JP2021502531A

JP2021502531A - ガス状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

Info

Publication number: JP2021502531A
Application number: JP2020526432A
Authority: JP
Inventors: ハンス−クリストフマーゲル
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-09-24
Publication date: 2021-01-28
Also published as: WO2019101395A1; DE102017220798A1; CN111373341A; KR20200084351A; US20200278706A1; EP3714347A1

Abstract

【課題】弁ハウジング（２）を有し、弁ハウジング（２）に内部空間（３）が形成されている、ガス状媒体、特に水素を制御するための調量弁（１）である。【解決手段】内部空間（３）には、流入領域（２８）から通過流路（１８）への開断面を開放または閉鎖するために弁座（１９）と協働する移動可能な閉鎖部材（１０）が、調量弁（１）の長手軸（４０）に沿って配置されている。さらに、調量弁（１）は、通過流路（１８）が形成されたノズル（１５）を有し、ノズルに少なくとも１つのシール部材（５４）が配置されており、シール部材（５４）は、ノズル（１５）を収容する開口において隙間（５６）を密封するように形成されている。【選択図】図２

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、ガス状媒体、特に水素を制御するための調量弁を記載し、調量弁は、弁ハウジングとエジェクタユニットとアクチュエータと閉鎖部材とを備えている。弁ハウジングには貫通開口が形成されており、弁座に接する閉鎖部材によって貫通開口を開放または閉鎖することができる。エジェクタユニットは、圧力下で第１ガス状媒体が供給される流入領域と、第２媒体が滞留する吸引領域と、第１ガス状媒体と第２ガス状媒体との混合物が流出する混合管領域と、を備えている。貫通開口は、エジェクタユニットの流入領域と吸引領域との間に配置されている。

調量弁とジェットポンプとの組合せによって燃料電池アセンブリのアノード路における掃気過程の最適化を達成することができる。しかしこのことは調量弁の密封性を低下させ、関与する構造部品に漏洩を生じさせる可能性がある。

独国特許出願公開第１０２０１００４３６１８号明細書

調量弁とジェットポンプとの組合せの設計を改良することによって、摩耗の低減および漏洩の低減、したがって燃料電池アセンブリにおける調量弁とジェットポンプとの最適な作動を達成することができる。

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に調量弁を最適に組み込むことによって、弁座における公差が改善され、それにより調量弁内の密封性が向上す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調量弁は、弁ハウジングを有し、弁ハウジング内に内部空間が形成されている。内部空間には、流入領域から通過流路への開断面を開放または閉鎖するために弁座と協働する、調量弁の長手軸に沿って移動可能な閉鎖部材が配置されている。さらに、調量弁は、通過流路が形成されたノズルを有し、ノズルの外側には、ノズルを収容する開口において隙間を密封するように形成された少なくとも１つのシール部材が配置されている。

さらに、ジェットポンプユニットは、本発明による調量弁とジェットポンプハウジングと混合管領域と吸引流路と流出領域とを備えている。その際、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備える。調量弁の長手軸は、ジェットポンプユニットの長手軸と同一である。

有利にも、ポンプハウジングは、少なくとも部分的に段状に形成された貫通孔を有し、調量弁のノズルは、ポンプハウジングに形成された第１段部で、混合管領域の手前で同軸的にポンプハウジングに配置され、かつポンプハウジングの開口に収容されており、ノズルの少なくとも１つのシール部材がノズルとポンプハウジングとの間の隙間を密封する。さらに、貫通孔は、有利にも、少なくとも部分的に円錐形に形成されており、ジェットポンプユニットの流出流路は、ポンプハウジングにおける貫通孔の円錐形領域においてジェットポンプユニットの長手軸に対して径方向に形成されている。調量弁の流入流路は、有利にも、ジェットポンプユニットの長手軸に対して径方向に少なくとも部分的にポンプハウジングに形成されており、弁ハウジングは、段部でポンプハウジングに配置され、殊にねじ部材によってポンプハウジングと堅固に接続されている。有利にも、調量弁の流入領域は貫通孔に配置されている。

調量弁にノズルを組み込むことによって、弁座へのガス状媒体の流れを直接ジェットポンプユニットへ導くことが可能である。それにより、調量弁とジェットポンプユニットのポンプハウジングの最適化した設計を達成することができる。さらに、調量弁とノズルとの間の接続箇所がジェットポンプユニットのポンプハウジングに配置されており、ノズルは、ポンプハウジングの第１段部でポンプハウジングに組み込まれており、シール部材によってポンプハウジングに対して密封されており、それにより調量弁とノズルとの間の接続箇所において吸引領域の方向の漏洩が最小化されている。

