JP2021535342A - 気体状の媒体のための弁装置および気体状の媒体を貯蔵するためのタンク装置 - Google Patents

Abstract

気体状の媒体、特に水素のための弁装置（１００）であって、弁ハウジング（６）と、該弁ハウジング（６）内に配置された、縦軸線（１８）に沿って可動な第１の磁石可動子（１４）とを有しており、前記第１の磁石可動子（１４）は、吐出孔（４０）を開閉するために第１のシール座（３２）と協働する。さらに、前記弁ハウジング（６）内に、縦軸線（１８）に沿って可動な第２の磁石可動子（１６）が配置されており、該第２の磁石可動子（１６）は前記第１の磁石可動子（１４）の切欠（３８）内に少なくとも部分的に受け入れられていて、前記第２の磁石可動子（１６）が前記第１の磁石可動子（１４）内に形成された通路（２０）を開閉するために第２のシール座（３４）と協働する。さらに、前記第１の磁石可動子（１４）および前記第２の磁石可動子（１６）は、磁石装置（１１）によって取り囲まれており、前記磁石装置（１１）によって、前記第１の磁石可動子（１４）および前記第２の磁石可動子（１６）は、ちょうど１つの電磁コイル（１０）によって前記縦軸線（１８）に沿って移動可能である。【選択図】 図１

Description

本発明は、気体状の媒体のための弁装置、および例えば燃料電池装置を備えた車両に使用するための、特に水素を貯蔵するための燃料電池タンクのためのタンク装置に関する。

事前公開されていない特許文献１には、燃料電池タンクの温度圧力除去のためのタンク装置について記載されており、この場合、タンク装置は、例えば燃料電池システムの正常な機能形式を保証する様々な弁、例えば遮断弁を備えたタンク容器を有している。

このようなタンク装置のための安全装置は規格化されている。この場合、各タンク装置はこのような遮断弁を有していなければならない。従って、遮断弁は、燃料電池駆動装置を有する車両の事故時にタンク装置が損傷したときに、またはタンク装置の管路が破損したときに、タンク容器を閉鎖することができ、それによって気体がリザーブユニットから漏出しないようになっている。

遮断弁に対する高い安全要求に基づいて、および例えば８００ｂａｒまたはそれ以上の高いライン圧に基づいて、このような遮断弁は構造的に非常に難題であり、大きい構造空間を有している。このことはまた、タンク装置全体の総重量を高め、ひいては燃料電池駆動装置を有する車両の事故時に、発生する高すぎる加速力を生ぜしめ、弁装置またはタンク装置の可能な変形を生ぜしめることになる。

ドイツ連邦共和国特許公開第１０２０１８２０９０５７号明細書

これに対して、請求項１に記載した特徴を有する本発明による弁装置は、ダブルストローク式の切換弁を使用することによって構造的に簡単な機能形式で、弁装置の構造空間が減少されるという利点を有している。

このために、気体状の媒体、特に水素のための本発明による弁装置は、弁ハウジングを有しており、この弁ハウジング内に縦軸線に沿って可動な第１の磁石可動子が配置されている。第１の磁石可動子は、吐出孔を開閉するために第１のシール座と協働する。さらに、弁ハウジング内に、縦軸線に沿って可動な第２の磁石可動子が配置されており、この第２の磁石可動子は第１の磁石可動子の切欠内に少なくとも部分的に受け入れられていて、第２の磁石可動子が第１の磁石可動子内に形成された通路を開閉するために第２のシール座と協働するようになっている。さらに、第１の磁石可動子および第２の磁石可動子は、磁石装置によって取り囲まれており、この磁石装置によって、第１の磁石可動子および第２の磁石可動子は、ちょうど１つの電磁コイルにより縦軸線に沿って移動可能である。

１つだけの電磁コイルを使用することによって、弁装置の総重量および構造空間の減少が得られる。さらに、互いに相互作用する２つの磁石可動子を使用することに基づいて、制御室は必要ないので、それによってやはり構造空間は減少される。また、２つの磁石可動子を有するダブルストローク式の切換弁に基づいて、弁装置を開放するために小さい磁力で十分である。

第１の好適な実施態様によれば、電磁コイルがコイルハウジングを有していて、この電磁コイルが、第１の磁石可動子および第２の磁石可動子を弁ハウジング内で少なくとも部分的に取り囲むようになっている。これにより、簡単な形式で、電磁コイルの作動時に第１の磁石可動子および第２の磁石可動子に磁力が生ぜしめられる。

