JP2023506131A - 高圧ガスタンク用，特に自動車用水素燃料電池システム用オン／オフバルブ - Google Patents

Abstract

自動車用燃料電池システムの高圧水素タンク用の電動式オン／オフバルブは、バルブ本体（２）と、ソレノイド群（１００）と、第１段シールを実現する第１ゲート（２６）と、第２段シールを実現する主シール面（４２）を備えたシール要素（４０）とを備えている。第１段シールと第２段シールは、いずれもシール要素（４０）によって実現される。

Description

本発明は、自動車用水素燃料電池システムにおける高圧水素の流れを管理するために、通常は車両に搭載されるタンクに適用されるバルブに関する。

特に、本発明は、水素がタンクから出ることを許容または抑制するための電気的に制御可能なオン／オフバルブに関する。

自動車用水素システムのガスは、通常７００バールに達する非常に高い圧力でタンク内に貯蔵される。

このことは、オン／オフバルブの製造が、特に、例えばバルブゲートでのガス漏れを回避するために必要な工夫に関して、高精度でなければならないことを意味する。

この点で、特定の分野において２つの対照的なニーズが指摘される。すなわち、一方では、漏れの発生を回避するために効果的なシールを備えたゲートを提供する必要があり、他方では、高圧水素の作用に耐えるために十分に硬い材料からそのようなシールを作る必要がある。しかし、硬い材料で作られたシールは、より正確な加工作業が要求されるため、漏れが発生することはない。ある種の実施形態は、文書ＵＳ－Ａ１－２０１６／３０５５７２、ＵＳ－Ａ１－２０１４／０４２３２及びＵＳ５２０５５３１に開示されている。

本発明の目的は、先行技術を参照して示された欠点を克服しつつ、現場のニーズを満たす高圧水素タンク用のオン／オフバルブを製造することである。

このような目的は、請求項１に従って提供されるオン／オフバルブによって達成される。従属請求項では、本発明のさらに有利な実施形態が特定される。

本発明によるオン／オフバルブの特徴および利点は、添付の図面に従って、非限定的な例によって与えられる以下の説明から明らかになる。

図１は、本発明の実施形態によるオン／オフバルブの、閉鎖状態の断面を示す。 図２は、図１におけるボックスＩＩの拡大図である。 図３は、中間または第１段階の開放状態にある、図１のオン／オフバルブを示す。 図４は、図３のボックスＩＶの拡大図である。 図５は、図１のオン／オフバルブが開口または第２段階の開放状態であることを示す図である。 図６は、図５におけるボックスＶＩの拡大図である。 図７ａ～図７ｃは、本発明の実施形態によるバルブのシール要素を示す。 図８ａ～図８ｃは、本発明の実施形態によるバルブのドロワ部を示す。

添付図面を参照すると、高圧ガス、特に水素を含むタンクのための電気的に作動するオン／オフバルブが、全体として数字１で示されている。自動車システムに適用する場合、水素は、一般に７００バールの圧力でタンク内に貯蔵される。

バルブ１は、例えばネジ付きネックによってタンクに適用されるバルブ本体２を有する。バルブ本体２には、タンク内部と連通する入口ダクト４、タンクの下流の自動車システムの構成要素と連通する出口ダクト６、及び主座部８が設けられ、主座部８において入口ダクト４が開き、そこから出口ダクト６が続いている。

好ましい実施形態によれば、入口ダクト４は特に、第１の軸線Ｘ上に、入口ポート４ｂで主座部８に開口する端部４ａを有する。出口ダクト６は、第２の軸線Ｙを有し、ポート６ｂで主座部８に通じる初期部分６ａを有する。

第１の軸Ｘは、好ましくは第２の軸Ｙと直交している。

主座部８は、好ましくは、円筒形であり、第２の軸線Ｙと同軸である。

弁１は、主座部８にアクセスするための開口においてバルブ本体２の外側に設けられる、内側が中空のケーシング１０をさらに備える。 ケーシング１０は、弁の開度を制御するための電気接続用のソケット１２を含む。

