されて、閉止部材１８が弁座３０から持ち上げられ、入口開口部２３の方向に動く。比例弁１の流入室３４から長手方向穴３５、通過開口部２７、流出室３６、および出口開口部１３を介して、たとえば噴射ポンプ４６（図４参照）の流入領域４４へのガス貫流が解放される。

閉止部材１８のストロークは、第１の実施例と同じく、磁気コイル６での電流強さの程度を通じて調整することができる。磁気コイル６での電流強さが高いほど、閉止部材１８のストロークは大きくなり、比例弁１でのガス貫流もいっそう大きくなる。なぜならば、第１のばね２６の力はストローク依存的だからである。磁気コイル６での電流強さが低下すると、閉止部材１８のストロークも減少し、そのようにしてガス貫流が絞られる。

磁気コイル６での電流が遮断されると、磁気アーマチュア１０に対する磁力が低下し、それにより磁気アーマチュアが再び第１のばね２６の方向に動き、第１の結合部材１４による閉止部材１８に対する力が低下する。閉止部材１８は第１の結合部材１４の運動に追随し、弾性的なシール部材２２によって弁座３０で封止をする。比例弁１でのガス貫流が遮断され、それにより、たとえば比例弁１から噴射ポンプ４６（図４参照）の流入領域４４へガスが流れることができなくなる。

比例弁１の第２の実施例においても、閉止部材１８は、閉止部材１８の径方向の位置不良を回避するために、軸方向の案内部１６を介してノズル体２０の中で案内される。

図４は、本発明による比例弁１と、接続配管５０を介して燃料電池５１と接続された噴射ポンプ４６とを有する、燃料電池構造１００の考えられる実施形態を示している。燃料電池５１は、アノード領域５２とカソード領域５３とを含んでいる。さらに、燃料電池５１のアノード領域５２を噴射ポンプ４６の吸込領域４５と接続するフィードバック配管５４が設けられている。フィードバック配管５４により、燃料電池５１の作動中にアノード領域５１で発生する、主に水素、窒素、および水蒸気の混合物である第１の気体状の媒体を吸込領域４５へとフィードバックすることができる。フィードバック配管５４には、フィードバック配管５４の中にある第１の気体状の媒体を場合により外部へ放出できるようにするために、遮蔽弁５６を備える水分離器５５が設けられている。フィードバック配管５４で水分離器５５の後に配置されている再循環ポンプ５７が、燃料電池５１で使用されなかった水素を再び噴射ポンプ４６の吸込領域４５へ戻るように案内する。

接続配管５０には、接続配管５０における圧力を検出するための第１の圧力センサ４８が設けられている。さらにフィードバック配管５４には、フィードバック配管５４における圧力を検出するための第２の圧力センサ４９が設けられている。検出された圧力値は、燃料電池５１のアノード領域５２における圧力を制御するために、比例弁１と接続されている制御ユニット４７へ供給される。制御ユニット４７は、比例弁１の磁気コイル６での電流強さの程度を制御し、これによって閉止部材１８のストロークが操作され、それは、燃料電池５１に供給されるガス流の必要に即した調整が連続的に行われるように、通過開口部２７の流動断面を変化させるためである。

タンク３９に蓄えられた第２の気体状の媒体が、ここでは水素が、比例弁１を介して噴射ポンプ４６の流入領域４４へ供給される。流入配管４３には、噴射ポンプ４６の流入領域４４における圧力を調整するために、制御ユニット２０と接続された圧力制御弁４２が設けられている。さらに、圧力制御弁４２とタンク３９の間に第１の遮蔽弁４０が配置され、圧力制御弁４２と比例弁１の間に第２の遮蔽弁４１が配置されている。遮蔽弁４０、４１も、場合によりタンク３９から圧力制御弁への第２の気体状の媒体の流入を、ないしはさらに比例弁１への流入を遮断するために、同じく制御ユニット４７と接続されている。

このように気体状の媒体を制御するための比例弁１は、燃料電池５１のアノード領域５２への第１の気体状の媒体の供給および第２の気体状の媒体の追加調量を、通過開口部２７の流動断面の電子制御式の適合化によって、同時にアノード圧力を制御しながら、格段に正確に行うことができるという利点を有する。それにより、接続されている燃料電池の動作安全性と耐久性が明らかに改善される。なぜならば、水素が常に化学量論比よりも高い割合で供給されるからである。さらに、たとえば後置されている触媒の損傷などの間接的損害も防止することができる。