本発明の別の実施形態によれば好適には、弁ハウジング内にばねが配置されていて、このばねが第２の磁石可動子を第２のシール座に向かう方向の力で付勢し、それによって第１の磁石可動子が第１のシール座に向かう方向の力で付勢されるようになっている。

好適な実施形態では、弁ハウジング内にストッパエレメントが配置されており、このストッパエレメントに第１のシール座が形成されている。好適な形式で、第１のシール座における貫流横断面が、第２のシール座における貫流横断面よりも大きい。これにより簡単な形式で、より小さい磁力で第２の磁石可動子が長手方向に移動可能であり、第２のシール座から離れるときに第２のシール座を介する貫流横断面を開放する。これによって、変化する弁装置内の圧力比により、第１のシール座の開放およびひいては第１の磁石可動子の長手方向運動が加速され、それにより必要な磁力高さは低下され得る。

本発明の別の実施形態では好適には、第１の磁石可動子が段部を有しており、この段部が第２の磁石可動子の段部と協働し、第２の磁石可動子の長手方向運動時にこの第２の磁石可動子が第１の磁石可動子のための連動部材として用いられる。これにより、第１のシール座の開放およびひいては第１の磁石可動子の長手方向運動が加速され得る。

好適な使用法では、このような弁装置は、気体状の媒体、特に水素を貯蔵するための、タンクを有するタンク装置に使用されてよい。好適な形式で、タンクは、ネック領域を備えたタンクハウジングを有していて、ネック領域内に弁装置が配置されており、この場合、弁ハウジングがタンクハウジング内に少なくとも部分的に組み込まれていて、弁ハウジングがシールエレメントによってタンクのタンク内室をシールする。

これにより好適な形式で、弁装置によって、気体状の媒体、特に水素の、タンクにおける貫流横断面が制御可能である。

前記タンク装置は、好適な形式で、燃料電池装置において、燃料電池運転用の水素を貯蔵するために適している。

タンク装置内の、本発明による弁装置の第１実施例の縦断面図である。 タンク装置内の、本発明による弁装置の第２実施例の縦断面図である。

図面には、気体状の媒体、特に水素のための本発明による弁装置の実施例、および気体状の媒体を貯蔵するための本発明によるタンク装置が示されている。

図１は、気体状の媒体、特に水素を貯蔵するための本発明によるタンク装置１内における、気体状の媒体、特に水素のための本発明による弁装置１００の第１実施例の縦断面図を示す。

弁装置１００は、縦軸線１８を有する弁ハウジング６を有している。弁ハウジング６内に吸入孔２２および吐出孔４０が形成されており、吐出孔４０は内室４２内に開口している。さらに、弁ハウジング６内に、コイルハウジング８を備えた電磁コイル１０が配置されている。弁ハウジング６はさらに、ストッパエレメント１２を有しており、このストッパエレメント１２は、コイルハウジング８によって取り囲まれていて、シールエレメント２４によって電磁コイル１０を内室４２に対してシールする。

内室４２内に、縦軸線１８に沿って可動な第１の磁石可動子１４が配置されており、この磁石可動子１４は、吐出孔４０を開閉するために第１のシール座３２を備えた形成部４４と協働する。第１のシール座３２は、ここではストッパエレメント１２の段部４８に形成されている。第１の磁石可動子１４内に通路２０が形成されており、この通路２０は、第１のシール座３２とは反対側の、第１の磁石可動子１４の端部で切欠３８内に開口している。

切欠３８内に、縦軸線１８に沿って可動な第２の磁石可動子１６が受け入れられており、この第２の磁石可動子１６は、第１の磁石可動子１４内で通路２０を開閉させるために第２のシール座３４を備えた形成部４６と協働する。第２のシール座３４は第１の磁石可動子１４に形成されている。

ばね３０が弁ハウジング６の切欠５０内に配置されていて、第２の磁石可動子１６と弁ハウジング６との間で支えられており、このばね３０によって、第２の磁石可動子１６は第２のシール座３４に向かう方向の力で付勢されるので、第２の磁石可動子１６は第２のシール座３４に当接する。これにより通路２０は閉鎖されている。

第１の磁石可動子１４と第２の磁石可動子１６との連動作用によって、第１の磁石可動子１４はばね３０によって第１のシール座３２に押し付けられ、それによって吐出孔４０は閉鎖されている。

内室４２は、第１の磁石可動子１４および第２の磁石可動子１６によって、外側の環状室４２２と内側の環状室４２０とばね室４２１とに分割されている。この場合、外側の環状室４２２は、ストッパエレメント１２および第１の磁石可動子１４によって仕切られており、これに対して内側の環状室４２０は、第１の磁石可動子１４および第２の磁石可動子１６によって仕切られている。

