JP2020526726A - ガス状の媒体を制御するための調量弁およびジェットポンプユニット - Google Patents

Abstract

ガス状の媒体、特に水素を制御するための調量弁（１）であって、弁ハウジング（２）を有していて、該弁ハウジング（２）内に内室（３）が形成されている。前記内室（３）内にストローク運動可能な閉鎖エレメント（１０）が配置されており、該閉鎖エレメント（１０）が少なくとも１つの第１の貫流通路（２５）を開閉するためにバルブシート（３７）と協働するようになっている。さらに、前記調量弁（１）はノズル（１１）を有しており、この場合、少なくとも１つの前記貫流通路（２５）が前記ノズル（１１）内に形成されていて、前記貫流通路（２５）が円筒形の区分を有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃料電池駆動装置を有する車両内に使用するための、ガス状の媒体、特に水素を制御するための調量弁およびジェットポンプユニットに関する。

特許文献１は、ガス状の媒体、特に水素を制御するための調量弁について記載されており、この場合、調量弁は、弁ハウジング、エジェクタユニット、アクチュエータおよび閉鎖エレメントを有している。弁ハウジング内には貫通開口が形成されていて、この貫通開口は、閉鎖エレメントによってバルブシートで開放または閉鎖され得る。エジェクタユニットは、第１のガス状の媒体が圧力下で供給される流入領域と、第２の媒体が接している吸入領域と、混合管領域とを有しており、この混合管領域から第１および第２のガス状の媒体の混合気が流出する。貫通開口は、エジェクタユニットの流入領域と吸入領域との間に配置されている。

調量弁は、この調量弁を使用する際に、燃料電池のアノード回路内にわずかな圧力変動が発生するだけであって、静粛な運転が保証され得るという点で優れている。調量弁の通常運転範囲内で、頻繁な開閉動作が発生する。燃料電池のアノード回路内の洗浄を最適化するためにまたは燃料電池装置内のジェットポンプの最適化された運転のために、追加的な切替え操作が要求されてもよい。しかしながら、特に特許文献１に記載されているような配置構成においては、調量弁の頻繁な開閉は、バルブシートの摩耗およびひいてはバルブシートにおけるシール性の低下を引き起こす。

燃料電池装置内の調量弁およびジェットポンプの摩耗減少およびひいては最適な機能形式は、調量弁とジェットポンプから成る組み合わせの改善された設計によって得られる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０２０１００４３６１８号明細書

これに対して、ガス状の媒体、特に水素を制御するための、本発明による調量弁およびジェットポンプユニットは、ジェットポンプユニット内に調量弁を最適化して組み込んだことによって、バルブシートの公差が改善され、それによってバルブシートのシール性が高められるという利点を有している。

このために、ガス状の媒体、特に水素を制御するための調量弁が、弁ハウジングを有していて、該弁ハウジング内に内室が形成されている。この内室内にストローク運動可能な閉鎖エレメントが配置されていて、この閉鎖エレメントが少なくとも１つの第１の貫流通路を開閉するためにバルブシートと協働するようになっている。さらに、調量弁はノズルを有しており、このノズル内に少なくとも１つの貫流通路が形成されており、この場合、貫流通路が円筒形の区分を有している。

さらに、ジェットポンプユニットは、本発明による調量弁、ジェットポンプハウジング、混合管領域および吸入領域を有している。ジェットポンプハウジングは、調量弁の弁ハウジングとポンプハウジングとを有している。好適な形式で、ポンプハウジング内に調量弁の供給通路が形成されている。貫通孔は少なくとも区分ごとに円錐形に構成されていて、この貫通孔内にノズルおよびバルブシートが受けられている。

ノズルを調量弁内に組み込んだことによって、ガス状の媒体の流れはバルブシートの後でジェットポンプユニット内に直接供給されることが可能である。これによって、調量弁およびジェットポンプユニットの最適化された設計が得られる。さらに、ガス状の媒体の流れが例えば管を介して調量弁とジェットポンプユニットとの間の長い経路を進まなければならない場合に発生する圧力損失が最小化される。さらに、バルブシートにおける可能な公差、特にバルブシートにおけるシール性は、ノズルを調量弁内に組み込むことによって改善され、バルブシートをノズルに直に構成することが実現される。本発明による調量弁をジェットポンプユニット内に組み込むことは、構造的に好適であるだけではなく、ジェットポンプユニットの最適な機能形式にも寄与することが証明される。ノズルは、ジェットポンプユニットの貫通孔内に、このノズルの周りに吸入通路からのガス状の媒体の最適な流れおよび調量弁からのガス状の媒体の最適な流れが発生するように、配置されている。

