JP7149966B2 - 気体状の媒体を制御するための比例弁、および燃料電池構造 - Google Patents

Description

本発明は、気体状の媒体を制御するための比例弁、および燃料電池構造に関する。

特許文献１には、たとえば水素などの気体状の媒体を制御するための比例弁が記載されている。ニードルとして構成される閉止部材が閉止ばねと結合される。磁気コイルとアーマチュアとを含むアクチュエータを通じて、ニードルが通過開口部を開放および閉止するように可動に構成される。

独国特許出願公開第１０２０１００４３６１８号明細書

本発明は、気体状の媒体を制御するための比例弁、および燃料電池構造を前提とする。

請求項１に記載の比例弁の利点は、製造時の公差要求を、比例弁の密閉性に犠牲を払うことなく低減することができるので、低コストな具体化が可能になることにある。このように、良好なシート密閉性およびこれに伴ってガス調量における高い信頼度と安全性、ならびに好都合な弁製作を可能にすることができる。

このことは、可動の閉止部材と、閉止部材に配置された第１のばねとを含む、気体状の媒体を、特に水素を制御するための請求項１に記載の比例弁によって実現される。第１のばねは、第１のばね力を閉止方向へ閉止部材に対して及ぼすためにセットアップされる。さらに比例弁はアクチュエータを含み、アクチュエータは、第１のばね力と反対方向を向く調整可能な力を提供するためにセットアップされる。閉止部材は、通過開口部を運動によって閉止および開放するためにセットアップされる。請求項１に記載の比例弁は、閉止部材の端部に配置された閉鎖部材を含むことを特徴とする。さらにこの比例弁は第２のばねを含み、第２のばねは閉鎖部材に配置され、第２のばねは第２のばね力を閉鎖部材に対して及ぼすためにセットアップされ、第２のばね力は第１のばね力と反対方向に作用することを特徴とする。

１つの利点は、通過開口部の確実な閉止が第１のばね力と第２のばね力の設計に依存することにあり、それぞれのばねの製作およびこれに伴ってばね力の設計を高い精度で行うことができる。すなわち、確実な閉止はそれぞれのばねの力の差に依存し、絶対的な力に依存するのではない。さらに別の利点は、第２のばねが開放方向に作用し、そのようにして、閉止部材と閉鎖部材が互いに分離するのを防止することにあり、このことが特に関心の対象となるのは、閉止部材と閉鎖部材が互いに固定的に結合されるのではなく、互いに分離されて施工される場合である。閉止部材と閉鎖部材の分離された施工の利点は、閉鎖部材と閉止部材の間の運動が可能なので、閉鎖部材を弁座と平行にアライメントできることにある。このように、閉鎖部材は閉止部材と弁座の間に公差があるときでも平行にアライメントすることができ、良好な密閉性が実現される。第２のばねの配置からもたらされる別の利点は、比例弁の摩耗が低減され、それに伴って比例弁の耐用寿命を延ばせることにある。

別の実施形態では、閉止部材は、通過開口部の領域に構成される弁座を閉止または解放するために構成されていてよい。１つの利点は、そのようにして供給圧力の上昇時に弁座の密閉性を保証できることにある。

別の実施形態では、閉止部材と閉鎖部材は第１のばね力と第２のばね力によって互いに接するように配置される。１つの利点は、閉止部材と閉鎖部材の結合が簡易化されることにある。なぜならば、閉止部材と閉鎖部材を別個のコンポーネントとして施工することができ、互いに固定的に結合されるのでなく、第１のばね力と第２のばね力によって互いに固定されるからである。さらに、それによって十分な密閉性の実現のための精度を落とすことなく、比例弁の構造に関わる公差要求を下げることができる。別の利点は、結果として生じるばね力の改善された調整可能性がそのようにして可能になることである。

別の実施形態では、第１のばね力は数値的に第２のばね力よりも高くなっていてよい。１つの利点は、通過開口部が基本状態のときに、すなわちアクチュエータが通電されていないときに閉止され、そのようにしてガスが通過開口部を通過できないことにある。

別の実施形態では、第２のばね力は、供給圧力と貫流とによってもたらされる、最大限発生する弁座での閉止力よりも大きく選択することができる。それにより、弁座がどのような動作条件のときでも確実に開くことを保証できるという利点がある。

別の実施形態では、閉鎖部材は支持構造を含むことができ、第２のばねは支持構造を介して閉鎖部材と作用結合される。１つの利点は、そのようにして閉鎖部材への第２のばねの配置が簡単な仕方で具体化され、さらには、第２のばね力が第１のばね力と反対方向に作用することを可能にすることができることにある。