バルブ１は、例えば銅からなる巻線１４をさらに備えている。巻線１４は、ケーシング１０内に収容され、ソケット１２に電気的に接続されており、ソケット１２への電流の供給により巻線１４の周囲に磁場を形成し、バルブ１の開度を磁気的に制御する。

さらに、弁１は、好ましくは、管状の固定ジャケット１６を有する。固定ジャケット１６は、巻線１４内に延び、ケーシング１０から突出して、バルブ本体２の主座部８内に延びる。

特に、ジャケット１６は、全体が主座部８に収容された管状の端部分１８を有する。端部分１８には、例えば端部分１８の厚さを通る貫通孔として得られた複数のジャケット通路２０が設けられている。通路２０は、入口ダクト４をジャケット１６の端部分１８内の空間と連絡させるように構成されている。

シーリングリングからなるジャケットシール２１が、端部１８と主座部８の表面との間に配置されており、外部環境へ向かう高圧ガスの漏れを防止するようにされている。

弁１は、主座部８の外側でジャケット１６に収容された磁化可能な固定コア２２と、ジャケット１６に収容された磁化可能な可動コア２４を有する。可動コア２４は、固定コア２２に近接する部分２４ａからジャケット１６の端部分１８の内部に達するまで延びる。

ケーシング１０、巻線１４、固定コア２２および可動コア２４は、バルブ1の操作により電気的に励磁可能なソレノイド群１００を形成している。

可動コア２４は、固定コア２２に対して遠位部に第１ゲート２６を担持する。第１ゲートは、例えば可動コア２４の端部２４ｂと一体に作られ、端部２４ｂから突出した鋭い突出部を有する。

弁１は、ジャケット１６の端部１８に摺動可能かつ密封可能に収容されたドロワ３０をさらに備え、ドロワ３０は、第１ゲート２６が突出する、可動コア２４の端部２４ｂに装着されることが好ましい。

ドロワ３０は、ドロワシール３２を担持する。ドロワシール３２は、環状座部に収容され、例えばリップを有するシールリングから構成され、ドロワ３０と、ジャケット１６の端部１８の内面１８ｉとの間に、摺動シールを得るように構成されている。

ドロワシール３２により、端部分１８の内部の区画は、出口ダクト６の初期部分６ａの側に配置された下流領域３４と、上流領域３６とから分離したままである。

ドロワ３０は、下流領域３４を上流領域３６と連通させる、較正ドロワ通路３８をさらに含む。

バルブ１は、好ましくは高分子材料、例えば熱可塑性材料、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＡＩ（ポリアミドイミド）又はＶＥＳＰＥＬで一体に作られたシール要素４０をさらに含む。

シール要素４０は、出口ダクト６の初期部分６ａのポート６ｂに近接するドロワ３０の端部３０ａでドロワ３０によって担持される。

シール要素４０は、出口ダクト６の初期部分６ａのポート６ｂと協働するとき、特に当該ポート６ｂの周縁に対して強制的に突き当たった状態で加圧ガスのシールを達成するように適合されたメインフレアシール面４２を前方に備えている。

シール要素４０は、さらに、要素通路４４を備えている。要素通路４４は、主シール面４２の内側領域を第１ゲート２６が収容されるドロワ３０内の区画と連通する。

要素通路４４は、開口４６で区画内ドロワ３０に開口する。第１ゲート２６は、要素通路４４を密封的に閉鎖するために、開口４６に係合可能である。

さらに、シール要素４０をドロワ３０にロックするために、バルブ1は、好ましくは、締結体５０を備える。締結体５０は、シール要素４０が締結体５０と端部３０ａとの間に封じ込められるように、ドロワ３０の端部３０ａの外側にねじ込み可能である。

バルブ1は、ソレノイド群１００を付勢する手段を有する。この手段は、可動コア２４に常時作用して、第１ゲートを閉鎖位置に保持するように構成されている。この状態で、第１ゲート２６は、シール要素４０の開口４６を閉じる。したがって、シール要素４０はドロワ３０と一体であるので、付勢手段は、出口ダクト６の初期部分６ａのポート６ｂにシール要素４０を強制的に当接させた状態で保持するように動作する。

