JP2020532695A - ガス状媒体を制御するための調量装置 - Google Patents

Abstract

内部空間（１８）が形成された弁ハウジング（２）を備えるガス状媒体、特に水素を制御するための調量装置（１）である。内部空間（１８）には、上下運動可能なアーマチュア（１０）が、少なくとも１つの通流開口（３）を開放または閉鎖するために弁座（１４）と協働する弾性シール部材（１２）とともに配置されている。さらに、アーマチュア（１０）にフレーム部材（１１）が配置され、アーマチュアと堅固に接続されており、弾性シール部材（１２）は、接触面（３０）において弾性シール部材（１２）の熱膨張とフレーム部材（１１）の熱膨張とが同じであるように、フレーム部材（１１）の切欠き（２７）に収容されている。フレーム部材（１１）は、調量装置（１）の長手軸（１５）に対して径方向（２０）に、調量装置（１）の長手軸（１５）に対して軸方向（２１）によりも高い熱膨張係数を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、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調量装置に関する。

特許文献１は、ガス状媒体、特に水素を制御するための、ここでは比例弁として形成されている調量装置を記載し、比例弁は、ノズル体と閉鎖部材と弾性シール部材とを備えている。ノズル体には、弁座において閉鎖部材によって開放または閉鎖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。

しかし調量装置において生じる温度変化が弾性シール部材の変形に影響を及ぼす。それにより、閉鎖部材の上下運動（Ｈｕｂｂｅｗｅｇｕｎｇ）を正確に調整できなくなるので調量装置の開放過程が妨げられる可能性がある。

独国特許出願公開第１０２０１２２０４５６５号明細書

これに関して、ガス状媒体、特に水素を制御するための本発明による調量装置は、弾性シール部材の温度依存性にもかかわらず、調量装置の最適な動作が得られるという利点を有する。

そのために、ガス状媒体、特に水素を制御するための調量装置は、内部空間が形成された弁ハウジングを有している。内部空間には、上下運動可能（ｈｕｂｂｅｗｅｇｌｉｃｈ）なアーマチュアが、少なくとも１つの通流開口を開放または閉鎖するために弁座と協働する弾性シール部材とともに配置されている。さらに、アーマチュアにフレーム部材が配置され、アーマチュアと堅固に接続されており、弾性シール部材は、接触面において弾性シール部材の熱膨張とフレーム部材の熱膨張とが同じであるように、フレーム部材の切欠きに収容されており、フレーム部材は、調量装置の長手軸に対して径方向に、調量装置の長手軸に対して軸方向によりも高い熱膨張係数を有する。

それにより、軸方向および径方向の熱膨張の重畳（Ｕｅｂｅｒｌａｇｅｒｕｎｇ）によって、弾性シール部材の軸方向膨張の低下が得られ、それにより弾性シール部材のリフト方向（Ｈｕｂｒｉｃｈｔｕｎｇ）に変化が生じない。そのため弾性シール部材の熱膨張にもかかわらず、調量装置の開放リフト（Ｏｅｆｆｎｕｎｇｓｈｕｂ）の正確な調整が可能であり、そのことにより燃料電池のアノード領域におけるガス状媒体の必要に即した調整が保証されている。

第１の有利な展開形態では、フレーム部材が炭素繊維強化プラスチックから製造されていることが予定されている。それにより、弾性シール部材をフレーム部材に簡単に収容し、接触面においてフレーム部材の熱膨張に適合させることができる。

本発明の別の実施形態では、有利にも、アーマチュアが電磁石によって上下運動可能（ｈｕｂｂｅｗｅｇｂａｒ）であり、閉鎖ばねによって弁座の方向に力が印加されることが予定されている。閉鎖ばねが弁ハウジングとアーマチュアとの間に配置され、電磁石の切欠きに収容されていることが有利である。それにより閉鎖ばねを簡単な組立てで調量装置に配置することができる。

有利な展開形態では、弁座は、弁ハウジングの凸部に平面座として形成されている。平面弁座を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調量装置のシール性を確保することができ、それにより調量装置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、弁ハウジングに通流路が形成されており、この流通路を通じて内部空間にガス状媒体を充填可能であることが予定されている。

上記の調量装置は、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。アノード路におけるわずかな圧力変動および静音運転が有利である。

本発明の第１実施例による、フレーム部材を有する調量装置の縦断面図である。 図１のフレーム部材の横断面図であり、右半分のみが示されている。

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調量装置の実施例が図面に示されている。

図１は、本発明の一実施例による調量装置１の縦断面図を示す。調量装置２は、内部空間１８が形成された弁ハウジング２を有する。内部空間１８にはマグネットコイルハウジング６を有するマグネットコイル５とマグネットコア７とを備える電磁石５０が配置されている。

さらに、内部空間１８には上下運動可能なアーマチュア１０が配置され、アーマチュアにフレーム部材１１が配置され、このアーマチュアと堅固に接続されている。フレーム部材１１において、弾性シール部材１２が切欠き２７に配置されている。弾性シール部材１２は、通流開口３を開閉するための弁座１４と協働する。その際、シール座（Ｄｉｃｈｔｓｉｔｚ）１４は、弁ハウジング２の凸部１６に平面座として形成されている。

弁ハウジング２において、調量装置１の長手軸１５に対して径方向に、通流路４が形成されており、そこを通じて調量装置１の内部空間１８にガス状媒体、例えば水素を充填可能である。ガス状媒体は、通流開口３を介して調量装置１から燃料電池アセンブリのアノード領域の方向に流出することができる。

