JP2020529570A - ガス状媒体を制御するための比例弁 - Google Patents

Abstract

ガス状媒体、特に水素を制御するための比例弁（１）は、少なくとも１つの通流開口（１８）を開閉するための内設された閉鎖部材（１０）が弁座（１９）と協働する弁ハウジング（２）を備えている。さらに、閉鎖部材（１０）と作用結合されたマグネットアーマチュア装置（２５）と、マグネットアーマチュア装置（２５）への磁力を生成可能であり、かつマグネットアーマチュア装置（２５）を比例弁（１）の長手軸（４０）に沿って上下運動させ得る電磁石（２６）とが設けられている。さらに、電磁石（２６）が内側極（１４）と外側極（１３）とマグネットコイル（１２）とを備え、マグネットアーマチュア装置（２５）がマグネットアーマチュア（８）を備えている。弁ハウジング（２）と内側極（１４）とは磁気絞り箇所（２０）を介して磁気的に互いに接続されており、磁気絞り箇所（２０）は、マグネットアーマチュア（８）の軸方向延在領域に形成されている。さらに、内側極（１４）は、切欠き縁（３５）を有する切欠き（２１）を具備している。マグネットアーマチュア（８）の上下運動時にマグネットアーマチュアがこの切欠き（２１）に入り込む。比例弁（１）が閉位置にあるとき、マグネットアーマチュア（８）の端面（３３）が長手軸（４０）に対して切欠き（２１）の切欠き縁（３５）と同じ高さにあり、切欠き縁（３５）は、磁気絞り箇所（２０）の端をなす。【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば燃料電池駆動装置を備える車両に使用するための、ガス状媒体、特に水素を制御するための比例弁に関する。

特許文献１は、ガス状媒体、特に水素を制御するための比例弁を記載し、比例弁は、弁体と閉鎖部材と弾性シール部材とを備えている。弁体には、閉鎖部材によって弁座において開閉することができる少なくとも１つの通流開口が形成されている。その際、弾性シール部材が弁座をシールする。閉鎖部材は、マグネットコアとマグネットコイルとを備える電磁石によって、マグネットアーマチュアを介して上下運動可能（ｈｕｂｂｅｗｅｇｂａｒ）であり、ばねによって弁座の方向に閉鎖部材に力が印加される。

比例弁の通常の運転範囲内で開閉過程が頻繁に生じる。そのために電磁石により生成される磁力によって閉鎖部材の上下運動（Ｈｕｂｂｅｗｅｇｕｎｇ）が行われる。最適な磁束のために、公知の比例弁では、弁体とマグネットコアとが非磁性スリーブを介して接続されている。しかしこのことにより弁体内のマグネットアーマチュアの案内公差が大きくなり、そのことがマグネットアーマチュアの、そしてさらには閉鎖部材の摩耗につながる。

独国特許出願公開第１０２０１２２０４５６５号明細書

これに対して、ガス状媒体、特に水素を制御するための本発明による比例弁は、弁体とマグネットコアとが一体に形成され、これらの２つの構成要素の接続箇所が比例弁の最適な機能が得られるように形成されているという利点を有する。

このためにガス状媒体、特に水素を制御するための比例弁は、少なくとも１つの通流開口を開閉するための内設された閉鎖部材が弁座と協働する弁ハウジングを有する。さらに、閉鎖部材と作用結合されたマグネットアーマチュア装置と、マグネットアーマチュア装置への磁力を生成可能であり、かつマグネットアーマチュア装置を比例弁の長手軸に沿って上下運動させ得る電磁石とが設けられている。電磁石は内側極と外側極とマグネットコイルとを備え、マグネットアーマチュア装置はマグネットアーマチュアを備える。弁ハウジングと内側極とは磁気絞り箇所を介して磁気的に互いに接続されており、磁気絞り箇所はマグネットアーマチュアの軸方向延在領域に形成されている。さらに、内側極は、切欠き縁を有する切欠きを具備し、マグネットアーマチュアの上下運動時にマグネットアーマチュアがこの切欠きに入り込む。比例弁が閉位置にあるとき、マグネットアーマチュアの端面は、長手軸に対して切欠きの切欠き縁と同じ高さにある。切欠き縁は、磁気絞り箇所の端をなす。

