JP2022518374A - ガス状媒体を制御するためのジェットポンプユニット - Google Patents

Abstract

ノズル（１）と混合管ユニット（３０）とを備え、前記混合管ユニット（３０）が長手軸線（４８）を有し、前記ノズル（１）が長手軸線（１８）を有している、ガス状媒体を、特に水素を制御するためのジェットポンプユニット（４６）。この場合、前記混合管ユニット（４８）の前記長手軸線（４８）と前記ノズル（１）の前記長手軸線（１８）とは互いに角度（α）を有している。【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス状媒体、特に水素を制御するためのジェットポンプユニットに関し、たとえば燃料電池駆動型車両で使用するための前記ジェットポンプユニットに関するものである。

特許文献１は、ガス状媒体、特に水素を制御するための配量弁を記述しており、この場合配量弁は、バルブハウジングと、エジェクタユニットと、アクチュエータと、閉鎖要素とを含んでいる。バルブハウジング内には貫通穴が形成され、貫通穴は弁座に設けた閉鎖要素によって開放または閉鎖させることができる。エジェクタユニットは、第１のガス状媒体が加圧して供給される供給領域と、第２の媒体が入ってくる吸込領域と、第１のガス状媒体と第２のガス状媒体との混合物が排出される混合管領域とを含んでいる。貫通穴は、エジェクタユニットの供給領域と吸込領域との間に配置されている。

燃料電池装置のアノード経路における洗浄過程の最適化は、配量弁とジェットポンプとの組み合わせによって得ることができる。しかしながら、ジェットポンプは典型的には燃料電池スタックのエンドプレートに対し平行に配置されているため、ジェットポンプ内での配量弁の設置長さは制限されている。これにより、ジェットポンプから燃料電池スタックの方向に流れるガス状媒体、ここでは水素を９０゜転向させねばならない。転向によってジェットポンプ内に非対称な圧力域が発生することがあり、このためジェットポンプの動作態様を損なわせることがある。

独国特許出願公開第１０２０１００４３６１８Ａ１号明細書

これに対し、ガス状媒体、特に水素を制御するための本発明によるジェットポンプユニットは、ジェットポンプユニットの設置長さが予め決められているにもかかわらず、ジェットポンプユニットの効率的な動作態様のために最適化された流動が得られるという利点を有する。

このため、ガス状媒体、特に水素を制御するためのジェットポンプユニットは、ノズルと混合管ユニットとを備え、前記混合管ユニットが長手軸線を有し、前記ノズルが長手軸線を有している。さらに、前記混合管ユニットの前記長手軸線と前記配量弁の前記長手軸線とは互いに角度αを有している。

ノズルが混合管ユニット内に同軸に配置されていないことにより、混合管ユニットの片側に沿った流動を阻止することができ、その結果流動転向があるにもかかわらず、混合管ユニット内での非対称な圧力域も生じない。このため、ジェットポンプユニット全体の最適な動作態様が得られるばかりでなく、燃料電池の効率的な動作態様も得られる。

第１の有利な更なる構成では、前記角度αが２゜と５゜の間にあることが企図されている。最適な角度値範囲は、数値的流体力学演算を用いて、または、計算機流体力学(Computational Fluid Dynamics (CFD))法を用いて求めることができる。

本発明の更なる構成では、有利には、混合管ユニットが排出通路を有し、排出通路が横孔として混合管ユニットのポンプハウジング内に形成され、したがって混合管ユニットの長手軸線に対し半径方向に配置されていることが企図されている。このようにして、ガス状媒体、たとえば水素をジェットポンプユニットから燃料電池の方向に簡単に誘導することができる。

有利な更なる構成では、ノズルの長手軸線は、混合管ユニット内で排出通路の方向とは逆方向に傾斜している。このようにして、ガス状媒体の圧力域での不具合を最小に抑えることができる。圧力域の更なる最適化のため、ノズルの長手軸線は他の方向にも回動されていてもよい。こうすることで、特にジェットポンプユニットの吸込に起因する不具合を補償することができる。