本発明の第１の有利な展開形態では、ノズルがポット状領域を備え、ポット状領域に少なくとも１つのシール部材が配置されることが予定されている。さらに、ポット状領域はポット底を有し、ポット底に弁座が形成されている。有利にも、弁ハウジングがピン状の端を有し、弁ハウジングは、ピン状の端でノズルのポット状の領域に収容されており、流入領域において、ピン状の端が、ノズルに形成された相手面に当接する面を有する。したがって、ノズルを簡単な構造で弁ハウジングと接続することができ、その際、密封性が保証される必要はない。なぜなら調量弁がシール部材によってポンプハウジングに対して密封されているからである。

本発明の別の実施形態では、有利にも、弁ハウジングとノズルとの間に調整部材が配置されることが予定されている。それにより閉鎖部材の軸方向のリフト（Ｈｕｂ）の可変の調整が達成される。

有利な展開形態では、弁座は平面座として形成されており、弁座と閉鎖部材との間に弾性シール部材が配置されることが予定されている。平面弁座を弁座において密封する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、かつ大幅な構造変更なしに調量弁の密封性を確保することができ、それにより例えば水素は調量弁から流出し得ない。

本発明の別の実施形態では、有利にも、調量弁は、内側極を有する電磁石を備え、内側極と弁ハウジングとが磁気絞り箇所を介して互いに作用結合されることが予定されている。内側極と弁ハウジングとを一体に形成することによって、かつ弁ハウジングとノズルとの間の接続箇所と組み合わせて、弁座における公差を最小化することができ、全体として調量弁の密封性を向上させることができる。

有利な展開形態では、閉鎖部材は、マグネットアーマチュア装置と作用結合されており、内側極は、第１ガイド部と第２ガイド部とを有し、第２ガイド部に第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装置は、ピストン状区分で第２軸受ブッシュに案内されている。有利にも、ピストン状区分は、高い機械的強度を有する材料から製造されている。それによりマグネットアーマチュア装置の径方向の傾きが最小化され、さらにピストン状区分でガイドが行われる場合にマグネットアーマチュアの摩耗が低減される。さらに、ピストン状区分を、例えば高い機械的強度の材料の選定といった機械的な所与の条件に適合させることができる。

上記のジェットポンプユニットは、燃料電池のアノード領域への水素供給を制御するための燃料電池アセンブリに殊に適している。利点はアノード路における小さい圧力変動および静音運転である。

本発明の一実施例によるノズルを有する調量弁の縦断面図である。図１に示された調量弁を有する本発明の一実施例によるジェットポンプユニットの縦断面図である。

本発明による燃料電池へのガス供給、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の実施例が図面に示されている。

同じ機能を有する部品には同じ参照符号が付された。

図１は、本発明の第１実施例による調量弁１の縦断面図を示す。調量弁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（ｈｕｂｂｅｗｅｇｌｉｃｈ）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２２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２４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（Ｈｕｂｂｅｗｅｇｕｎｇ）時にマグネットアーマチュアがこの切欠きに入り込む。

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ガイド部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、接続部材９のピストン状区分２３が第２ガイド部７において第２軸受ブッシュに収容および案内されている。その際、接続部材９のピストン状区分２３は、高い機械的強度を有する材料から製造されている。

さらに、調量弁１がノズル１５を備え、ノズルは、ポット底１５１０を有するポット状領域１５１とピン１５２とを具備している。弁ハウジング２は、電磁石２６から離反したピン状の端３８でノズル１５のポット状領域１５１に収容されており、弁ハウジング２は、面３８１でノズル１５の相手面１５３に当接する。弁ハウジング２のピン状の端３８とノズル１５との間には調整部材３６が配置されている。さらにノズル１５の外側９０にシール部材５４が配置され、弁ハウジング２にはシール部材５３が配置されている。

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。弾性シール部材１１は、ノズル１５のポット底１５１０に形成された弁座１９と協働し、それにより弁座１９上に弾性シール部材１１が載置された場合に、ノズル１５に形成された通過流路１８が閉じられる。弁座１９は、ここでは平面座として形成されている。

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の皿状の端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、接続流路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、流入領域には、調量弁１の長手軸４０に対して径方向に配置され、かつ弁ハウジング２に形成された流入流路１７を介してガス状媒体、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３０１が形成されている。

調量弁１の作動原理
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と通過流路１８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が弾性シール部材１１とともに弁座１９から持ち上がる。調量弁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、調量弁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。

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は通過流路１８の方向に移動し、弁座１９において弾性シール部材１１により密封する。調量弁１におけるガスの流れは遮断される。

本発明による調量弁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。調量弁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調整弁１のマグネットコイル１２の電流強度の高さに応じて通過流路１８の流断面が変更される。

