JP2021501292A - 気体状の媒体を制御するための調量弁 - Google Patents

Abstract

バルブハウジング（１２）を有する、気体状の媒体を、特に水素を制御するための調量弁（１００）であって、流入領域（７）から通過開口部（２１）への開口部断面を開放および閉止するために弁座（４）と協同作用する長手方向に可動の平坦な閉止部材（２）がバルブハウジング（１２）の中に配置される。弁座（４）は、バルブハウジング（１２）に収容されてこれと固定的に結合されたノズル（１）の、閉止部材（１０）のほうを向いている着座面（１ａ）にある周回するシールエッジ（２０）として構成される。さらに、ノズル（１）の着座面（１ａ）はテーパ状に構成され、閉止部材（２）は調量弁（１００）が閉じた位置にあるときに周回するシールエッジ（２０）に接して径方向の突出部（１９）を有する。径方向の突出部（１９）は閉止部材（２）の最大の傾斜位置を着座面（１ａ）の上で制限し、テーパ状の着座面（１ａ）の開口角βは１７２°から１７８°の間の値範囲にある。【選択図】 図２

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調量弁に関する。

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として構成された調量弁を記載しており、この比例弁は、ノズル本体と、閉止部材と、弾性的なシール部材とを含んでいる。ノズル本体には、閉止部材によって弁座で解放または閉止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は弁座で封止をする。

特に燃料電池システムのアノード領域の比例弁として適用するときの比例弁の通常の動作では、頻繁な開放プロセスと閉止プロセスが生じる。燃料電池のアノード経路での洗浄プロセスを最適化するために、または燃料電池構造での吸引ジェットポンプの最善の動作のために、追加の切換プロセスも望まれる場合があり得る。しかし比例弁の頻繁な開放と閉止は弁座での摩耗や、弁座に対する閉止部材の傾動をもたらす。閉止部材と弁座の間で角度許容差が発生し得るからである。このことは、ひいては比例弁全体の密閉性に対してマイナスの影響を及ぼす。

独国特許出願公開第１０２０１２２０４５６５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調量弁は、調量弁の頻繁な開放プロセスと閉止プロセスにもかかわらず、弁座での密閉性が保証されるという利点を有する。

そのために、気体状の媒体を、特に水素を制御するための調量弁は、流入領域から通過開口部への開口部断面を開放および閉止するために弁座と協同作用する長手方向に可動の平坦な閉止部材が中に配置されたバルブハウジングを有する。弁座は、バルブハウジングに収容されてこれと固定的に結合されたノズルの、閉止部材のほうを向いている着座面にある周回するシールエッジとして構成される。これに加えてノズルの着座面はテーパ状に構成されており、閉止部材は調量弁が閉じた位置にあるときに周回するシールエッジに接して径方向の突出部を有する。径方向の突出部は、閉止部材が最大に形成された傾斜姿勢にあるときノズルの着座面の上で閉止部材の最大の傾斜位置を制限し、テーパ状の着座面の開口角βは１７２°から１７８°の間の値範囲にある。

本発明に基づく調量弁により、下降していく着座面によって、弁座と閉止部材の間の角度誤差にもかかわらず均等な力分布が閉止部材で生成され、このことは、ひいてはいっそう高い密閉性につながる。

第１の好ましい発展例では、径方向の突出部は周回するシールエッジの中央から閉止部材の外側の周回エッジまで延び、０．２ｍｍから２ｍｍの、好ましくは０．５ｍｍから１ｍｍの幅Ｘを有することが意図される。ノズルの周回するシールエッジは０．０４ｍｍから０．２ｍｍの間の、好ましくは０．１ｍｍの高さＲを有するのが好ましい。このようにしてシールエッジが、弁座と閉止部材の間に配置された弾性的なシール部材の中へ低い力で入り込むことができるという利点があり、それにより、閉止部材と、ノズルの着座面への径方向の突出部の載置面とに追加的な傾き位置が生じたときに、弁座での高い密閉性およびそれによる調量弁の最善の機能形態が保証される。

本発明の別の実施形態では、閉止部材が電磁石によって、および閉止部材と作用接続された磁気アーマチュアによって長手方向に可動であることが意図されるのが好ましい。このようにして、気体状の媒体を調量弁によって制御可能である。

好ましい発展例では、調量弁の長軸に対して径方向に流入通路がバルブハウジングに構成され、該流入通路によって調量弁の流入領域を気体状の媒体で充填可能であることが意図される。