第１の好適な実施態様では、ノズルが弁ハウジングに接続し、かつこの弁ハウジングに堅固に結合されている。好適な形式で、ノズルは弁ハウジング内に受けられている。これによって、ノズルは構造的に簡単な形式で調量弁内に配置され得る。

本発明の別の実施形態では、好適には、ノズルが縦軸線を有していて、貫流通路がノズル内の中央の孔として構成されている。これによって、調量弁からジェットポンプユニットの貫通孔内へのガス状の媒体の最適な流れが保証される。

好適な実施態様では、ノズルが、つばおよび錐状体を有している。この場合、錐状体は好適には円錐形に構成されている。つばは、簡単な構造的形式で、調量弁内へのノズルの最適な堅固な組み込みを可能にし、この場合、ノズルは錐状体によって最適にジェットポンプユニット内に嵌めこまれる。錐状体の円錐形の構成は、ジェットポンプユニットの貫通孔内でのガス状の媒体の最適な流れを可能にする。

本発明の別の実施形態では、好適には、少なくとも１つの貫流通路の高さが、１００ｍｍより小さく、好適には３０ｍｍより小さく設計されている。バルブシートとノズルの流出開口との間の間隔は、貫流通路内に発生する圧力損失を最小化するために、できるだけ短く設計する必要がある。

別の好適な実施形態では、少なくとも１つの貫流通路の円筒形の区分に円錐形の区分が続いている。好適な形式で、ノズルは、このノズルの流入側の端部に直径ｄを有していて、流出開口に別の直径Ｄを有しており、この場合、Ｄはｄよりも大きい。これにより、ノズルは流出開口にディフューザ領域を有し、これによって貫流通路からジェットポンプユニットの貫通孔へガス状の媒体を最適にもたらすことができる。

本発明の別の実施形態では好適な形式で、ノズルの流入側の端部にバルブシートが形成されている。好適な形式で、ノズルはシールエッジを有しており、このシールエッジに平形弁座としてのバルブシートが構成されている。これによって、調量弁内へのノズルの組み込みが簡単な形式で実現でき、この場合、同時にバルブシートのシール性および機能形式が保証されている。

本発明の別の実施形態では、バルブシートと閉鎖エレメントとの間に弾性的なシールエレメントが配置されている。これによって、調量弁の高いシール性が保証され得る。

以上記載した調量弁は、好適な形式で、燃料電池装置内において燃料電池のアノード領域への水素供給を制御するために適している。利点は、アノード回路内のわずかな圧力変動および静粛な運転である。

ノズルを有する本発明による調量弁の１実施例の縦断面図である。 図１に示した調量弁を有する本発明によるジェットポンプユニットの１実施例の縦断面図である。

図面には、燃料電池への、ガス、特に水素の供給を制御するための、本発明による調量弁およびジェットポンプユニットの実施例が示されている。

同じ機能を有する構成部分には同じ符号が付けられている。

実施例の説明
図１は、本発明による調量弁１の１実施例の縦断面図を示す。調量弁１は、内室３を備えた弁ハウジング２を有している。内室３内には電磁石３９が配置されており、この場合、電磁石３９は、マグネットコイル１６、内極１２、外極１４を有している。さらに、内室３内にストローク運動可能な磁石可動子装置３８が配置されている。磁石可動子装置３８は、磁石可動子６と接続エレメント８とを有しており、この場合、接続エレメント８は磁石可動子６の切欠２９内に受けられていて、それによって例えば溶接継ぎ目または圧着固定によって、磁石可動子６と堅固に結合されている。磁石可動子６はプランジャ形可動子として構成されていて、内極１２内に受けられている。接続エレメント８は、内極１２の切欠内に第１のガイドセクション３１が、また弁ハウジング２の切欠内に第２のガイドセクション３３が受けられ、かつガイドされている。