好ましい実施形態によれば、前記付勢手段は、例えば固定コア２２の内部の区画に収容され、ジャケット１６の底部１６ｂに突き当たるように配置されたスプリング６０と、スプリング６０と可動コア２４の間を延びて前記固定コア２２を横断するステム６２とから構成される。

オン／オフバルブ１の通常の動作では、初期状態または閉鎖状態（図１および図２）において、ソケット１２への電流の供給はなく、それによって固定コア２２および可動コア２４は磁気的に引き寄せられない。

このような状態では、付勢手段が可動コア２４に働きかけ、可動コアから押し退けるので、可動コア２４と一体である第１ゲート２６がシール要素４０の開口４６に密封的に係合し、したがってシール通路４４を閉鎖している。第１ゲート２６は、開口４６との間でいわゆる「第１段階のシール」を形成する。

従って、シール要素４０はドロワ３０の端部３０ａと一体であり、当該ドロワ３０はジャケット１６の端部１８の内部の区画を密封して摺動するので、シール要素４０は付勢手段によって運ばれ、出口ダクト６の初期部分分６ａのポート６ｂの周縁に対して強制的に当接される。

シール要素４０の主シール面４２は、このようにポートは、ポート６ｂに密封的に係合し、出口ダクト６へのアクセスを閉鎖する。主シール面４２は、ポート６ｂとの間でいわゆる「第２段階のシール」を形成する。

この状態では、入口ダクト４内に、また、ジャケット通路２０を経て、ポート６ｂ上にシール要素４０によって形成されたシールによって出口ダクト６の初期部分６ａから分離されている下流領域３４に、高圧ガスが存在する。

高圧ガスはまた、ドロワ通路３８を介して、上流領域３６を占有する。上流領域３６は、要素通路４４の開口と第１ゲート２６によって形成されるシールによって、要素通路４４及び出口ダクト６から分離されている。

ソケット１２へ電流が供給されると、巻線１４は磁場を発生させる。この磁場は、互いに引き合うように固定コア２２及び可動コア２４を反対の極性に磁化する。したがって、固定コア２２と可動コア２４が引き合い、可動コア２４は固定コア２２に近づき、これにより付勢手段の反対の作用に打ち勝つ。

このようにして、弁１は、中間又は第１段階の開放状態（図３及び図４）に移行し、その状態で、第１ゲート２６はシール要素４０から十分に離れ、開口４６とのいかなるシールも得られないようになる。

従って、高圧ガスは要素通路４４を横断し、出口ダクト６の初期部分６ａに達する。

これにより、ドロワ３０に対する作用のアンバランスが生じ、ドロワ３０は上昇し、それによりシール要素４０が持ち上げられる。その結果、シール要素４０と初期部分６ａのポート６ｂとの間のシールがなくなる。

したがって、弁１は、開放状態又は第２段階の開放状態（図５及び図６）に切り替えられる。この状態で、シール要素４０の主シール面４２は、出口ダクト６の初期部分６ａのポート６ｂの縁から分離され、これにより、高圧ガスが入口ダクト４から出口ダクト６に向かって流れ得る。

ソケット１２への電気供給がない場合、可動コア２４に対する付勢手段の作用により、可動コア２４が再び固定コア２２から離れ、第１ゲート２６が要素通路４４を閉じ、初期状態の条件が復元される。

本発明の代替的な実施形態によれば、第１ゲートは、可動コアとは別個であるがそれと一体である、またはそれによって便利に移動するように付勢されているコンポーネントで構成される。

本発明の更なる代替的な実施形態によれば、シール要素は、単一の要素を得るように、機械的に又は他の方法で互いに接続された複数の構成要素からなる。

革新的に、本発明によるオン／オフバルブは、入口と出口との間の高圧ガスの漏れに対する優れた密閉性を保証し、かつ、この分野のニーズに合致している。第１段シールと第２段シールが同じ部品（シール要素）でかつバルブの限られた領域で得られるので、入口と出口間の高圧ガスの優れたシールを保証し、この分野の欠点を克服している。