別の実施形態では、閉鎖部材はカップ状に構成されていてよい。このようにして第２のばねが、第１のばね力と反対方向に作用する第２のばね力を閉鎖部材に対して及ぼすことができるという利点がある。１つの利点は、そのようにして第２のばねを省スペースに配置することができ、そのようにして比例弁のコンパクト性を高めることができることにある。

別の実施形態では、通過開口部のほうを向いている閉鎖部材の面に弾性部材が配置されていてよい。それにより、閉じた状態のときに閉鎖部材が通過開口部をわずかな圧着力ですでに封止することを実現できるという利点があり、それによりガスが通過開口部を通り抜けることができない。このようにして、正確なガス調量を可能にすることができる。

別の実施形態では、流入室と閉止部材が通過開口部の第１の側に配置されていてよく、第１の側と反対を向くほうの通過開口部の第２の側に流出室が構成されていてよく、流入室と流出室は通過開口部を介して相互に接続可能である。１つの利点は、そのようにして流入室のガスが閉止力のために寄与し、そのようにして、特に基本状態のとき閉鎖部材による通過開口部の封止にあたってサポートをするように作用することにある。このようにして、比例弁の密閉性と確実性を高めることができる。

別の実施形態では、閉鎖部材と閉止部材の接触個所を中高に施工することができる。１つの利点は、それによって角度公差の補償を改善できるということにある。このようにして、比例弁の密閉性と確実性を高めることができる。

別の実施形態では、アクチュエータは磁気コイルと磁気アーマチュアとを含むことができ、磁気アーマチュアは閉止部材と固定的に結合され、磁気アーマチュアは磁気コイルによってストローク運動可能である。１つの利点は、そのようにして開放ストロークを無段階に調整することにある。なぜならば、第１および第２のばね力がフックの法則に従ってそれぞれのばねの撓みと比例し、そのようにしてガス調量を調整できるからである。

燃料電池への水素供給を制御するための比例弁を有する燃料電池構造は、ガス調量の確実な調整を可能にすることができ、そのようにして、ガス調量を燃料電池の需要に合わせて確実に適合化できるという利点がある。別の利点は、燃料電池のアノード経路における少ない圧力変動、および比例弁の静かな動作である。

本発明の実施例を図面に示し、以下の記述において詳しく説明する。それぞれの図面の同じ符号は、同一または同一作用の部材を表している。

第１のばねと第２のばねとを含む、第１の実施例に基づく比例弁を示す断面図である。 閉止部材と閉鎖部材の間の中高に施工された接触個所を有する、第２の実施例に基づく比例弁を示す断面図である。 比例弁を有する燃料電池構造の簡略化した構造である。 第３の実施例に基づく比例弁の断面を示す部分図である。 第４の実施例に基づく比例弁の断面を示す部分図である。

図１には、気体状の媒体を、特に水素を制御するための比例弁１００の断面が第１の実施例に基づいて示されている。この比例弁１００は、可動の閉止部材３０１と、閉止部材３０１に配置された第１のばね３０２とを含んでおり、第１のばね３０２は第１のばね力を閉止方向４０９へ閉止部材３０１に対して及ぼす。第１のばね３０２は、ここでは圧縮コイルばねとして構成されている。第１のばね３０２は閉止部材３０１の第１の端部に配置されており、第１のばね３０２は他方の端部をもってバルブハウジング１０４に支持されている。バルブハウジング１０４は、ここでは比例弁１００の全体を取り囲む。第１の端部と反対を向くほうの閉止部材３０１の端部には、閉鎖部材３０５が配置されている。さらに比例弁１００は、アクチュエータ２００を含んでいる。アクチュエータ２００と閉止部材３０１はバルブハウジング１０４の中に配置されている。アクチュエータ２００は、第１のばね力と反対方向を向く調整可能な力を閉止部材３０１に対して提供するためにセットアップされている。閉止部材３０１は、通過開口部１０２を運動によって閉鎖および開放するためにセットアップされている。

アクチュエータ２００は、図１に示す実施例では、閉止部材３０１と固定的に結合された磁気アーマチュア２０２と、磁気コイル２０１とを含んでいる。磁気アーマチュア２０２は、磁気コイル２０１によってストローク運動可能である。磁気アーマチュア２０２は少なくとも部分的に磁気コイル２０１の内部に配置される。磁気アーマチュア２０２は、ここでは円筒状に構成されている。閉止部材３０１はここではロッド状に構成されており、ロッド状の閉止部材３０１は磁気アーマチュア２０２を通って磁気アーマチュア２０２の対称軸４１１に沿って延びるとともに、対称軸４１１に対して平行にストローク運動可能である。