弁ハウジング２にノズル１１が配置されている。ノズル１１は、つば４７および錐状体４８を有している。ノズル１１のつば４７は、例えば圧着固定によって弁ハウジング２に堅固に結合されている。ノズル１１の錐状体４８は円錐形に構成されていて、この場合、錐状体４８はつば４７の方向に広がっている。

ノズル１１は縦軸線４０を有しており、この縦軸線は調量弁１の縦軸線と同一である。ノズル１１内に中央の孔として貫流通路２５が形成されている。ノズル１１内の貫流通路２５は円筒形の区分５０を有していて、この円筒形の区分５０に円錐形の区分５１が続いている。貫流通路２５は、１００ｍｍより小さい、好適には３０ｍｍより小さい高さｈを有している。ノズル１１は、ノズル１１の流入側の端部１３で円筒形の区分５０内の直径ｄを有している。ノズル１１は、ノズル１１の流出開口１８に別の直径Ｄを有しており、この場合、Ｄはｄよりも大きい。ノズル１１は流出開口１８にディフューザを有している。

弁ハウジング２と内極１２とはばね室３４を画成しており、このばね室は内室３の一部を形成している。ばね室３４内に閉鎖ばね２４が配置されており、この閉鎖ばね２４は、弁ハウジング２と接続エレメント８の皿状の端部１９との間で支えられている。閉鎖ばね２４は、磁石可動子装置３８をノズル１１に向かう方向の力で付勢する。内室３はさらに磁石可動子室３６を有しており、この磁石可動子室３６は、弁ハウジング２と内極１２とスリーブエレメント２０とによって画成されている。スリーブエレメント２０は、溶接継ぎ目７によって内極１２および弁ハウジング２に堅固に接続されており、従って、スリーブエレメント２０はスペーサとして用いられ、磁石可動子室３６をマグネットコイル１６に対してシールするので、ガス状の媒体、ここでは水素がマグネットコイル１６に侵入することはない。

接続エレメント８の皿状の端部１９とは反対側の端部に閉鎖エレメント１０が配置されている。この閉鎖エレメント１０は、例えば溶接継ぎ目または圧着固定によって接続エレメント８と堅固に結合されている。さらに、閉鎖エレメント１０に、ディスク状に構成された弾性的なシールエレメント９が続いていて、このシールエレメント９は閉鎖エレメント１０に堅固に結合されている。

ノズル１１の流入側の端部１３に、平形弁座としてのバルブシート３７が形成されている。この場合、バルブシート３７はノズル１１のシールエッジ１５に形成されている。バルブシート３７は、貫流通路２５を開閉するために閉鎖エレメント１０および弾性的なシールエレメント９と協働する。図１に示されているように、調量弁１の閉鎖位置で、弾性的なシールエレメント９はノズル１１のシールエッジ１５に当接し、ひいてはバルブシート３７に当接している。

磁石可動子室３６内に磁石可動子６が配置されている。ばね室３４および磁石可動子室３６は、第１の接続通路３２によって互いに流体接続されている。

内室３はさらに制御室２７を有しており、この制御室２７内に弾性的なシールエレメント９を備えた閉鎖エレメント１０が配置されている。制御室２７は第２の接続通路３０を介して磁石可動子室３６に接続されている。弁ハウジング２内に、調量弁１の縦軸線４０に対して直角に２つの供給通路２８が形成されており、これによって、内室３をガス状の媒体、例えば水素で満たすことができる。これらの供給通路２８は制御室２７内に開口している。

調量弁１の機能形式
通電されていないマグネットコイル１６において、閉鎖エレメント１０は閉鎖ばね２４を介してバルブシート３７に押し付けられるので、制御室２７と貫流通路２５との間の接続は遮断され、ガスの貫流が行われることはない。

マグネットコイル１６に通電されると、閉鎖ばね２４の閉鎖力に抗する方向の磁力が磁石可動子６に生ぜしめられる。この磁力は接続エレメント８を介して閉鎖エレメント１０に伝達されるので、閉鎖ばね２４の閉鎖力が過剰補償され、閉鎖エレメント１０はバルブシート３７から持ち上がる。制御室２７から貫流通路２５内へのガスの流れが許容されている。

