JP5939767B2 - 改善されたシール座を有する比例弁 - Google Patents

Description

本発明は、特に燃料電池駆動部を備えた車両で使用される、ガス状の媒体、特に水素を制御するための比例弁に関する。

車両分野では、液状の燃料とならんで、将来的に、ガス状の燃料が益々重要となる。特に燃料電池駆動部を備えた車両では、水素ガス流が制御されなければならない。この場合、このガス流は、液状の燃料の噴射のようにもはや不連続に制御されない。所望の駆動出力に関連して弁の開放横断面を適合させる比例弁が使用されると有利である。

ガス状の媒体の場合、液状の燃料の場合に存在する、燃料によるシール座の湿潤がなくなるので、特に閉じられた弁におけるシール問題が生じる。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０５６２１２号明細書からは、天然ガスのためのガス弁が公知である。このガス弁では、媒体のできるだけ低損失の流れを達成するために、特別なジオメトリ（幾何学形状）がノズルボディに形成されている。しかし、この弁は、比例弁として形成されておらず、インジェクション・タイミング弁（Einblas-Taktventil）として形成されており、弁座に対するシールの改善に関してはなんの記載もされていない。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０５６２１２号明細書

本発明の課題は、弁座に対するシールを改善することである。

この課題を解決した本発明による構成によれば、ガス状の媒体、特に水素を制御するための比例弁において、少なくとも１つの通流開口を備えるノズルボディと、通流開口を弁座において開閉する閉鎖エレメントと、弁座において密閉する弾性的なシールエレメントとが設けられており、弁座が、所定の半径を有しており、シールエレメントが、弁座を起点として半径方向で自由な突出部を有していて、該自由な突出部が、半径の少なくとも２倍の大きさにかつ前記半径の最大で５倍の大きさに形成されているようにした。

請求項１の特徴部に記載の特徴を有する、ガス状の媒体を制御する本発明による比例弁は、前述のガス弁に対して、当該比例弁がガス状の媒体の確実かつ信頼性のよいシールを可能にするという利点を有している。さらに、弾性的なシールエレメントの負荷を減じることができるので、この比例弁は、高い耐久性を有している。さらに、本発明による比例弁は、開放力の、ストロークにわたって一様な経過で開放され得る。このことは、本発明によれば、シールエレメントがシールする弁座が所定の半径を有していて、シールエレメントが、シールラインを起点として自由な突出部を有していることにより解決される。この場合、自由な突出部は、シールエレメントの半径方向で、弁座の半径の少なくとも２倍の大きさに、しかし弁座の半径の最大で５倍の大きさに形成されている。これによって、突出部が、不都合なガス漏れをもたらし得るように小さ過ぎたり、開放力の不都合な上昇をもたらし得るように大き過ぎたりしないことが確実にされる。ガス状の媒体として、水素が使用されると有利である。水素は燃料電池に供給される。

請求項２以下には本発明の有利な実施形態が記載されている。

さらに有利には、自由な突出部が、弁座の半径の少なくとも２．５倍の大きさに、かつ弁座の半径の最大で４倍の大きさに形成されており、特に弁座の半径の３倍の大きさに形成されている。

有利には、自由な突出部が、０．２０ｍｍ〜０．４０ｍｍの範囲、特に有利には０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍの範囲であり、さらに有利には約０．３０ｍｍである。

有利には、自由な突出部が、当該突出部が弁座に沿って一定の幅を有しているように形成されている。これによって、比例弁の一様な開放特性および閉鎖特性が達成され得る。

有利には、弁座の半径が、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲であり、有利には約０．１０ｍｍに形成されている。

開放された比例弁において出来るだけ良好な流れを達成するためには、傾斜した領域が設けられていると有利であり、この場合、半径が直接に傾斜した領域に移行しているようにされる。この場合、傾斜した領域が、比例弁の中心軸線に対して垂直な平面に対して、約１０°の角度を有していると有利である。

本発明の有利な別の実施形態によれば、シールエレメントの厚さに対する自由な突出部の比が、０．４０〜０．８０の範囲であり、有利には約０．６０である。この場合、シールエレメントが、０．５０ｍｍの厚さを有していると有利である。