さらに、内極２０４が部分的に磁気コイル２０１の内部に収容されており、外極２０５がバルブハウジング１０４と磁気コイル２０１の間に配置され、それによってプランジャ形アーマチュアを形成する。スペーサブッシュ部材２０３が磁気コイル２０１の内部に配置されていて、これにより内極２０４が、磁気コイル２０１の内部まで延びるバルブハウジング区域１０４’と結合される。バルブハウジング区域１０４’は、図１では中空円筒状に構成されている。内極２０４と、磁気コイル２０１の内部まで延びるバルブハウジング区域１０４’とは、磁気アーマチュア２０２のための案内部としての役目を果たす。スペーサブッシュ部材２０３は非磁性材料で、たとえば非磁性金属で構成されるのが好ましい。バルブハウジング１０４と内極２０４は、スペーサブッシュ部材２０３とともにアーマチュア室４０５を区切り、その中に磁気アーマチュア２０２が配置されている。内極２０４は、アーマチュア室４０５と反対を向く側で、バルブハウジング１０４とともにばね室４０１を包囲し、その中に第１のばね３０２が配置されている。ばね室４００は第１の通路４０６を介してアーマチュア室４０５と接続され、アーマチュア室４０５は第２の通路４０７を介して流入室４０１と接続されている。第１の通路４０６と第２の通路４０７は、ばね室４００、アーマチュア室４０５、および流入室４０１の間の圧力補償を可能にする。

図１の比例弁１００は、閉鎖部材３０５に配置された第２のばね３０４を含んでいる。図１に示す実施例では、閉鎖部材３０５は支持構造３０３を含んでおり、第２のばね３０４は支持構造３０３を介して閉鎖部材３０５と作用結合されている。閉鎖部材３０５は図１ではカップ状に構成されており、支持構造３０３は閉鎖部材３０５の環状の突出部を形成し、これに第２のばね３０４が支持される。閉止部材３０１と閉鎖部材３０５の対称軸４１１は同一である。閉鎖部材３０５と第２のばね３０４は、図１では比例弁１００の流入室４０１の中に配置されており、流入室４０１は、図１に示す実施例では、バルブハウジング１０４とノズル体１０１とによって区切られる。流入室４０１は通過開口部１０２を介して流出室４０２と接続可能である。比例弁１００の周囲と流入室４０１との間で開口部として構成された流入通路４０８を介して、ガスを、たとえば水素を、流入方向４０３で周囲から流入室４０１の中へ入れることができる。閉鎖部材３０５が通過開口部１０２を解放すると、ガスが流出方向４０４で流入室４０１から流出室４０２の中へ流れることができる。図１では流出室４０２は、部分的にバルブハウジング１０４に収容されるノズル体１０１によって区切られる。その代替または補足として、流出室４０２が少なくとも部分的にバルブハウジング１０４によって区切られていてもよい。流入室４０１のほうを向いている通過開口部１０２の側に、弁座１０３が構成されている。図１では、弁座１０３は平形弁座としてノズル体１０１に設けられており、閉鎖部材３０５とノズル体１０１の間に図１では弾性部材３０６が配置されている。図４に詳細図として示している別の実施例では、密閉性を高めるために弾性部材３０６に高くなったシールエッジが設けられる。

第１のばね３０２は、第１のばね力を閉止方向４０９で閉止部材３０１に対して及ぼすためにセットアップされている。第１のばね３０２は、一方では第１の端部をもってバルブハウジング１０４に支持されて、第１のばね力を閉止部材３０１に伝達する。他方では、第１のばね３０２はその第２の端部をもって閉止部材３０１に支持される。図１では、閉止部材３０１と第１のばね３０２の間にばね板３００が追加的に配置されている。ばね板３００は、第１のばね３０２の第１のばね力を閉止部材３０１に伝達することができる。第１のばね３０２は閉止部材３０１およびこれに伴って閉鎖部材３０５を、閉止方向４０９すなわち弁座１０３に向かう方向に作用する第１のばね力によって付勢する。閉鎖部材３０５は、流入通路４０８を通って流れ込むガスにより、別の力によって同じく閉止方向４０９へ付勢される。第２のばね３０４は、第１のばね力と反対方向に作用する第２のばね力を閉鎖部材３０５に対して及ぼす。第１のばね３０２の第１のばね力と、第２のばね３０４の第２のばね力はフックの法則に従ってストローク依存的である。閉止部材３０１に対しては、第１のばね力と第２のばね力の差に依存する力が作用し、この力の差はばねの撓みに対して線形である。第２のばね３０４は、図１では、閉鎖部材３０５を開放方向４１０の力によって付勢する。第１のばね３０２と第２のばね３０４は、これらが閉止部材３０１と閉鎖部材３０５を相互に押圧することによって、閉止部材３０１と閉鎖部材３０５の結合のために作用する。このようにして、たとえば閉止部材３０１と閉鎖部材３０５を別々に製造し、閉止部材３０１と閉鎖部材３０５の間の固定的な結合を省略することが可能である。ばね力とバルブダイナミクスが相応に設計されていれば、比例弁１００の作動時に各コンポーネントが分離するのを回避することができ、このことは摩耗の問題を防止する。たとえば、第１のばね力は数値的に第２のばね力よりも大きくなっていてよく、それにより、比例弁１００が基本状態にあるとき通過開口部１０２が閉鎖され、磁気コイル２０１が通電されたときに初めて開く。その代替または補足として第２のばね力は、供給圧力と貫流とによってもたらされる、最大限発生する弁座１０３での閉止力よりも大きく選択することができる。供給圧力は流入室４０１の圧力に相当する。それにより、どのような動作条件のもとでも弁座１０３が確実に開くことを保証することができる。