弁ハウジングと内側極とは磁気絞り箇所を介して磁気的に、しかし機械的にも互いに接続されている。２つの構成要素が一体に形成されていることによって、非磁性スリーブの使用が省略され、それにより比例弁における、例えばマグネットアーマチュアなどの個々の構成要素の摩耗が低減され、比例弁のシール性が全体として向上する。さらに、磁気絞り箇所は、比例弁の動作を最適化するように形成されている。したがって、水素質量流量の必要に応じて、マグネットアーマチュアの任意のリフト（Ｈｕｂ）を実行できるように、内側極および弁ハウジングと磁気絞り箇所とにおける磁場線の向きに影響を及ぼすことができる。

本発明の第１の有利な実施形態では、磁気絞り箇所が薄壁の円筒状ウェブを備えることが予定されている。磁気絞り箇所が、ウェブおよびマグネットアーマチュアと一緒にリング溝を形成する円錐形領域を備えることが有利である。それにより薄壁の円筒状ウェブにおける漏れ磁束（ｍａｇｎｅｔｉｓｃｈｅｒ Ｓｔｒｅｕｆｌｕｓｓ）がわずかになり、それによりウェブを通る磁束がマグネットアーマチュアのリフトに対してごくわずかな影響しか及ぼさない。それにより比例弁の正確な制御が可能である。

有利な展開形態では、ウェブとマグネットコイルとは弁ハウジングにおいて中空空間を区画する。このことは、比例弁の設計上簡単な構造形式に寄与する。薄壁の円筒状ウェブは、小さい径方向磁極面しか形成されないため、ウェブにおける磁場線のマグネットアーマチュアの方向の漏れ磁束を少なくすることを容易にし、それによりマグネットアーマチュアのリフトにほとんど影響がない。

本発明の別の実施形態では、有利にも、マグネットアーマチュア装置が弁ハウジングまたは内側極内で第１ガイド区分および第２ガイド区分において案内されていることが予定されている。第１ガイド区分に第１軸受ブッシュが配置されており、マグネットアーマチュア装置によって包囲される接続部材が第１軸受ブッシュに収容および案内されていることが有利である。第２ガイド区分に第２軸受ブッシュが配置されており、マグネットアーマチュアが第２軸受ブッシュに収容および案内されていてもよいことが同様に有利である。

それにより、マグネットアーマチュア装置は、弁座に対する径方向の傾動が最小化され、かつそれにより比例弁の最適なシール性が得られるように、弁ハウジングにおいて径方向に配置されている。

本発明の別の実施形態では、有利にも、第２ガイド区分に第２軸受ブッシュが配置されており、接続部材がピストン形区分（ｋｏｌｂｅｎｆｏｅｒｍｉｇｅｒ Ａｂｓｃｈｎｉｔｔ）で第２軸受ブッシュに収容および案内されていることが予定されている。接続部材、特にピストン形区分は、高い機械的強度を有する材料から製造されていることが有利である。それにより、マグネットアーマチュア装置の接続部材に接して案内が行われる場合に、マグネットアーマチュア装置の径方向の傾動が最小化され、かつマグネットアーマチュアの摩耗も低減される。さらにその場合、このことを、例えば高い機械的強度を有する材料の選定など機械的条件に適合させることができる。

有利な展開形態では、閉鎖部材と弁座との間に弾性シール部材が配置されていることが予定されている。弁座は平面座として形成されていることが有利である。平面弁座を弁座におけるシールのための弾性シール部材と組み合わせて使用することによって、簡単に、かつ大きな設計上の変更なしに比例弁のシール性を確保することができ、それにより比例弁から例えば水素が流出し得ない。

本発明の別の実施形態では、有利にも、弁ハウジング内に閉鎖ばねが配置されており、閉鎖ばねは、マグネットアーマチュア装置の接続部材と弁ハウジングとの間に支持され、弁座の方向にマグネットアーマチュア装置に力を印加することが予定されている。したがって閉鎖ばねは、弁座上への弾性シール部材の着座を保証し、それにより調量装置の最適なシール性が得られる。

本発明の別の実施形態では、弁ハウジングには、内側極または弁ハウジングによってばね空間とマグネットアーマチュア空間とに分割されている内部空間がある。弁ハウジングにおいて、比例弁の長手軸に対して径方向に流入通路が形成されており、流入通路を介して比例弁にガス状媒体、殊に水素が流入できることが有利である。それにより簡単な、かつ設計上コンパクトな構造形式が容易に得られる。