弁ハウジング２とアーマチュア１０との間でマグネットコア７の切欠き９に閉鎖ばね８が配置されており、閉鎖ばねは、アーマチュア１０に弁座１４の方向に力を印加し、それにより調量装置１が閉位置にあるときに、弾性シール部材１２が弁座１４に押し付けられる。その際、アーマチュア１０は、例えば弁ハウジング２を介して調量装置１に案内されていてもよく、それによりシール座１４に対する傾動が最小化される。

調量装置１の動作は次のとおりである。
マグネットコイル５の非通電時には、弾性シール部材１２が閉鎖ばね８を介して弁座１４に押し付けられ、それにより調量装置１からのガス状媒体が通流開口３の方向に生じない。

磁気コイル５に通電されると、閉鎖ばね８の閉鎖力と逆向きの磁力がアーマチュア１０に向かって生成され、閉鎖力が過補償される。弾性シール部材１２は、弁座１４から持ち上がる。調量装置１を通るガスの流れが解放される。

アーマチュア１０のリフト（Ｈｕｂ）は、マグネットコイル５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８の力がリフトに依存するので、マグネットコイル５の電流強度が高ければ高いほど、アーマチュア１０のリフトがそれだけ大きくなり、調量装置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５の電流強度が低減されると、アーマチュア１０のリフトも低減され、それによりガス流量が絞られる。

マグネットコイル５の電流が遮断されると、アーマチュア１０への磁力が解除される。弾性シール部材１２は、弁座１４の方向に移動し、弁座において再びシールする。調量装置１におけるガスの流れは遮断される。

調量装置１において生じる温度変化は、弾性シール部材１２の熱膨張につながる。それにより、アーマチュア１０のリフトに影響が及ぼされ、このことが不正確なリフト調整につながる可能性がある。フレーム部材１１を使用し、フレーム部材に弾性シール部材１２を収容することによって、この熱膨張を補償することができる。

図２は、図１の本発明による調量装置１の実施例のフレーム部材１１の横断面を示し、右半分のみが示されている。弾性シール部材１２は、フレーム部材１１の切欠き２７に配置されている。その際、弾性シール部材１２は、接触面３０においてフレーム部材１１と堅固に接続されている。

さらに、フレーム部材１１は、径方向２０に、調量装置１の長手軸１５に対して軸方向２１によりも高い熱膨張係数を有する。弾性シール部材１２を、接触面３０を介してフレーム部材１１と堅固に接続することによって、弾性シール部材１２が径方向２４に、フレーム部材１１と同じ熱膨張を有する。それでも弾性シール部材１２が調量装置１の長手軸１５に対して軸方向２５に、径方向２４によりも高い熱膨張係数を有する場合、接触面３０と、それにより生じる弾性シール部材１２の軸方向および径方向の熱膨張の重畳が、長手軸１５に対して軸方向２５に弾性シール部材１２の熱膨張の低減をもたらす。

本発明による調量装置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。調量装置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、弾性シール部材１２のリフトを操作する調量装置１のマグネットコイル５の電流強度の高さに応じて通流開口３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調量装置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３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（ｉｎ ｅｉｎｅｍ ｕｅｂｅｒｓｔｏｅｃｈｉｏｍｅｔｒｉｓｃｈｅｎ 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 調量装置
２ 弁ハウジング
３ 通流開口
４ 通流路
５ マグネットコイル
６ マグネットコイルハウジング
７ マグネットコア
８ 閉鎖ばね
９ 切欠き
１０ アーマチュア
１１ フレーム部材
１２ 弾性シール部材
１４ 弁座
１５ 長手軸
１６ 凸部
１８ 内部空間
２０ 径方向
２１ 軸方向
２４ 径方向
２５ 軸方向
２７ 切欠き
３０ 接触面
５０ 電磁石

Claims (7)

1. 内部空間（１８）が形成された弁ハウジング（２）と、前記弁ハウジング内に配置された上下運動可能なアーマチュア（１０）と、前記アーマチュアに配置され、少なくとも１つの通流開口（３）を開放または閉鎖するために弁座（１４）と協働する弾性シール部材（１２）とを備える、ガス状媒体、特に水素を制御するための調量装置（１）において、前記アーマチュア（１０）にフレーム部材（１１）が配置され、前記アーマチュアと堅固に接続されており、前記弾性シール部材（１２）は、接触面（３０）において前記弾性シール部材（１２）の熱膨張と前記フレーム部材（１１）の熱膨張とが同じであるように、前記フレーム部材（１１）の切欠き（２７）に収容されており、前記フレーム部材（１１）は、前記調量装置（１）の長手軸（１５）に対して径方向（２０）に、前記調量装置（１）の前記長手軸（１５）に対して軸方向（２１）によりも高い熱膨張係数を有することを特徴とする、調量装置。
2. 前記フレーム部材は、炭素繊維強化プラスチックから形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の調量装置（１）。
3. 前記アーマチュア（１０）は、電磁石（５０）によって上下運動可能であり、閉鎖ばね（８）によって前記弁座（１４）の方向に力が印加されることを特徴とする、請求項１または２に記載の調量装置（１）。
4. 前記閉鎖ばね（８）は、前記弁ハウジング（２）と前記アーマチュア（１０）との間に配置され、かつ前記電磁石（５０）の切欠き（９）に収容されていることを特徴とする、請求項３に記載の調量装置（１）。
5. 前記弁座（１４）は、前記弁ハウジング（２）の凸部（１６）に平面座として形成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の調量装置（１）。
6. 前記弁ハウジング（２）に通流路（４）が形成されており、前記通流路を通じて前記内部空間（１８）に前記ガス状媒体を充填可能であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の調量装置（１）。
7. 請求項１〜６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調量装置（１）を備える燃料電池アセンブリ。

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