内側の環状室４２０も外側の環状室４２２もばね室４２１内に開口しており、この場合、ばね室４２１は弁ハウジング６の切欠５０を含んでいて、吸入孔２２内に移行している。

弁装置１００はタンク２を有するタンク装置１の部分である。タンク２はタンクハウジング３を有しており、このタンクハウジング３内にタンク内室４が形成されている。タンクハウジング３はネック領域２８を有しており、このネック領域２８内に弁装置１００が配置されている。この場合、弁装置１００は、タンクハウジング３内に組み込まれていて、タンク内室４を外方に向かって閉鎖している。弁装置１００の弁ハウジング６とタンク２のタンクハウジング３との間のシールエレメント２６によって、タンク内室４はシールされているので、気体状の媒体、特に水素は、弁装置１００だけを介してタンク２内に流入またはタンク２から流出することができる。

第１の磁石可動子１４および第２の磁石可動子１６は、電磁コイル１０およびコイルハウジング８と共に磁石装置１１を形成する。

この場合、第１のシール座３２における気体状の媒体の貫流横断面は、第２のシール座３４における気体状の媒体の貫流横断面よりも大きい。何故ならば、円柱形に構成された吐出孔４０の直径は、円柱形の通路２０の直径よりも大きいからである。

弁装置の機能形式
通電されていない電磁コイル１０において、第１のシール座３２および第２のシール座３４は、ばね３０の力によって閉鎖されているので、外側の環状室４２２と吐出孔４０との間の接続および内側の環状室４２０と通路２０との間の接続は、閉鎖されている。これにより、気体状の媒体も、吸入孔２２および吐出孔４０を介してタンク内室４からシステム、例えば燃料電池装置に向かう方向に流れることはない。タンク内室４内には例えば７００ｂａｒの高圧が支配している。これに対して燃料電池装置内には低圧が支配している。

電磁コイル１０に通電されると、第１の磁石可動子１４および第２の磁石可動子１６に、ばね３０の力に対抗しかつ第１のシール座３２および第２のシール座３４に作用する圧力に対抗する磁力が生ぜしめられる。第１のシール座３２における座部直径と比較して第２のシール座３４における座部直径が小さいことにより、第２のシール座３４を開放するために必要な磁力は、第１のシール座３２を開放するための磁力よりも小さい。十分に大きい磁力で、第２の磁石可動子１６は第２の磁石可動子１６から離れ、通路２０を開放する。

次いで気体状の媒体は、タンク内室４から、吸入孔２２、第２のシール座３４、通路２０および吐出孔４０を介して流れ、タンク２からシステム、例えば燃料電池装置に向かう方向に流れる。これによって、システム内の圧力は上昇し、ひいては、第１のシール座３２における圧力差が小さくなる。第１のシール座３２における圧力差が小さくなることによって、磁気的な開放力に対抗する力も低下する。圧力差が次第に小さくなることによって、第１のシール座３２が開放するようになる。従って、第１の磁石可動子１４は第１のシール座３２から離れ、吐出孔４０と外側の環状室４２２との間の接続を開放する。次いで、気体状の媒体、ここでは水素がタンク内室４から、吸入孔２２、外側の環状室４２２、第１のシール座３２および吐出孔４０を介して、タンク２から燃料電池装置の燃料電池に向かう方向に流れる。

燃料電池への水素供給が中断されるべき場合、電磁コイル１０はもはや通電されないので、磁力は消失し、第２の磁石可動子１６はばね３０の力によって再び第２のシール座３４に向かう方向に移動せしめられ、第２のシール座を閉鎖する。第２の磁石可動子１６は、第１の磁石可動子１４のための連動部材として作用するので、第１のシール座３２も再び閉鎖される。

第１のシール座３２の直径および第１の磁石可動子１４のストロークは、好適な形式で燃料電池がすべての運転状態で水素の十分な質量流量を供給するように設計されている。しかもこれによって、タンク２を気体状の媒体、ここでは水素によって満たす場合、流れ方向が吐出孔４０から吸入孔２２に向かう方向に延びており、タンク２は短時間で、例えば数分で満たされ得る。

図２は、気体状の媒体、特に水素を貯蔵するための本発明によるタンク装置１内の、気体状の媒体、特に水素のための本発明による弁装置１００の第２実施例の縦断面図を示す。

第２実施例は、その機能および構造が第１実施例のものと十分に一致する。同じ機能を有する構成部分は同じ符号で示されている。

第２実施例では、第１の磁石可動子１４が段部３６を有しており、この段部３６は、第２の磁石可動子１６の段部５２と協働する。従って、第２の磁石可動子１６は、第２のシール座３４の開放時に、第２の磁石可動子１６の長手方向運動の際に第１の磁石可動子１４のための連動部材として働き、それによって第１のシール座３２の開放が加速される。