調量弁１はここでは比例弁として構成されているので、閉鎖エレメント１０のストロークは、マグネットコイル１６の電流強さの大きさを介して調節され得る。マグネットコイル１６の電流強さが大きければ大きい程、閉鎖エレメント１０のストロークは大きくなり、調量弁１内のガス貫流量も増大する。何故ならば、閉鎖ばね２４の力はストロークに依存するからである。マグネットコイル１６の電流強さが低下されると、閉鎖エレメント１０のストロークも減少されひいてはガスの流れが絞られる。

マグネットコイル１６の電流が遮断されると、磁石可動子６の磁力が消滅されるので、接続エレメント８による閉鎖エレメント１０に作用する力は低下される。閉鎖エレメント１０は貫流通路２５に向かう方向に移動し、弾性的なシールエレメント９で以ってバルブシート３７をシールする。調量弁１内のガスの流れは中断されている。

本発明による調量弁１は、例えば燃料電池装置内に使用されてよい。この調量弁１によって、タンクから水素が燃料電池のアノード領域に供給され得る。従って、閉鎖エレメント１０のストロークが操作される、調量弁１のマグネットコイル１６の電流強さの大きさに応じて、貫流通路２５の貫流横断面は、燃料電池に供給されたガス流の必要に応じた調節を連続的に行うように、変えられる。

従って、ガス状の媒体を制御するための調量弁１は、この場合、第１のガス状の媒体の供給および燃料電池のアノード領域内への水素の配量を、アノード圧力の制御と同時に貫流通路２５の貫流横断面を電子式に制御して適合させることによって、著しく精確に行うことができる、という利点を有している。これによって、接続された燃料電池の動作信頼性および耐久性が著しく改善される。何故ならば、水素が常に化学量論比を上回る割合で供給されるからである。しかも、結果として生じる損傷、例えば後置された触媒の損傷も防ぐことができる。

図２は、本発明による調量弁１を備えたジェットポンプユニット４６の縦断面図を示す。ジェットポンプユニット４６はジェットポンプハウジング４１を有しており、このジェットポンプハウジング４１は、調量弁１の弁ハウジング２およびポンプハウジング４９を有している。

ポンプハウジング４９内に、貫通孔４２と吸入通路４３と調量弁１の供給通路２８とが形成されている。貫通孔４２内に、吸入領域４４および混合管領域５２が形成されている。調量弁１は、ジェットポンプユニット４６の縦軸線に相当する縦軸線４０に対して同軸的であって、部分的に貫通孔４２内に受けられている。ノズル１１およびバルブシート３７は貫通孔４２内に配置されている。ノズル１１は、このノズル１１が混合管領域５２の前に同軸的に配置されるように、配置されている。さらに、ノズル１１は、吸入領域４４を混合管領域５２に対して遮断する。

貫通孔４２は、少なくとも区分ごとに円錐形に構成されており、従って、流出領域４５において、ガス状の媒体のより大きい貫流横断面が貫通孔４２を通って流れる。

ここでは、貫通孔４２が縦軸線４０に対して同軸的に構成されている。例えば、貫通孔４２は縦軸線４０に対して半径方向に構成されていてもよい。

ジェットポンプユニット４６の機能形式
開放されたまたは部分的に開放された、調量弁１のバルブシート３７において、バルブシート３７を介して調量弁１の供給通路２８からガス状の媒体、水素がタンクからノズル１１内の貫流通路２５内に流れる。この水素は、ノズル１１から出て吸入領域４４内の貫通孔４２内に侵入してから、燃料電池に既に供給されたが使用されておらず吸入通路４３を介してジェットポンプユニット４６内に戻し案内されたガス状の媒体、やはり水素にぶつかる。混合管領域５２内で、ガス状の媒体のパルス交換によって質量流量が吸入領域４４から吸い込まれ、流出領域４６の方向、およびひいては燃料電池のアノード領域の方向に圧送される。貫通孔４２の幾何学形状ならびに調量弁１およびひいてはノズル１１の取り付け角度に応じて、燃料電池に供給されたガス流を必要に応じた調節することができる。