記載されている調量弁は比例弁として構成されるのが好ましく、特に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。その利点は、アノード経路での少ない圧力変動と静粛な動作である。

図面には、燃料電池への特に水素のガス供給を制御するための本発明による調量弁の実施例が示されている。図面は次のものを示す。

本発明による調量弁の実施例を示す縦断面図である。 図１の本発明による調量弁を弁座の領域で縦断面図として示す拡大部分図である。 図１の本発明による調量弁を、弁座で閉止部材が傾いたときに弁座の領域で縦断面図として示す拡大部分図である。

機能が同じコンポーネントは同一の符号で表されている。

図１は、本発明による調量弁１００の実施例を縦断面図で示している。この調量弁１００は、内部空間２６が中に構成されたバルブハウジング１２を有している。内部空間２６の中に、磁気コイル１３と内極１０と外極１１とを含む電磁石１３０が配置されている。内極１０は、非磁性材料からなるスペーサブッシュ部材１４を介してバルブハウジング１２と結合されている。

さらに、内部空間１２で取り囲まれるアーマチュア空間９の中に、ピン状の部材５を有するストローク運動可能な磁気アーマチュア６が配置されており、ピン状の部材５は磁気アーマチュア６と固定的に結合されるとともに、内極１０の切欠き２７にもバルブハウジング１２の切欠き２８にも収容、案内されている。磁気アーマチュア６はプランジャ型アーマチュアとして構成され、ストローク運動をするときに内極１０の切欠き２２に収容される。

バルブハウジング１２と内極１０がばね空間８を区切っており、該ばね空間の中に、磁気アーマチュア６のピン状の部材５の皿状の端部１６が突入している。ピン状の部材５の皿状の端部１６に閉止ばね１５が支持されていて、該閉止ばねにより磁気アーマチュア６がピン状の部材５とともに初期応力をかけられる。閉止ばね１５と反対を向くほうのピン状の部材５の端部は、平坦な閉止部材２と固定的に結合されている。閉止部材２はピン状の端部５と反対を向くほうの端部に弾性的なシール部材３を有しており、調量弁１００の流入領域７に配置されている。ばね空間８とアーマチュア空間９は第１の接続通路２４を介して、およびアーマチュア空間９と流入領域７は第２の接続通路２５を介して、それぞれ互いに流体接続されている。

調量弁１００の長軸１８に対して径方向に流入通路３１が構成されていて、該流入通路によって調量弁１００の流入領域７を気体状の媒体で充填可能である。流入領域７はバルブハウジング１２のほかにノズル１によっても区切られており、該ノズルに通過開口部２１が構成されている。弾性的なシール部材３のほうを向く、調量弁１００の長軸１８に対して径方向にテーパ状であるノズル１の着座面１ａに周回するシールエッジ２０が構成されていて、これに弁座４が構成されている。周回するシールエッジ２０は、軸方向に０．０４ｍｍから０．２ｍｍの間の、好ましくは０．１ｍｍの高さＲを有している。調量弁１００が閉じた位置にあるとき、弾性的なシール材３が閉止ばね１５の力付勢によって弁座４に当接し、それにより流入領域７と通過開口部２１の間の接続が閉じられる。

調量弁の機能形態

調量弁１００はここでは比例弁として構成されている。磁気コイル１３が通電されていないとき、閉止ばね１５を通じて閉止部材２が弁座４に押圧され、それにより、流入領域７と通過開口部２１の間の接続が遮断されて、ガス貫流が行われない。

磁気コイル１３が通電されると、閉止ばね１５の閉止力と反対方向を向く磁力が磁気アーマチュア６に対して生成される。この磁力がピン状の部材５を介して閉止部材２に伝達され、それにより閉止ばね１５の閉止力が過剰補償されて、閉止部材２が弁座４から持ち上げられる。流入領域７から通過開口部２１の方向へのガス貫流がリリースされる。

閉止部材２のストロークは、磁気コイル１３での電流強さの高さを通じて調整することができる。磁気コイル１３での電流強さが高くなるほど、閉止部材２のストロークが大きくなるとともに、調量弁１００でのガス貫流も多くなる。閉止ばね１５の力はストローク依存的だからである。磁気コイル１３での電流強さが低下すると閉止部材２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１３での電流が遮断されると磁気アーマチュア６に対する磁力が低下し、それにより、ピン状の部材５による閉止部材２に対する力が低下する。閉止部材２が通過開口部２１の方向に動いて、弾性的なシール部材３をもって弁座４で封止をする。調量弁１００でのガス貫流が遮断される。