比例弁１００によるガスの調量は、磁気コイル２０１への通電によって行われる。基本状態のとき、すなわち磁気コイル２０１が通電されていないとき、弁座１０３は第２のばね３０４により第２のばね力で開放方向４１０へ付勢されるとともに、閉止部材３０１を介して第１のばね力で閉止方向４０９へ付勢される。第１のばね３０２の第１のばね力が、閉止方向４０９に作用するその他の空気圧の力と合わせて、開放方向４１０に作用する第２のばね力よりも大きいとき、弁座１０３は閉じたまま保たれる。磁気コイル２０１が通電されると、磁気アーマチュア２０２が磁気コイル２０１の磁場によって開放方向４１０へ動く。磁気アーマチュア２０２に対する、およびこれに伴って閉止部材３０１に対する力は、第１のばね力に抗して開放方向４１０へ作用し、それにより閉鎖部材３０５では開放方向４１０の力が勝り、したがって通過開口部１０２と弁座１０３が解放される。磁気アーマチュア２０２のストローク運動は、磁気コイル２０１の電流強さの調整によって制御することができる。このとき電流強さが上昇すると、増大する開放ストロークが実現されて、より多くのガスが流入室４０１から通過開口部１０２を通って流出室４０２へ誘導される。電流強さが低下すると、開放ストロークも縮小する。通電が終了すると、第１のばね３０２と流入室４０１の供給圧力に基づいて弁座１０３が閉じる。

図２には、別の実施例に基づく比例弁１００の断面が示されている。図１の比例弁１００とは異なり、閉止部材３０１と閉鎖部材３０５の間の接触個所３０７が中高に構成されている。

図３には、燃料電池５０１への水素供給を制御するための比例弁１００を有する可能な燃料電池構造５００の簡略な構造が示されている。燃料電池構造５００はアノード領域５０４とカソード領域５０６とを含んでいる。さらに燃料電池構造５００は、ここでは水素である気体状の媒体が中に蓄えられたタンク５０２を含んでいる。流入配管５０２を介して、気体状の媒体がタンク５０２から、バルブハウジング１０４にある開口部として具体化される流入通路４０８を通って比例弁１００の流入室４０１の中へ、たとえば図１および２に示すように案内される。通過開口部１０２を介して、気体状の媒体を噴射ポンプ５０３のノズル体１０１に案内することができ、そこから燃料電池５０１のアノード領域５０４に供給することができる。

比例弁１００により、開放ストロークを調整することで、比例弁１００を通る気体状の媒体の流量を制御することができる。開放ストロークの調整は、制御ユニット５０５により、比例弁１００の磁気コイル２０１での電流強さを調整することで行われる。開放ストロークの量は電流強さに依存する。それにより、燃料電池５０１へのガス供給の必要性に即した調整を行うことができる。