１ 調量弁
２ 弁ハウジング
３ 内室
６ 磁石可動子
７ 溶接継ぎ目
８ 接続エレメント
１０ 閉鎖エレメント
１１ ノズル
１２ 内極
１３ 流入側の端部
１４ 外極
１５ シールエッジ
１６ マグネットコイル
１８ 流出開口
１９ 皿状の端部
２０ スリーブエレメント
２４ 閉鎖ばね
２５ 貫流通路
２７ 制御室
２８ 供給通路
２９ 切欠
３０ 第２の接続通路
３２ 第１の接続通路
３６ 磁石可動子室
３７ バルブシート
３８ 磁石可動子装置
３９ 電磁石
４０ 縦軸線
４１ ジェットポンプハウジング
４２ 貫通孔
４３ 吸入通路
４４ 吸入領域
４５ 流出領域
４６ ジェットポンプユニット
４７ つば
４８ 錐状体
４９ ポンプハウジング
５０ 円筒形の区分
５１ 円錐形の区分
５２ 混合管領域
ｄ 円筒形の区分５０内の直径
Ｄ 別の直径
ｈ 貫流通路２５の高さ

Claims (15)

1. ガス状の媒体、特に水素を制御するための調量弁（１）であって、弁ハウジング（２）を有していて、該弁ハウジング（２）内に内室（３）が形成されており、前記内室（３）内にストローク運動可能な閉鎖エレメント（１０）が配置されていて、前記閉鎖エレメント（１０）が少なくとも１つの第１の貫流通路（２５）を開閉するためにバルブシート（３７）と協働する形式のものにおいて、
   前記調量弁（１）がノズル（１１）を有しており、少なくとも１つの前記貫流通路（２５）が前記ノズル（１１）内に形成されていて、前記貫流通路（２５）が円筒形の区分（５０）を有していることを特徴とする、ガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
2. 前記ノズル（１１）が前記弁ハウジング（２）に接続し、かつ該弁ハウジング（２）に堅固に結合されていることを特徴とする、請求項１記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
3. 前記ノズル（１１）が前記弁ハウジング（２）内に受けられていることを特徴とする、請求項１または２記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
4. 前記ノズル（１１）が縦軸線（４０）を有していて、前記貫流通路（２５）が前記ノズル（１１）内の中央の孔として構成されていることを特徴とする、請求項１，２または３記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
5. 前記ノズル（１１）が、つば（４７）および錐状体（４８）を有しており、前記錐状体（４８）が円錐形に構成されていることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
6. 少なくとも１つの前記貫流通路（２５）の高さｈが、１００ｍｍより小さく、好適には３０ｍｍより小さいことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
7. 少なくとも１つの前記貫流通路（２５）の前記円筒形の区分（５０）に円錐形の区分（５１）が続いていることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
8. 前記ノズル（１１）が、該ノズル（１１）の流入側の端部（１３）に直径ｄを有していて、流出開口（１８）に別の直径Ｄを有しており、この場合、前記Ｄが前記ｄよりも大きいことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
9. 前記ノズル（１１）の流入側の端部（１３）に前記バルブシート（３７）が形成されていることを特徴とする、請求項８記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
10. 前記ノズル（１１）がシールエッジ（１５）を有しており、該シールエッジ（１５）に前記バルブシート（３７）が平形弁座として構成されていることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
11. 前記バルブシート（３７）と前記閉鎖エレメント（１０）との間に弾性的なシールエレメント（９）が配置されていることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載のガス状の媒体を制御するための調量弁（１）。
12. ジェットポンプユニット（４６）であって、請求項１から１１までのいずれか１項記載の調量弁（１）とジェットポンプハウジング（４１）と混合管領域（５２）と吸入領域（４４）とを有しており、前記ジェットポンプハウジング（４１）が、前記調量弁（１）の前記弁ハウジング（２）とポンプハウジング（４９）とを有している、ジェットポンプユニット（４６）。
13. 前記ポンプハウジング（４９）内に前記調量弁（１）の供給通路（２８）が形成されていることを特徴とする、請求項１２記載のジェットポンプユニット（４６）。
14. 前記貫通孔（４２）が少なくとも区分ごとに円錐形に構成されていて、前記貫通孔（４２）内に前記ノズル（１１）および前記バルブシート（３７）が受けられていることを特徴とする、請求項１３記載のジェットポンプユニット（４６）。
15. 燃料電池装置であって、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の燃料電池への水素供給を制御するためのジェットポンプユニット（４６）を有している、燃料電池装置。

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