本発明の更なる構成では、有利には、混合管ユニットが流動誘導要素を有し、流動誘導要素が、混合管ユニットの端部に設けたカバー要素として排出通路に形成されて、ポンプハウジング内に統合され、これによって混合管ユニット内でのガス状媒体、好ましくは水素の流動が排出通路の方向に転向可能であることが企図されている。このようにして、ガス状媒体、特に水素を燃料電池の方向に簡単に誘導することができる。

有利な更なる構成では、混合管ユニットはポンプハウジングを有し、ポンプハウジング内に段状の貫通孔が形成され、ノズルは混合管ユニットの貫通孔内に完全に受容されている。有利な態様では、ノズルは成形部を有し、成形部は混合管ユニットの吸込領域内へ突出している。このようにして、混合管ユニット内部でのガス状媒体の流動を最適化することができる。

本発明の更なる構成では、有利には、ノズルが、バルブハウジングを備えた配量弁に配置されて、バルブハウジングと固定結合されていることが企図されている。配量弁は、混合管ユニット内への、したがってたとえば燃料電池のアノード領域内へのガス状媒体の精密な配量を可能にし、その結果システム全体の、たとえば燃料電池システムの最適な動作態様を得ることができる。

有利な更なる構成では、ノズル内に、配量弁の移送穴が形成され、移送穴は貫通孔に通じている。有利な態様では、配量弁は、弾性密封要素を備えた閉鎖要素を有し、閉鎖要素は、移送穴を開閉させるために弁座と協働し、且つノズルに平座として形成されている。弁座での密封のために、弾性密封要素の組み合わせで平らな弁座を使用することにより、簡単に且つ大きな構造的変更なしに配量弁の密封性を確保でき、その結果たとえば配量弁から水素が流出することはない。

有利な更なる構成では、配量弁は、ガス状媒体のための供給通路を有し、供給通路は少なくとも部分的にポンプハウジング内に形成されている。有利な態様では、混合管ユニットのポンプハウジングは少なくとも１つの段部を有し、少なくとも１つの段部により配量弁はポンプハウジング内で案内されている。このようにして、配量弁を構造的に簡単に最適な動作態様のために混合管ユニット内に統合させることができる。

以上説明したジェットポンプユニットは、好ましくは、燃料電池装置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ために適している。利点は、アノード経路内での圧力変動が少ないこと、および、作動が静穏なことである。

図面には、燃料電池へのガス供給、特に水素の供給を制御するための本発明によるジェットポンプユニットの実施形態が図示されている。

配量弁と混合管ユニットとを備えた本発明によるジェットポンプユニットの１実施形態を縦断面で示したものである。

図１は、配量弁１００と混合管ユニット３０とを備えた、ガス状媒体を、特に水素を制御するための本発明によるジェットポンプユニット４６の１実施形態を縦断面で示したものである。

ジェットポンプユニット４６はジェットポンプハウジング４１を有し、ジェットポンプハウジングは、混合管ユニット３０のポンプハウジング４９と、配量弁１００のバルブハウジング１２とを含んでいる。

配量弁１００のバルブハウジング１２内には内部空間２６が形成され、内部空間内には電磁石１３０が配置され、電磁石は、マグネットコイル１３と、内極１０と、外極１１とを含んでいる。この場合、内極１０は非磁性材料から成るスペーサブシュ要素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２６によって囲まれているアーマチュア室９内には、ピン状要素５を備えた往復運動可能なマグネットアーマチュア６が配置され、この場合ピン状要素５はマグネットアーマチュア６と固定結合されているとともに、内極１０の繰り抜き部２７内と、バルブハウジング１２の繰り抜き部２８内とで受容され、案内されている。マグネットアーマチュア６はソレノイドプランジャーとして形成されており、その往復運動の際には内極１０の繰り抜き部２２内で受容される。