本発明は、さらに、燃料電池と、ガス状の水素を制御するための本発明による比例弁とを備える燃料電池アッセンブリに関する。

以下に本発明の有利な実施形態を添付の図面につき詳しく説明する。

本発明の第１の実施形態による比例弁の概略的な断面図である。 図１に示した比例弁の拡大図である。 比例弁のノズルボディの拡大した断面図である。 弁座の拡大図である。 本発明の第２の実施形態による比例弁の一部を示す拡大図である。

以下に図１から図４に関連して、ガス状の媒体を制御する、第１の実施形態による比例弁１を詳しく説明する。この場合、図面に示した比例弁１は、車両の燃料電池に供給されるガス状の水素を制御するために役立つ。

図１から判るように、比例弁１は、弁ケーシング６を、磁石アーマチュア１２と、磁石コイル１３と、磁石アーマチュア１２に結合されたピン１１と共に有している。閉鎖ばね１４は、ばね受け部１５を介してピン１１に結合されている。閉鎖ばね１４の戻し力を調節するための調節ピンは符号１６で示されている。磁石コイル１３は、プラスチック射出成形により弁ケーシング６に固着された被覆体１７内に固定されている。比例弁１の側方には、電気的なコネクタ接続部１８が設けられている。ピン１１の、閉鎖ばね１４とは反対側の端部には、閉鎖エレメント４が取り付けられている。閉鎖エレメント４は、ノズルボディ２内に形成された通流開口３を閉じる。この場合、通流開口３は、比例弁１の中心軸線Ｘ−Ｘを中心としてキドニ（腎臓）形に配置されている。この場合、３つの通流開口３が設けられていると有利であるが、単に２つ、または４つあるいは５つの通流開口が形成されていてもよい。個別の通流開口３の間には、それぞれウェブ２４が形成されている（図３を参照）。

さらに図１から判るように、ノズルボディ２には、フィルタ１９が設けられている。このフィルタ１９を通って、ガス状の媒体の流れ込み（矢印Ａ）が行われる。比例弁を構成部材内に密封するためには、Ｏリング２０が設けられている。ガス状の媒体の流出は半径方向（矢印Ｂ）で行われる。

閉鎖エレメント４には、特に図２から判るように、鉛直な１つの流過孔９と、水平方向の複数の流過孔１０とが設けられている。この実施形態では、水平方向の３つの流過孔１０が設けられている。さらに閉鎖エレメント４には、環状の弾性的なシールエレメント５が配置されている。この環状のシールエレメント５は、通流開口３を弁座２１において密閉する。弁座２１は、それぞれ通流開口３の外周を取り囲んで延びている。

図２から判るように、通流開口３の開口領域は、ノズルボディ２の凹部２６内に形成されている。

さらに、弁ケーシング６内には、半径方向に延びる流出孔７，８が配置されている。比例弁１の開放時に、閉鎖エレメント４は、シールエレメント５と共に、ノズルボディ２に設けられた弁座２１から持ち上げられて、閉鎖エレメント４のストロークに相応して開放横断面を開放する。この実施例では、流路が、閉鎖エレメント４内に流過孔９，１０を介して形成されているので、ガスは、閉鎖エレメント４を通って流出孔７，８内に流れ、かつ閉鎖エレメント４のすぐ側方を通過して流出孔７，８内に流れる。これによって、閉鎖エレメント４の比較的に小さなストロークの場合でも、より大きなガス量が流出することができる。

比例弁１の閉じられた状態を示す図２から判るように、シールエレメント５は、半径方向で見て通流開口３を起点として弁座２１の外方に向かってそれぞれ１つの自由な突出部２５が設けられているように規定されている。この場合、自由な突出部２５の幅は、通流開口３の周方向でそれぞれ一定である。弁座２１は、所定の半径Ｒ（図４）を有していて、中心軸線の方向Ｘ−Ｘで見た半径Ｒの最高点において線形のシール部を形成する。突出部２５は、弁座２１におけるライン状のシール部から半径方向に規定されている。この場合、ライン形のシール部は、通流開口３を完全に取り囲んで延びている。