これにより、小さな表面におけるシール要素の完全なセンタリングに必要な機械的加工作業を集中させることができ、したがって、バルブの製造のためのコストを低減することができる。

偶発的なニーズを満たすために、当業者は上記のバルブに変更を加えることができることは明らかであり、これらはすべて以下の請求項によって定義される保護範囲に含まれる。

Claims (10)

1. 高圧ガスタンク用の電動式オン／オフバルブであって、
   主座部（８）と、入口ポート（４ａ）において前記主座部（８）に開口する入口ダクト（４）と、出口ポート（６ｂ）において前記主座部（８）から始まる出口ダクト（６）とを含むバルブ本体（２）と、
   前記バルブ本体（２）に接続された電気的に作動可能なソレノイド群（１００）であって、前記ソレノイド群（１００）の作動により並進移動され得る可動コア（２４）を備えるソレノイド群（１００）と、
   前記可動コア（２４）により移動可能な第１ゲート（２６）と、
   シール要素（４０）とを備えており、
   前記シール要素（４０）は、
   ｉ）第１段階のシールを達成するために前記第１ゲート（２６）が密封的に係合する開口（４６）を有する要素通路（４４）、および
   ｉｉ）第２段階のシールを達成するために前記出口ダクト（６）の前記出口ポート（６ｂ）を密封的に係合するよう構成された主シール面（４２）を備えるシール要素（４０）を備え、
   前記シール要素（４０）は、前記第１段階のシールと前記第２段階のシールが両方とも前記シール要素（４０）によって達成されるように、ポリマー材料で一体に作られている、オン／オフバルブ。
2. 前記シール要素（４０）の高分子材料は熱可塑性の、例えばＰＥＥＫ、ＰＡＩ、ＶＥＳＰＥＬ（登録商標）等である、請求項1に記載のオン／オフバルブ。
3. 前記可動コア（２４）は、前記可動コア（２４）の端部（２４ｂ）と一体に作られた第１ゲート（２６）を担持する、請求項１又は２に記載のオン／オフバルブ。
4. 前記第１ゲート（２６）は、前記可動コア（２４）の前記端部（２４ｂ）から突出した鋭い突起で構成されている、請求項３に記載のオン／オフバルブ。
5. 前記主シール面（４２）はフレア状である、請求項１～４のいずれか1項に記載のオン／オフバルブ。
6. 前記要素通路（４４）は、前記主シール面（４２）の内側領域と前記開口（４６）とを連通する、請求項１～５のいずれか１項に記載のオン／オフバルブ。
7. 前記主座部（８）に摺動可能に収容され、前記第１ゲート（２６）が摺動可能に収容される内部区画を有するドロワ（３０）を備え、
   前記シール要素（４０）は、前記シール要素を担持し、
   前記開口（４６）は前記ドロワ（３０）の前記内部区画で開口する、請求項１～６のいずれか１つに記載のオン／オフバルブ。
8. 前記ドロワ（３０）の端部（３０ａ）に外部からねじ止め可能な締結体（５０）を備え、
   前記密封要素（４０）が前記締結体（５０）と前記端部分（３０ａ）との間に封じ込められる、請求項7に記載のオン／オフバルブ。
9. 前記主座部（８）に密封収容される端部（１８）を有し、全体が中空の固定ジャケット（１６）を備え、
   前記固定ジャケット（１６）の内部に前記ドロワ（３０）が摺動可能かつ密封収容され、
   前記可動コア（２４）が前記固定ジャケット（１６）内で摺動可能である、請求項７または８記載のオン／オフバルブ。
10. 前記ソレノイド群（１００）は、前記バルブ本体（２）の外側で、前記ジャケット（１６）内に収容された固定コア（２２）を有する、請求項９に記載のオン／オフバルブ。

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