バルブハウジング１２と内極１０とはばね室８を画成し、ばね室内には、マグネットアーマチュア６のピン状要素５の皿状端部１６が突入している。ピン状要素５の皿状端部１６で閉鎖ばね１５が支持され、閉鎖ばねによって、ピン状要素５を備えたマグネットアーマチュア６は予め付勢されている。ピン状要素５の、閉鎖ばね１５とは逆の側の端部は、平坦な閉鎖要素２と固定結合されている。閉鎖要素２は、ピン状要素５とは逆の側のその端部に弾性密封要素３を有していて、配量弁１００の供給領域７内に配置されている。ばね室８とアーマチュア室９とは第１の結合通路２４を介して互いに結合されており、アーマチュア室９と供給領域７とは第２の結合通路２５を介して互いに流動的に結合されている。

配量弁１００の長手軸線１８に対し半径方向には、バルブハウジング１２内に複数の供給通路３１が形成され、これら供給通路により配量弁１００の供給領域７をガス状媒体で充填可能である。供給領域７は、バルブハウジング１２の横でノズル１によって画成され、ノズルは、段状の移送穴２１を内部に形成した成形部３３を有している。ノズル１の、弾性密封要素３に向かい合っていて配量弁１００の長手軸線１８に対し半径方向に配置されている座面１ａには、周回するように延在するシールエッジが形成され、シールエッジに弁座４が形成されている。配量弁１００の閉じ位置では、弾性密封要素３は閉鎖ばね１５の力の作用によって弁座４に当接し、その結果供給領域７と移送穴２１との間の結合部は閉じられている。

混合管ユニット３０は、長手軸線４８を備えたポンプハウジング４９を有している。ポンプハウジング４９内には、長手軸線４８に対し軸線方向に、部分的に段状に且つ部分的に円錐状に形成された貫通孔４２が形成されている。長手軸線４８に対し半径方向には、ポンプハウジング４９内に配量弁１００の供給通路３１と吸込通路４３とが形成されている。

さらに、貫通孔４２内には吸込領域４４と混合管領域５２とが形成され、混合管ユニット３０の端部５０には排出領域４５が形成されている。この端部５０には、混合管ユニット３０の長手軸線４８に対し半径方向に排出通路２３が形成され、排出通路は、たとえば水素の供給のため、燃料電池装置の燃料電池と結合されている。さらに、端部５０には、カバー要素として形成された流動誘導要素５３が配置されていて、ポンプハウジング４９内に統合されている。これにより、ガス状媒体は貫通孔４２内で排出通路２３の方向に転向可能である。

配量弁１００は、ポンプハウジング４９の開口部内に部分的に受容されている。この場合、バルブハウジング１２は段部３７でもってポンプハウジング４９に配置されて、ねじ要素３９を用いてこれと固定結合されている。さらに、バルブハウジング１２に複数のパッキン要素３５が配置され、その結果バルブハウジング１２とポンプハウジング４９とは互いに密封されている。したがって、供給通路３１からのガス状媒体は、移送穴２１のみを介して吸込領域４４の方向に到達する。

さらに、ポンプハウジング４９は第１の段部１９と第２の段部２０とを有し、これら段部によって配量弁１００とそのノズル１とがポンプハウジング４９内で案内されて、ノズル１が混合管領域５２の手前で最適に方向づけられている。したがって、ポンプハウジング４９に対する配量弁１００の位置公差、とりわけノズル１の位置公差を、第１の段部１９および第２の段部２０との協働で最小にさせることができる。

配量弁１００は、ここでは混合管ユニット３０内へ同軸に統合されずに、配量弁１００の長手軸線１８と混合管ユニット３０の長手軸線４８とは、２゜と５゜の間の値範囲を持つ角度αを有している。この場合、配量弁１００の長手軸線１８は混合管ユニット３０内の排出通路２３の方向とは逆の方向に傾斜している。