上記の比例弁は、殊に燃料電池アセンブリにおいて、燃料電池のアノード領域への水素供給を制御するのに適している。

本発明の第１実施例による比例弁の縦断面図である。 本発明の第２実施例による比例弁の縦断面図である。 本発明の第３実施例による比例弁の縦断面図である。

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

図１は、本発明の第１実施例による比例弁１の縦断面図を示す。比例弁１は、内部空間３を有する弁ハウジング２を具備している。内部空間３にはマグネットコイル１２と内側極１４と外側極１３とを備える電磁石２６が配置されている。

さらに、内部空間３には上下運動可能なマグネットアーマチュア装置２５が配置されている。マグネットアーマチュア装置２５は、マグネットアーマチュア８と、マグネットアーマチュア８の切欠き３６に収容され、それにより例えば溶接シームによって、または圧締によってマグネットアーマチュア８と堅固に接続されている接続部材９とを備える。マグネットアーマチュア８は、プランジャ形アーマチュア（Ｔａｕｃｈａｎｋｅｒ）として形成され、内側極１４に収容されている。内側極１４は、切欠き縁３５を有する切欠き２１を具備し、マグネットアーマチュア８の上下運動時にマグネットアーマチュアがこの切欠きに入り込む。比例弁１が閉位置にあるとき、マグネットアーマチュア８の端面３３は、比例弁１の長手軸４０に対して高さＨに、かつ切欠き２１の切欠き縁３５と同じ高さにある。マグネットアーマチュア８の上下運動時に、マグネットアーマチュアは切欠き２１に直接収容される。

内側極１４において、切欠き３４に第１軸受ブッシュ６０が配置されており、接続部材９は、内側極１４の第１ガイド区分６において第１軸受ブッシュに収容および案内されている。さらに、弁ハウジング２に第２軸受ブッシュ７０が配置され、この第２軸受ブッシュにマグネットアーマチュア８が収容および案内されている。

接続部材９は、一端で閉鎖部材１０と堅固に接続されている。閉鎖部材１０は、接続部材９から離反した端に弾性シール部材１１を有している。

弁ハウジング２がノズル体１５を備え、ノズル体は通流開口１８を有し、それによって流入領域２８を流出領域２９と接続可能である。ノズル体１５には平面弁座１９が形成されており、この弁座は閉鎖部材１０の弾性シール部材１１と協働し、それにより閉鎖部材１０が弾性シール部材１１で平面弁座１９上に載った場合に通流開口１８が閉鎖される。

内側極１４には内部空間３の一部をなすばね空間３０が形成されている。ばね空間３０には閉鎖ばね４が配置されており、この閉鎖ばねは、内側極１４と接続部材９の皿形の端５との間に支持されている。閉鎖ばね４は、弁座１９の方向にマグネットアーマチュア装置２５に力を印加する。

さらに、内部空間３はマグネットアーマチュア空間３００を備え、このマグネットアーマチュア空間にマグネットアーマチュア８が配置されている。マグネットアーマチュア空間３００は、連絡通路１６を介してばね空間３０と接続されている。マグネットアーマチュア８は、閉鎖部材１０の方を向いた端で流入領域２８に隣接し、比例弁１の長手軸４０に対して径方向に配置された流入通路１７を介して流入領域にガス状媒体、例えば水素を充填可能である。

弁ハウジング２と内側極１４とは、磁気絞り箇所２０を介して磁気的および機械的に互いに接続されている。これらを一体に形成できることが有利である。磁気絞り箇所２０は、薄壁の円筒状ウェブ２０１と円錐形領域２０２とを備え、それによってマグネットアーマチュア空間３００にリング溝３０２が形成されている。薄壁の円筒状ウェブ２０１は、０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ、殊に０．３ｍｍ〜０．３５ｍｍの壁厚を有している。したがって、可能な限り薄壁の円筒状ウェブ２０１が可能にされ、それと同時に弁ハウジング２または内側極１４の安定性が保証されている。磁気絞り箇所２０は、高さＨにおける切欠き２１の切欠き縁３５から、マグネットアーマチュア８に沿って長手軸４０に対して閉鎖部材１０の方向に高さｈまで延在する。

比例弁１の動作
マグネットコイル１２の非通電時には、閉鎖部材１０が閉鎖ばね４を介して弁座１９に押し付けられ、それにより流入領域２８と流出領域２９との接続が遮断され、ガスの流れは生じない。