この実施形態では、自由な突出部２５の幅は、それぞれ０．３０ｍｍである。図４からさらに判るように、弁座２１は、Ｒ＝０．１０ｍｍの半径長さを有する半径Ｒにそれぞれ形成されている。この場合、通流開口３の端領域は、図４から判るように、通流開口３の円筒状の領域を起点として、壁が、半径Ｒにより形成された円弧状の領域２２に移行し、次いで傾斜した領域２３に移行するように形成されている。図４から判るように、傾斜した領域２３は平面Ｅに対して約１０°の角度αで傾斜している。この場合、平面Ｅは、比例弁の中心軸線Ｘ−Ｘに対してかつ通流開口３の中心軸線Ｙ−Ｙに対して垂直である。

この場合、突出部２５は、当該突出部２５が、半径方向で上記半径Ｒの二倍の大きさに形成されているように選択されている。これによって、一方では、シールエレメント５の、弁座２１に対する十分な面圧が可能となるので、弁座２１における高いシール性が達成される。さらに、０．１０ｍｍの半径Ｒが、シールエレメントの比較的小さな負荷を保証するので、たとえばエラストマから製造されるシールエレメント５の高い耐久性が達成される。さらに、突出部２５は、比例弁のストロークにわたる開放力の一様な経過（直線的な変化）を生ぜしめる。この場合、大き過ぎる突出部２５は、シールエレメント５とノズルボディ２との間の圧力上昇に基づいて、比例弁の開放過程時の望ましくない開放力を意味する。小さ過ぎる突出部２５は、望ましくないガス漏れにつながり得る。半径Ｒに対する突出部２５の比を維持することにより、必要となる開放力と、ガス状の媒体に対する比例弁の必要なガス密性との間の最適条件が達成され得る。これによって、シールエレメント５のために廉価な材料も使用することができる。

さらに、シールエレメント５の厚さＤは、当該厚さＤに対する自由な突出部の比が０．６０となるように選択されている（自由な突出部２５：厚さ＝０．６０）。この比は、弁座２１に対する確実なシールを提供する。

以下に、図５に関連して、本発明の第２の実施形態による比例弁を詳細に説明する。図５では、第１の実施形態と同一もしくは機能同一な構成部分は、同一の符号で示されている。

第１の実施形態とは異なり、第２の実施形態の比例弁は、キドニ（腎臓）形の複数の通流開口を有しておらず、１つの中央の通流開口３０を有している。図５は、やはり比例弁の閉じられた状態を示している。この状態では、シールエレメント５は、環状の弁座２１に載置されていてかつ弁座２１においてシールしている。さらに、第１の実施形態とは異なり、第２の実施形態では、閉鎖エレメント４内に流過開口が形成されていない。流過開口は、第２の実施形態では不要である。なぜならば、中央の通流開口３０の比較的大きな直径により、十分な媒体流が可能であるからである。

第２の実施形態は、特に単純な構成部材を有しているので、このような形式の比例弁のための製造費用を削減することができる。その他の点では、この第２の実施形態は第１の実施形態に対応するので、第１の実施形態に対して成された上記説明を参照することができる。さらに、比例弁は、択一的には、閉鎖エレメント４が弁座に設けられていて、環状のシールエレメントがノズルボディ２に通流開口３０を巡って設けられているように形成されていてもよい。

したがって、本発明によれば、特に燃料電池へのガス供給のために使用される水素ガス流を制御するための比例弁１が提供される。本発明による構成は、確実なシールと、水素の極めて正確な計量供給とを可能にする。なぜならば、弁座２１に対するシールエレメント５の付着による、不正確な開閉を回避することができるからである。

１ 比例弁
２ ノズルボディ
３ 通流開口
４ 閉鎖エレメント
５ シールエレメント
６ 弁ケーシング
７ 流出孔
８ 流出孔
９ 流過孔
１０ 流過孔
１１ ピン
１２ 磁石アーマチュア
１３ 磁石コイル
１４ 閉鎖ばね
１５ ばね受け部
１６ 調節ピン
１７ 被覆部
１８ コネクタ接続部
１９ フィルタ
２０ Ｏリング
２１ 弁座
２２ 半径
２３ 傾斜した領域
２４ ウェブ
２５ 突出部
２６ 凹部

Claims (14)