ジェットポンプユニットの動作態様は以下のとおりである。

配量弁１００は、ここでは比例弁として形成されている。マグネットコイル１３が通電されていない場合、閉鎖要素２は閉鎖ばね１５を介して弁座４に押圧され、その結果供給領域７と移送穴２１との間の結合は中断されており、ガスの貫流は行われない。

マグネットコイル１３が通電されると、閉鎖ばね１５の閉鎖力とは逆方向の磁力がマグネットアーマチュア６に対し発生する。この磁力は、ピン状要素５を介して閉鎖要素２へ伝達され、その結果閉鎖ばね１５の閉鎖力が過剰相殺されて、閉鎖要素２が弁座４から離間する。移送穴２１の方向での供給領域７からのガス貫流が解放されたことになる。

閉鎖要素２のストロークは、マグネットコイル１３での電流強度の大きさを介して調整することができる。マグネットコイル１３での電流強度が大きければ大きいほど、それだけ閉鎖要素２のストロークは大きく、閉鎖ばね１５の力がストロークに依存しているため、配量弁１００内でのガス貫流量もそれだけ大きい。マグネットコイル１３での電流強度が減少すると、閉鎖要素２のストロークも減少し、したがってガス貫流量が絞られる。

マグネットコイル１３での電流を遮断すると、マグネットアーマチュア６に対する磁力が除去され、その結果ピン状要素５による閉鎖要素２に対する力が減少する。閉鎖要素２は移送穴２１の方向に移動して、弾性密封要素３でもって弁座４を密封する。配量弁１００内でのガス貫流は遮断されたことになる。

配量弁１００の弁座４が開くと、または、部分的に開くと、弁座４を介して、配量弁１００の供給通路３１からガス状媒体が、ここでは水素が、タンクからノズル１内の移送穴２１内へ流れる。この水素は、ノズル１を介してポンプハウジング４９の貫通孔４２内へ流入する。貫通穴４２内への流入後、水素は吸込領域４４内でガス状媒体にぶつかるが、このガス状媒体はすでに燃料電池に供給されたものの、燃焼されなかったものであり、吸込通路４３を介してジェットポンプユニット４６へ戻されたものである。戻されたガス状媒体は主に水素を含んでいるが、しかし水蒸気および窒素も含んでいる。混合管領域５２において、ガス状媒体のインパルス交換によって吸込領域４４から質量流が吸い込まれて排出領域４５および排出通路２３の方向に搬送され、したがって燃料電池のアノード領域の方向に搬送される。貫通孔４２の幾何学的構成および配量弁１００の長手軸線１８と混合管ユニット３０の長手軸線４８との間の角度αによっては、燃料電池に供給されるガス流の需要に応じた調整を行うことができる。

択一的実施形態においては、上記実施形態に示されているように配量弁１００が混合管ユニット３０内に統合されているのではなく、たとえば通路結合部を介して混合管ユニット３０と結合されていることも可能である。すなわち、配量弁１００は混合管ユニット３０にねじ止めされていない。しかしながら、この場合ノズル１は、同様に混合管ユニット３０内で同じ位置に配置されていて、混合管ユニット３０と固定結合されている。

１ ノズル
２ 閉鎖要素
３ 弾性密封要素
４ 弁座
１２ バルブハウジング
１８ ノズルの長手軸線
１９ ポンプハウジングの第１の段部
２０ ポンプハウジングの第２の段部
２１ 移送穴
２３ 排出通路
３０ 混合管ユニット
３１ 供給通路
３３ 成形部
４２ 貫通孔
４４ 吸込領域
４６ ジェットポンプユニット
４８ 混合管ユニットの長手軸線
４９ ポンプハウジング
５０ 混合管ユニットの端部
５３ 流動誘導要素
１００ 配量弁
α ノズルの長手軸線と混合管ユニットの長手軸線との成す角度