マグネットコイル１２に通電されると、閉鎖ばね４の閉鎖力と逆向きの磁力がマグネットアーマチュア８に向かって生成される。この磁力が接続部材９を介して閉鎖部材１０に伝達され、それにより閉鎖ばね４の閉鎖力が過補償され（ｕｅｂｅｒｋｏｍｐｅｎｓｉｅｒｔ）、閉鎖部材１０が弁座１９から持ち上がる。比例弁１を通るガスの流れが解放される。

閉鎖部材１０のリフトは、マグネットコイル１２の電流強度の高さにより調整することができる。閉鎖ばね４の力がリフトに依存するので、マグネットコイル１２の電流強度が高ければ高いほど、閉鎖部材１０のリフトがそれだけ大きくなり、比例弁１におけるガス流量もそれだけ大きくなる。マグネットコイル１２の電流強度が低減されると、閉鎖部材１０のリフトも低減され、それによりガス流量が絞られる。

磁気絞り箇所２０における磁場線に由来する漏れ磁束がわずかであり、それによりこのことはマグネットアーマチュア８の上下運動にほとんど影響を及ぼさない。マグネットアーマチュア８が内側極１４の切欠き２１に入り込むと、内側極１４または弁ハウジング２における磁場線の漏れ磁束が増加し、それによりマグネットアーマチュア８への磁気的な影響が大きくなる。それによってマグネットアーマチュア８のリフト高さ（Ｈｕｂｈｏｅｈｅ）を可変に調整することができる。

マグネットコイル１２の電流が遮断されると、マグネットアーマチュア８への磁力が解除され、それにより接続部材９による閉鎖部材１０への力が低減される。閉鎖部材１０は通流開口１８の方向に移動し、弾性シール部材１１により弁座１９においてシールする。比例弁１におけるガスの流れは遮断される。

図２は、本発明の別の実施例による比例弁１の縦断面図を示す。同じ機能の部品には同じ参照符号が付されている。図１と比較して、この実施例では薄壁の円筒状ウェブ２０１がマグネットコイル１２と一緒に中空空間３０１を区画するように形成されている。中空空間３０１は、横断面が矩形に形成されている。

図２に示された実施例の残りの構造および動作は図１の実施例に相当する。

図３は、本発明の別の実施例による比例弁１の縦断面図を示す。同じ機能の部品には同じ参照符号が付されている。図１と比較して、ここでは、マグネットアーマチュア８の代わりに接続部材９のピストン形区分２３が第２軸受ブッシュ７０に収容および案内されている。その際、接続部材９は、高い機械的強度を有する材料から製造されている。

本発明による比例弁１は、例えば燃料電池アセンブリに使用することができる。比例弁１によって、燃料電池のアノード領域にタンクからの水素を供給することができる。したがって、燃料電池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、閉鎖部材１０のリフトを操作する比例弁１のマグネットコイル１２の電流強度の高さに応じて通流開口１８の流れ断面が変化する。

したがって、ガス状媒体を制御するための比例弁１は、第１ガス状媒体の供給と、燃料電池のアノード領域への水素の調量供給（Ｚｕｄｏｓｉｅｒｕｎｇ）とを、通流開口１８の流れ断面を電子的に制御して適合させ、同時にアノード圧力を制御した場合にはるかに正確に行うことができるという利点を有する。これによって、連結された燃料電池の運転安全性および耐久性が著しく向上する。なぜなら水素が常に化学量論的に過剰な割合で（ｕｅｂｅｒｓｔｏｅｃｈｉｏｍｅｔｒｉｓｃｈｅｒ Ａｎｔｅｉｌ）供給されるからである。これに加えて、例えば後置された触媒の損傷など、結果として生じる損害も防ぐことができる。

１ 比例弁
２ 弁ハウジング
３ 内部空間
４ 閉鎖ばね
５ 端
６ 第１ガイド区分
７ 第２ガイド区分
８ マグネットアーマチュア
９ 接続部材
１０ 閉鎖部材
１１ 弾性シール部材
１２ マグネットコイル
１３ 外側極
１４ 内側極
１５ ノズル体
１６ 連絡通路
１７ 流入通路
１８ 通流開口
１９ 弁座
２０ 磁気絞り箇所
２１ 切欠き
２３ ピストン形区分
２５ マグネットアーマチュア装置
２６ 電磁石
２８ 流入領域
２９ 流出領域
３０ ばね空間
３３ 端面
３５ 切欠き縁
３６ 切欠き
４０ 長手軸
６０ 第１軸受ブッシュ
７０ 第２軸受ブッシュ
２０１ 円筒状ウェブ
２０２ 円錐形領域
３００ マグネットアーマチュア空間
３０１ 中空空間
３０２ リング溝