１ 比例弁
２ バルブハウジング
４ 外極
６ 磁気コイル
７ 第１の通路
８ 内極
９ 第２の通路
１０ 磁気アーマチュア
１４ 第１の結合部材
１６ 案内部
１７ 通過穴
１８ 閉止部材
１９ ばね室
２０ ノズル体
２１ 磁気アーマチュア室
２２ シール部材
２４ 第２のばね
２６ 第１のばね
２７ 通過開口部
３０ 弁座
３２ 第２の結合部材
３４ 流入室
３５ 穴
３６ 流出室
３７ 第１の流入部分室
３８ 第２の流入部分室
１００ 燃料電池構造

Claims (14)

1. 気体状の媒体を、特に水素を制御するための比例弁（１）であって、ノズル体（２０）が構成されたバルブハウジング（２）を有し、前記バルブハウジング（２）の中に閉止部材（１８）が配置され、前記閉止部材（１８）は前記ノズル体（２０）に構成された少なくとも１つの通過開口部（２７）を前記ノズル体（２０）に構成された弁座（３０）で解放または遮断する、そのような比例弁において、前記閉止部材（１８）は前記ノズル体（２０）の中で軸方向の案内部（１６）の中でストローク運動可能なように案内されることを特徴とする比例弁。
2. 前記弁座（３０）は平坦な弁座（３０）として構成されることを特徴とする、請求項１に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
3. 前記閉止部材（１８）と前記弁座（３０）の間に前記弁座（３０）で封止をする弾性的なシール部材（２２）が配置されることを特徴とする、請求項２に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
4. 少なくとも１つの前記通過開口部（２７）を介して相互に接続可能である流入室（３４）と流出室（３６）が前記バルブハウジング（２）の中に構成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
5. 前記流入室（３４）は前記閉止部材（１８）により第１の流入部分室（３７）と第２の流入部分室（３８）に分割され、前記第１の流入部分室（３７）と前記第２の流入部分室（３８）は前記閉止部材（１８）に構成された穴（３５）を介して相互に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
6. 前記バルブハウジング（２）の中に磁気コイル（６）が内極（８）と外極（４）の間で配置され、前記内極（８）と前記バルブハウジング（２）とに収容される磁気アーマチュア（１０）が前記磁気コイル（６）によってストローク運動可能であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
7. 前記磁気アーマチュア（１０）は磁気アーマチュア室（２１）の中で第１の結合部材（１４）と固定的に結合され、前記第１の結合部材（１４）は前記閉止部材（１８）と作用結合されることを特徴とする、請求項６に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
8. 前記バルブハウジング（２）と前記内極（８）はばね室（１９）を区切り、前記ばね室（１９）の中に第１のばね（２６）が配置され、前記第１のばね（２６）は前記閉止部材（１８）と反対を向くほうの前記第１の結合部材（１４）の端部に支持されるとともに、前記第１の結合部材（１４）と作用結合された前記磁気アーマチュア（１０）を前記閉止部材（１８）の方向に力付勢することを特徴とする、請求項７に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
9. 前記ばね室（１９）は第１の通路（７）を介して前記磁気アーマチュア室（２１）と接続されることを特徴とする、請求項８に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
10. 前記内極（８）に第１の通過穴（１７）が構成され、前記第１の結合部材（１４）は前記第１の通過穴（１７）に収容されて案内されることを特徴とする、請求項７に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
11. 前記磁気アーマチュア室（２１）は第２の通路（９）を介して前記流入室（３４）または前記流出室（３６）と接続されることを特徴とする、請求項７に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
12. 前記流出室（３６）の中に第２の結合部材（３２）が配置され、前記第２の結合部材（３２）は前記閉止部材（１８）と作用結合されることを特徴とする、請求項４に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
13. 前記流出室（３６）の中に第２のばね（２４）が配置され、前記第２のばね（２４）は前記第２の結合部材（３２）と前記バルブハウジング（２）に支持されることを特徴とする、請求項１２に記載の気体状の媒体を制御するための比例弁（１）。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載の燃料電池への水素供給を制御するための比例弁（１）を有している燃料電池構造（１００）。

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