Claims (13)

1. ノズル（１）と混合管ユニット（３０）とを備え、前記混合管ユニット（３０）が長手軸線（４８）を有し、前記ノズル（１）が長手軸線（１８）を有している、ガス状媒体を、特に水素を制御するためのジェットポンプユニット（４６）において、前記混合管ユニット（４８）の前記長手軸線（４８）と前記ノズル（１）の前記長手軸線（１８）とが互いに角度αを有していることを特徴とするジェットポンプユニット（４６）。
2. 前記角度αが２゜と５゜の間にあることを特徴とする、請求項１に記載のジェットポンプユニット（４６）。
3. 前記混合管ユニット（３０）が排出通路（２３）を有し、前記排出通路（２３）が横孔として前記混合管ユニット（３０）のポンプハウジング（４９）内に形成され、したがって前記混合管ユニット（３０）の前記長手軸線（４８）に対し半径方向に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のジェットポンプユニット（４６）。
4. 前記ノズル（１）の前記長手軸線（１８）が、前記混合管ユニット（３０）内で前記排出通路（２３）の方向とは逆方向に傾斜していることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のジェットポンプユニット（４６）。
5. 前記混合管ユニット（３０）が流動誘導要素（５３）を有し、前記流動誘導要素（５３）が、前記混合管ユニット（３０）の端部（５０）に設けたカバー要素として前記排出通路（２３）に形成されて、前記ポンプハウジング（４９）内に統合され、これによって前記混合管ユニット（３０）内でのガス状媒体、好ましくは水素の流動が前記排出通路（２３）の方向に転向可能であることを特徴とする、請求項３または４に記載のジェットポンプユニット（４６）。
6. 前記混合管ユニット（３０）がポンプハウジング（４９）を有し、前記ポンプハウジング（４９）内に段状の貫通孔（４２）が形成され、前記ノズル（１）が前記混合管ユニット（３０）の前記貫通孔（４２）内に完全に受容されていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のジェットポンプユニット（４６）。
7. 前記ノズル（１）が成形部（３３）を有し、前記成形部（３３）が前記混合管ユニット（３０）の吸込領域（４４）内へ突出していることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のジェットポンプユニット（４６）。
8. 前記ノズル（１）が、バルブハウジング（１２）を備えた配量弁（１００）に配置されて、前記バルブハウジング（１２）と固定結合されていることを特徴とする、請求項６に記載のジェットポンプユニット（４６）。
9. 前記ノズル（１）内に、前記配量弁（１００）の移送穴（２１）が形成され、前記移送穴（２１）が前記貫通孔（４２）に通じていることを特徴とする、請求項１～８のいずれか一項に記載のジェットポンプユニット（４６）。
10. 前記配量弁（１００）が、弾性密封要素（３）を備えた閉鎖要素（２）を有し、前記閉鎖要素（２）が、前記移送穴（２１）を開閉させるために弁座（４）と協働し、且つ前記ノズル（１）に平座として形成されていることを特徴とする、請求項８または９に記載のジェットポンプユニット（４６）。
11. 前記配量弁（１００）が、前記ガス状媒体のための供給通路（３１）を有し、前記供給通路（３１）が少なくとも部分的に前記ポンプハウジング（４９）内に形成されていることを特徴とする、請求項８、９または１０に記載のジェットポンプユニット（４６）。
12. 前記混合管ユニット（３０）の前記ポンプハウジング（４９）が少なくとも１つの段部（１９，２０）を有し、前記少なくとも１つの段部（１９，２０）により前記配量弁（１００）が前記ポンプハウジング（４９）内で案内されていることを特徴とする、請求項８、９、１０または１１に記載のジェットポンプユニット（４６）。
13. 請求項１～１２のいずれか一項に記載の、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）を備えた、燃料電池装置。

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