1. ガス状の媒体を制御するための比例弁であって、
   少なくとも１つの通流開口（３）を備えるノズルボディ（２）と、
   通流開口（３）を弁座（２１）において開閉する閉鎖エレメント（４）と、
   弁座（２１）において密閉する弾性的なシールエレメント（５）とが設けられていて、
   弁座（２１）が、所定の半径（Ｒ）を有しており、
   シールエレメント（５）が、弁座（２１）を起点として半径方向で自由な突出部（２５）を有していて、該自由な突出部（２５）が、前記半径（Ｒ）の少なくとも２倍の大きさにかつ前記半径（Ｒ）の最大で５倍の大きさに形成されており、
   前記半径（２２）が、ノズルボディ（２）で傾斜した領域（２３）に移行しており、
   傾斜した領域（２３）が、前記比例弁の中心軸線（Ｘ−Ｘ）に対して垂直に配置された平面（Ｅ）に対して１０°の角度（α）で配置されていることを特徴とする、ガス状の媒体を制御するための比例弁。
2. ガス状の媒体を制御するための比例弁であって、
   少なくとも１つの通流開口（３）を備えるノズルボディ（２）と、
   通流開口（３）を弁座（２１）において開閉する閉鎖エレメント（４）と、
   弁座（２１）において密閉する弾性的なシールエレメント（５）とが設けられていて、
   弁座（２１）が、所定の半径（Ｒ）を有しており、
   シールエレメント（５）が、弁座（２１）を起点として半径方向で自由な突出部（２５）を有していて、該自由な突出部（２５）が、前記半径（Ｒ）の少なくとも２倍の大きさにかつ前記半径（Ｒ）の最大で５倍の大きさに形成されており、
   シールエレメント（５）の厚さ（Ｄ）に対する自由な突出部（２５）の比が、０．４０〜０．８０であることを特徴とする、ガス状の媒体を制御するための比例弁。
3. シールエレメント（５）の厚さ（Ｄ）に対する自由な突出部（２５）の比が、０．６０である、請求項２記載の比例弁。
4. ガス状の媒体を制御するための比例弁であって、
   少なくとも１つの通流開口（３）を備えるノズルボディ（２）と、
   通流開口（３）を弁座（２１）において開閉する閉鎖エレメント（４）と、
   弁座（２１）において密閉する弾性的なシールエレメント（５）とが設けられていて、
   弁座（２１）が、所定の半径（Ｒ）を有しており、
   シールエレメント（５）が、弁座（２１）を起点として半径方向で自由な突出部（２５）を有していて、該自由な突出部（２５）が、前記半径（Ｒ）の少なくとも２倍の大きさにかつ前記半径（Ｒ）の最大で５倍の大きさに形成されており、
   前記ガス状の媒体が、水素であることを特徴とする、ガス状の媒体を制御するための比例弁。
5. 自由な突出部（２５）が、前記半径（Ｒ）の少なくとも２．５倍の大きさにかつ前記半径（Ｒ）の最大で４倍の大きさに形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の比例弁。
6. 自由な突出部（２５）が、前記半径（Ｒ）の３倍の大きさに形成されている、請求項５記載の比例弁。
7. 自由な突出部（２５）が、０．２０ｍｍ〜０．４０ｍｍの範囲である、請求項１から６までのいずれか１項記載の比例弁。
8. 自由な突出部（２５）が、０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍの範囲である、請求項７記載の比例弁。
9. 自由な突出部（２５）が、０．３０ｍｍに形成されている、請求項７記載の比例弁。
10. 自由な突出部（２５）が、弁座（２１）に沿って一定の幅を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の比例弁。
11. 前記半径（２２）が、０．０５ｍｍ〜０．１５ｍｍの範囲である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の比例弁。
12. 前記半径（２２）が、０．１０ｍｍに形成されている、請求項１１項記載の比例弁。
13. シールエレメント（５）が、０．５０ｍｍの厚さ（Ｄ）を有している、請求項１から１２までのいずれか１項記載の比例弁。
14. 燃料電池アッセンブリであって、燃料電池への水素供給を制御する、請求項１から１３までのいずれか１項記載の比例弁を有していることを特徴とする、燃料電池アッセンブリ。

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