図２は、図１の本発明による調量弁の弁座４の領域の拡大部分図を縦断面で示している。調量弁１００が閉じた位置にあるとき、弾性的なシール部材３が弁座４の上に当接して、周回するシールエッジ２０が弾性的なシール部材３の中に入り込む。ノズル１のテーパ状の着座面１ａにより、閉止部材２は弾性的なシール部材３をもって、周回するシールエッジ２０の中央から閉止部材１０の外側の周回エッジ１７まで延びる、０．２ｍｍから２ｍｍの、好ましくは０．５ｍｍから１ｍｍの幅Ｘを有する径方向の突出部１０を有している。

弁座４と弾性的なシール部材３との間の角度許容差は、弾性的なシール部材３を含めた閉止部材２全体の傾きにつながる。このことが図３に示されている。ここで最大に形成された閉止部材１０の傾斜姿勢が示されている。そのときに径方向の突出部１９が、閉止部材２の最大の傾斜位置をノズル１の着座面１ａの上で制限する。テーパ状の着座面１ａの開口角βは、１７２°から１７８°の間の値範囲にある。最大に形成された閉止部材２の傾斜姿勢のとき、径方向の突出部１９は着座面１ａとの接触線３０をもって１８０°−βに相当する角度αを形成する。この角度αは２°から８°の間の値範囲にある。このようにして閉止部材２の傾動にもかかわらず、最大に形成された閉止部材２の傾斜姿勢のときであっても、弁座４での密閉性を実現することができる。

１ ノズル
１ａ 着座面
２ 閉止部材
３ 弾性的なシール部材
４ 弁座
６ 磁気アーマチュア
７ 流入領域
１２ バルブハウジング
１８ 長軸
１９ 径方向の突出部
２０ シールエッジ
２１ 通過開口部
３１ 流入通路
１００ 調量弁
１３０ 電磁石

Claims (8)

1. バルブハウジング（１２）を有する、気体状の媒体を、特に水素を制御するための調量弁（１００）であって、流入領域（７）から通過開口部（２１）への開口部断面を開放および閉止するために弁座（４）と協同作用する長手方向に可動の平坦な閉止部材（２）が前記バルブハウジング（１２）の中に配置され、前記弁座（４）は、前記バルブハウジング（１２）に収容されてこれと固定的に結合されたノズル（１）の、前記閉止部材（１０）のほうを向いている着座面（１ａ）にある周回するシールエッジ（２０）として構成される、そのような調量弁において、前記ノズル（１）の前記着座面（１ａ）はテーパ状に構成され、前記閉止部材（２）は前記調量弁（１００）が閉じた位置にあるときに前記周回するシールエッジ（２０）に接して径方向の突出部（１９）を有し、前記径方向の突出部（１９）は前記閉止部材（２）の最大の傾斜位置を前記着座面（１ａ）の上で制限し、テーパ状の前記着座面（１ａ）の開口角βは１７２°から１７８°の間の値範囲にあることを特徴とする調量弁。
2. 前記径方向の突出部（１９）は前記周回するシールエッジ（２０）の中央から前記閉止部材（２）の外側の周回エッジ（１７）まで延び、０．２ｍｍから２ｍｍの、好ましくは０．５ｍｍから１ｍｍの幅Ｘを有することを特徴とする、請求項１に記載の調量弁（１００）。
3. 前記ノズル（１）の前記周回するシールエッジ（２０）は０．０４ｍｍから０．２ｍｍの間の、好ましくは０．１ｍｍの高さＲを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の調量弁（１００）。
4. 前記弁座（４）と前記閉止部材（２）の間に前記弁座（４）で封止をする弾性的なシール部材（３）が配置されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項に記載の調量弁（１００）。
5. 前記閉止部材（２）は電磁石（１３０）によって、および前記閉止部材（２）と作用接続された磁気アーマチュア（６）によって長手方向に可動であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の調量弁（１００）。
6. 前記調量弁（１００）の長軸（１８）に対して径方向に流入通路（３１）が前記バルブハウジング（１２）に構成され、該流入通路によって前記調量弁（１００）の前記流入領域（７）を気体状の媒体で充填可能であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載の調量弁（１００）。
7. 前記調量弁（１００）が比例弁として構成されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項に記載の調量弁（１００）。
8. 燃料電池への水素供給を制御するために請求項１から７までのいずれか１項に記載の調量弁（１００）を有している燃料電池構造。

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