かくしてガス状媒体を制御するための調整弁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、通過流路１８の流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（ｕｅｂｅｒｓｔｏｅｃｈｉｏｍｅｔｒｉｓｃｈ）割合で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、結果的に生じる損害も防ぐことができる。

図２は、本発明による調量弁１を有する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、調量弁１の弁ハウジング２とポンプハウジング４９とを備えるジェットポンプハウジング４１を有する。ジェットポンプユニット４６は、調量弁１の長手軸４０と同一である長手軸４０‘を有している。

ポンプハウジング４９において、長手軸４０‘に対して軸方向に、部分的に段状および部分的に円錐形に形成された貫通孔４２と、長手軸４０‘に対して径方向に、調量弁１の吸引流路４３と流入流路１７とが形成されている。貫通孔４２には吸引領域４４と混合管領域５２と流出領域４５とが形成されている。調量弁１は、同軸的にポンプハウジング４９に部分的に収容されている。その際、弁ハウジング２は、段部３７でポンプハウジング４９に配置されており、かつねじ部材３５を介してポンプハウジングと堅固に接続されている。弁ハウジング２のシール部材５３とノズル１５のシール部材５４とによって、弁ハウジング２とポンプハウジング４９とは互いに密封されている。

さらに、調量弁１のノズル１５は、ポンプハウジング４９に形成された段部３９に載り、かつポンプハウジング４９の開口５５に収容されている。ノズル１５のシール部材５４によって、ノズルがポンプハウジング４９の第１段部３９に対して密封され、それによりノズル１５とポンプハウジング４９との間の隙間５６が密封され、ガス状媒体は、この隙間５６から吸引領域４４の方向に達し得ない。したがって流入流路１７からのガス状媒体は、通過流路１８を介してのみ吸引領域４４の方向に達する。

さらに、ポンプハウジング４９は段部５７を有し、ノズル１５は、この段部によってポンプハウジング４９において径方向にセンタリングされ、ポンプハウジング４９において混合管領域５２の手前で同軸的に配置されている。したがってポンプハウジング４９に対する調量弁１、とりわけノズル１５の位置公差を段部３９との連携で最小化することができる。

ポンプハウジング４９の、調量弁１から離反した端領域には、ポンプハウジング４９において長手軸４０‘に対して径方向に流出流路４８が形成されており、ポンプハウジング４９の、調量弁１から離反した端領域において、貫通孔４２が蓋５０で密封されている。

ジェットポンプユニット４６の作動原理
調量弁１の弁座１９が開いたか、または部分的に開いた場合、弁座１９を介して調量弁１の供給流路１７からガス状媒体、ここでは水素がタンクからノズル１５における通過流路１８へ流れる。

この水素は、ノズル１５から流出し、吸引領域４４において貫通孔４２に流入した後、燃料電池にすでに供給されたが使い切られなかった、かつ吸引流路４３を介してジェットポンプユニット４６に戻されたガス状媒体に合流する。戻されたガス状媒体は主に水素を含むが、水蒸気や窒素も含む。混合管領域５２において、ガス状媒体のパルス交換（Ｉｍｐｕｌｓａｕｓｔａｕｓｃｈ）によって、吸引領域４４から質量流が吸い出され、流出領域４５の方向に、したがって燃料電池のアノード領域の方向に送られる。貫通孔４２のジオメトリと、調量弁１、したがってノズル１５の挿入角度（Ｅｉｎｓｅｔｚｗｉｎｋｅｌ）に応じて、燃料電池に供給されるガス流の必要に即した調整を行うことができる。

１調量弁
２弁ハウジング
３内部空間
５接続部材の皿状の端
６第１ガイド部
７第２ガイド部
８マグネットアーマチュア
９接続部材
１０閉鎖部材
１１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
１５１ポット状領域
１５１０ポット底
１５２ピン
１５３相手面
１６接続流路
１７流入流路
１８通過流路
１９弁座
２０絞り箇所
２０１薄壁の円筒状ウェブ
２０２円錐形領域
２１、２２切欠き
２３ピストン状区分
２４切欠き縁
２５マグネットアーマチュア装置
２６電磁石
２８流入領域
３０ばね空間
３４切欠き
３５ねじ部材
３６調整部材
３７段部
３８ピン状の端
３８１面
３９段部
４０調量弁の長手軸
４０‘ ジェットポンプユニットの長手軸
４１ジェットポンプハウジング
４２貫通孔
４３吸引流路
４４吸引領域
４５流出領域
４６ジェットポンプユニット
４８流出流路
４９ポンプハウジング
５２混合管領域
５３シール部材
５４シール部材
５５開口
５６隙間
５７段部
６０第１軸受ブッシュ
７０第２軸受ブッシュ
９０ノズルの外側
３００マグネットアーマチュア空間