図５は、別の実施例に基づく比例弁１００の断面の部分図を示している。この実施例は第２のばね３０４の構造に関して、図１に示す実施例と相違する。図５に示す実施例では、第２のばね３０４が下流側に、すなわち流出室４０３に配置されている。支持構造３０３は、ここでは円板状の部材３０３’’と結合ピン３０３’とを含んでいる。結合ピン３０３’は、第１の端部で閉鎖部材３０５に当接するとともに、第２の端部で円板状の部材３０３’’と結合されている。結合ピン３０３’は閉鎖部材４０５に中心で当接する。第２のばね力は開放方向４１０に作用する。第２のばね３０４は、支持構造３０３と反対を向くほうの第２のばね３０４の側に配置されたスプリングワッシャ３０８に支持されており、円板状の部材３０３’’に対して、およびこれに伴って結合ピン３０３’に対して押圧をし、結合ピンが開放方向４１０の力を閉鎖部材４０５に伝達する。それにより、ばね力が中央で閉鎖部材３０５に導入され、それにより開放時の閉鎖部材３０５の変位ないし傾動を回避することができる。スプリングワッシャ３０８は、閉鎖部材３０５と反対を向くほうのノズル体１０１の側に配置されている。スプリングワッシャ３０８は第２のばね力の調整を可能にする。そのためにスプリングワッシャ３０８は、図５に示すように、ねじ山３０８’を備えていてよい。その代替または補足として、スプリングワッシャ３０８に目盛を刻印することができる。そのためにスプリングワッシャ３０８には、測定用キャリパによって支持構造３０３に達するために、中央の穴が配置されている。第２のばね３０４への良好なアクセス性により、そのために簡単な仕方で第２のばね３０４の調整を、たとえばねじ山３０８’や目盛の刻印工程によって具体化することができる。それによりコンポーネント公差を低減することができる。さらに、そのようにして第１のばね３０２を、すなわち閉止をするばねを、調整可能ではない設計形態を具体化することができる。公差を補償するために、ばねのうち少なくとも１つを調整可能であるのがよいので、このことを第２のばね３０４の調整を通じて行うことができる。

１００ 比例弁
１０２ 通過開口部
１０３ 弁座
２００ アクチュエータ
２０１ 磁気コイル
２０２ 磁気アーマチュア
３０１ 閉止部材
３０２ 第１のばね
３０３ 支持構造
３０４ 第２のばね
３０５ 閉鎖部材
３０６ 弾性部材
３０７ 接触個所
４０１ 流入室
４０２ 流出室

Claims (7)

1. 水素を制御するための比例弁（１００）であって、
   可動の閉止部材（３０１）と、前記閉止部材（３０１）に配置された第１のばね（３０２）とを含み、前記第１のばね（３０２）は第１のばね力を閉止方向へ前記閉止部材（３０１）に対して及ぼすためにセットアップされ、
   アクチュエータ（２００）を含み、前記アクチュエータ（２００）は第１のばね力と反対方向を向く前記閉止部材（３０１）に対する調整可能な力を提供するためにセットアップされ、
   前記閉止部材（３０１）は通過開口部（１０２）を運動によって閉鎖および開放するためにセットアップされる、そのような比例弁において、前記比例弁（１００）は、
   前記閉止部材（３０１）の端部に配置された閉鎖部材（３０５）を含み、
   第２のばね（３０４）を含み、前記第２のばね（３０４）は第２のばね力を前記閉鎖部材（３０５）に対して及ぼすためにセットアップされ、第２のばね力は第１のばね力と反対方向に作用し、
   流入室（４０１）と前記閉止部材（３０１）は前記通過開口部（１０２）の第１の側に配置され、流出室（４０２）は前記第１の側と反対を向くほうの前記通過開口部（１０２）の第２の側に構成され、前記流入室（４０１）と前記流出室（４０２）は前記通過開口部（１０２）を介して相互に接続可能であり、
   前記流出室（４０２）に配置され、一端がスプリングワッシャ（３０８）に支持される前記第２のばね（３０４）は、支持構造（３０３）を介して前記閉鎖部材（３０５）の中央を押圧することを特徴とする比例弁。
2. 前記閉止部材（３０１）は前記通過開口部（１０２）の領域に構成された弁座（１０３）を閉止または解放するために構成されることを特徴とする、請求項１に記載の比例弁（１００）。
3. 前記閉止部材（３０１）と前記閉鎖部材（３０５）は第１のばね力と第２のばね力によって互いに接するように配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の比例弁（１００）。
4. 第１のばね力は数値的に第２のばね力よりも大きいことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の比例弁（１００）。
5. 第２のばね力は前記弁座で最大限発生する閉止力よりも大きく、該最大限発生する閉止力は前記水素の流体圧からもたらされることを特徴とする、請求項２に記載の比例弁（１００）。
6. 前記アクチュエータ（２００）は磁気コイル（２０１）と磁気アーマチュア（２０２）を含み、前記磁気アーマチュア（２０２）は前記閉止部材（３０１）と固定的に結合され、前記磁気アーマチュア（２０２）は前記磁気コイル（２０１）によってストローク運動可能であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の比例弁（１００）。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の比例弁（１００）を有している燃料電池構造。

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