１ タンク装置
２ タンク
３ タンクハウジング
４ タンク内室
６ 弁ハウジング
８ コイルハウジング
１０ 電磁コイル
１１ 磁石装置
１２ ストッパエレメント
１４ 第１の磁石可動子
１６ 第２の磁石可動子
１８ 縦軸線
２０ 通路
２２ 吸入孔
２４，２６ シールエレメント
２８ ネック領域
３０ ばね
３２ 第１のシール座
３４ 第２のシール座
３６ 段部
３８ 切欠
４０ 吐出孔
４２ 内室
５２ 段部
１００ 弁装置
４２０ 内側の環状室
４２１ ばね室
４２２ 外側の環状室

Claims (10)

1. 気体状の媒体、特に水素のための弁装置（１００）であって、弁ハウジング（６）と、該弁ハウジング（６）内に配置された、縦軸線（１８）に沿って可動な第１の磁石可動子（１４）とを有しており、前記第１の磁石可動子（１４）は、吐出孔（４０）を開閉するために第１のシール座（３２）と協働し、この場合、前記弁ハウジング（６）内に、縦軸線（１８）に沿って可動な第２の磁石可動子（１６）が配置されており、該第２の磁石可動子（１６）は前記第１の磁石可動子（１４）の切欠（３８）内に少なくとも部分的に受け入れられていて、前記第２の磁石可動子（１６）が前記第１の磁石可動子（１４）内に形成された通路（２０）を開閉するために第２のシール座（３４）と協働するようになっている形式のものにおいて、
   前記第１の磁石可動子（１４）および前記第２の磁石可動子（１６）は磁石装置（１１）によって取り囲まれており、該磁石装置（１１）によって、前記第１の磁石可動子（１４）および前記第２の磁石可動子（１６）は、ちょうど１つの電磁コイル（１０）により前記縦軸線（１８）に沿って移動可能であることを特徴とする、気体状の媒体のための弁装置（１００）。
2. 前記電磁コイル（１０）がコイルハウジング（８）を有していて、前記電磁コイル（１０）は、前記第１の磁石可動子（１４）および前記第２の磁石可動子（１６）を前記弁ハウジング（６）内で少なくとも部分的に取り囲んでいることを特徴とする、請求項１記載の弁装置（１００）。
3. 前記弁ハウジング（６）内にばね（３０）が配置されていて、該ばね（３０）が前記第２の磁石可動子（１６）を前記第２のシール座（３４）に向かう方向の力で付勢し、それにより前記第１の磁石可動子（１４）が前記第１のシール座（３２）に向かう方向の力で付勢されていることを特徴とする、請求項１または２記載の弁装置（１００）。
4. 前記弁ハウジング（６）内にストッパエレメント（１２）が配置されており、該ストッパエレメント（１２）に前記第１のシール座（３２）が形成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の弁装置（１００）。
5. 前記第１のシール座（３２）における貫流横断面が、前記第２のシール座（３４）における貫流横断面よりも大きいことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の弁装置（１００）。
6. 前記第１の磁石可動子（１４）が段部（３６）を有しており、該段部（３６）が前記第２の磁石可動子（１６）の段部（５２）と協働し、前記第２の磁石可動子（１６）の長手方向運動時に該第２の磁石可動子（１６）が前記第１の磁石可動子（１４）のための連動部材として用いられることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の弁装置（１００）。
7. 気体状の媒体、特に水素を貯蔵するためのタンク装置（１）において、タンク（２）および請求項１から６までのいずれか１項記載の弁装置（１００）を有している、タンク装置（１）。
8. 前記タンク（２）がネック領域（２８）を備えたタンクハウジング（３）を有していて、前記ネック領域（２８）内に前記弁装置（１００）が配置されており、前記弁ハウジング（６）が前記タンクハウジング（３）内に少なくとも部分的に組み込まれていて、前記弁ハウジング（６）がシールエレメント（２６）によって前記タンク（２）のタンク内室（４）をシールすることを特徴とする、請求項７記載のタンク装置（１）。
9. 前記弁装置（１００）によって、気体状の媒体、特に水素の、前記タンク（２）における貫流横断面が制御可能であることを特徴とする、請求項７または８記載のタンク装置（１）。
10. 燃料電池装置において、燃料電池運転用の水素を貯蔵するための、請求項７から９までのいずれか１項記載のタンク装置（１）を有している、燃料電池装置。

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