Claims

弁ハウジング（２）を有し、前記弁ハウジング（２）に内部空間（３）が形成されており、前記内部空間には、流入領域（２８）から通過流路（１８）への開断面を開放または閉鎖するために弁座（１９）と協働する、調量弁（１）の長手軸（４０）に沿って移動可能な閉鎖部材（１０）が配置されている、ガス状媒体、特に水素を制御するための調量弁（１）において、前記調量弁（１）は前記通過流路（１８）が形成されたノズル（１５）を有し、前記ノズル（１５）の外側（９０）に少なくとも１つのシール部材（５４）が配置されており、前記少なくとも１つのシール部材（５４）は、前記ノズル（１５）を収容する開口（５５）において隙間（５６）を密封するように形成されていることを特徴とする、調量弁。
前記ノズル（１５）がポット状領域（１５１）を備え、前記ポット状領域（１５１）に前記少なくとも１つのシール部材（５４）が配置されており、前記ポット状領域（１５１）はポット底（１５１０）を有し、前記ポット底（１５１０）に前記弁座（１９）が形成されてい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調量弁（１）。
前記弁ハウジング（２）がピン状の端（３８）を有し、前記弁ハウジング（２）は、前記ピン状の端で前記ノズル（１５）の前記ポット状の領域（１５１）に収容されており、前記流入領域（２８）において、前記ピン状の端（３８）が、前記ノズル（１５）に形成された相手面（１５３）に当接する面（３８１）を有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調量弁（１）。
前記弁ハウジング（２）と前記ノズル（１５）との間に調整部材（３６）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス状媒体を制御するための調量弁（１）。
前記弁座（１９）は平面座として形成されており、前記弁座（１９）と前記閉鎖部材（１０）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１〜４のいずれか１項に記載のガス状媒体を制御するための調量弁（１）。
前記調量弁（１）は、内側極（１４）を有する電磁石（２６）を備え、前記内側極（１４）と前記弁ハウジング（２）とが磁気絞り箇所（２０）を介して互いに作用結合されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のガス状媒体を制御するための調量弁（１）。
前記閉鎖部材（１０）は、マグネットアーマチュア装置（２５）と作用結合されており、前記内側極（１４）は、第１ガイド部（６）と第２ガイド部（７）とを有し、前記第２ガイド部（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装置（２５）は、ピストン状区分（２３）で前記第２軸受ブッシュ（７０）に案内されていることを特徴とする、請求項６に記載のガス状媒体を制御するための調量弁（１）。
前記ピストン状区分（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調量弁（１）。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の調量弁（１）を備えるジェットポンプユニット（４６）であって、ジェットポンプハウジング（４１）であって、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）とを備えるジェットポンプハウジング（４１）と、混合管領域（５２）と、吸引流路（４３）と、流出領域（４５）とを有し、前記ジェットポンプユニットの長手軸（４０‘）が前記調量弁（１）の前記長手軸（４０）と同一である、ジェットポンプユニット。
前記ポンプハウジング（４９）は、少なくとも部分的に段状に形成された貫通孔（４２）を有し、前記調量弁（１）の前記ノズル（１５）は、前記ポンプハウジング（４９）に形成された第１段部（３９）で、前記ジェットポンプユニット（４６）において前記混合管領域（５２）の手前で同軸的に配置され、かつ前記ポンプハウジング（４９）の開口（５５）に収容されており、前記少なくとも１つのシール部材（５４）が前記ノズル（１５）と前記ポンプハウジング（４９）との間の隙間（５６）を密封することを特徴とする、請求項９に記載のジェットポンプユニット（４６）。
前記貫通孔（４２）は、少なくとも部分的に円錐形に形成されており、前記ジェットポンプユニット（４６）の流出流路（４８）は、前記ポンプハウジング（４９）における前記貫通孔（４２）の前記円錐形領域において前記ジェットポンプユニット（４６）の前記長手軸（４０‘）に対して径方向に形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載のジェットポンプユニット（４６）。
前記調量弁（１）の前記流入流路（１７）は、前記ジェットポンプユニット（４６）の前記長手軸（４０）に対して径方向に少なくとも部分的に前記ポンプハウジング（４９）に形成されており、前記弁ハウジング（２）は、段部（３７）で前記ポンプハウジング（４９）に配置され、殊にねじ部材（３５）によって前記ポンプハウジングと堅固に接続されていることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のジェットポンプユニット（４６）。
前記調量弁（１）の前記流入領域（２８）は、前記貫通孔（４２）に配置されていることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載のジェットポンプユニット（４６）。
請求項９〜１３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ジェットポンプユニット（４６）を有する燃料電池アセンブリ。