Claims (13)

1. ガス状媒体、特に水素を制御するための比例弁（１）であって、少なくとも１つの通流開口（１８）を開閉するための内設された閉鎖部材（１０）が弁座（１９）と協働する弁ハウジング（２）と、前記閉鎖部材（１０）と作用結合されたマグネットアーマチュア装置（２５）と、前記マグネットアーマチュア装置（２５）への磁力を生成可能であり、かつ前記マグネットアーマチュア装置（２５）を前記比例弁（１）の長手軸（４０）に沿って上下運動させ得る電磁石（２６）と、を備え、前記電磁石（２６）が内側極（１４）と外側極（１３）とマグネットコイル（１２）とを備え、前記マグネットアーマチュア装置（２５）がマグネットアーマチュア（８）を備え、前記弁ハウジング（２）と前記内側極（１４）とが磁気絞り箇所（２０）を介して磁気的に互いに接続されており、前記磁気絞り箇所（２０）が前記マグネットアーマチュア（８）の軸方向延在領域に形成されている、比例弁において、前記内側極（１４）は、切欠き縁（３５）を有する切欠き（２１）を具備し、前記マグネットアーマチュア（８）の上下運動時に前記マグネットアーマチュアが前記切欠き（２１）に入り込み、前記比例弁（１）が閉位置にあるとき、前記マグネットアーマチュア（８）の端面（３３）が前記長手軸（４０）に対して前記切欠き（２１）の前記切欠き縁（３５）と同じ高さにあり、前記切欠き縁（３５）は、前記磁気絞り箇所（２０）の端をなすことを特徴とする、比例弁。
2. 前記磁気絞り箇所（２０）は、薄壁の円筒状ウェブ（２０１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
3. 前記磁気絞り箇所（２０）は、前記ウェブ（２０１）および前記マグネットアーマチュア（８）と一緒にリング溝（３０２）を形成する円錐形領域（２０２）を備えることを特徴とする、請求項２に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
4. 前記ウェブ（２０１）と前記マグネットコイル（１２）とは前記弁ハウジング（２）において中空空間（３０１）を区画することを特徴とする、請求項２に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
5. 前記マグネットアーマチュア装置（２５）は、前記弁ハウジング（２）または前記内側極（１４）内で第１ガイド区分（６）および第２ガイド区分（７）において案内されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
6. 前記第１ガイド区分（６）に第１軸受ブッシュ（６０）が配置されており、前記マグネットアーマチュア装置（９）によって包囲される接続部材（９）が前記第１軸受ブッシュに収容および案内されていることを特徴とする、請求項５に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
7. 前記第２ガイド区分（７）に第２軸受ブッシュ（７０）が配置されており、前記マグネットアーマチュア（８）または前記接続部材（９）がピストン形区分（２３）で前記第２軸受ブッシュに収容および案内されていることを特徴とする、請求項５または６に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
8. 前記接続部材（９）、特に前記ピストン形区分（２３）は、高い機械的強度を有する材料から製造されていることを特徴とする、請求項７に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
9. 前記閉鎖部材（１０）と前記弁座（１９）との間に弾性シール部材（１１）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
10. 前記弁ハウジング（２）内に閉鎖ばね（４）が配置されており、前記閉鎖ばねは、前記マグネットアーマチュア装置（２５）の前記接続部材（９）と前記弁ハウジング（２）との間に支持され、前記弁座（１９）の方向に前記マグネットアーマチュア装置（２５）に力を印加することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
11. 前記弁ハウジング（２）には、前記内側極（１４）または前記弁ハウジング（２）によってばね空間（３０）とマグネットアーマチュア空間（３００）とに分割されている内部空間（３）があることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
12. 前記弁ハウジング（２）において、前記比例弁（１）の前記長手軸（４０）に対して径方向に流入通路（１７）が形成されており、前記流入通路を介して前記比例弁（１）にガス状媒体、殊に水素が流入できることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のガス状媒体を制御するための比例弁（１）。
13. 請求項１〜１２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）を備える燃料電池アセンブリ。

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