CN110785590A - 用于控制气体介质的比例阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制气体介质、尤其氢的比例阀(1)，具有阀壳体(2)，在所述阀壳体上构造有喷嘴体(20)。在阀壳体(2)中布置有关闭元件(18)，其中，关闭元件(18)在构造在喷嘴体(20)上的阀座(30)处释放或关闭至少一个构造在喷嘴体(20)上的通流开口(27)。此外，所述关闭元件(18)在喷嘴体(20)中在轴向导向部(16)中以能进行升降行程运动的方式被导向。

Description

用于控制气体介质的比例阀
技术领域
本发明涉及一种用于控制气体介质、尤其氢的比例阀，例如用于在具有燃料电池驱动装置的车辆中。
背景技术
在车辆开发领域中，气态燃料、尤其氢是传统液态燃料的替代物。在此，在以燃料电池作为驱动器的车辆中必须控制氢气流，其中，气体流不是如在喷射液态燃料时那样被间歇地控制，而是例如使用比例阀，所述比例阀根据希望的驱动功率匹配开口横截面。
DE 10 2012 204 565 A1描述了一种用于控制气体介质、尤其氢的比例阀，其中，该比例阀包括喷嘴体、关闭元件和弹性密封元件。在喷嘴体中构造由至少一个通流开口，所述通流开口可被关闭元件在阀座上释放或封闭。在此，弹性密封元件在阀座上密封并且具有带有内壁区域的槽口。在比例阀的关闭状态中，内壁区域被加载以气体介质压力。
比例阀的优点在于，在使用比例阀时，在燃料电池的阳极路径中仅出现小的压力波动并且可以确保安静的运行。在比例阀的正常运行范围内出现频繁的打开和关闭过程。为了优化燃料电池的阳极路径中的冲洗过程或为了优化燃料电池组件中的抽吸射流泵的运行，也可能希望附加的关闭过程。比例阀的频繁打开和关闭导致阀座处的磨损，尤其当使用具有弹性密封元件的关闭元件时，如在DE 10 2012 204 565 A1中所示。
发明内容
与现有技术相比，用于控制气体介质、尤其氢的本发明比例阀具有以下优点：即使在比例阀具有频繁的打开和关闭过程的情况下也确保阀座的密封性并且实现阀座的磨损的减少。为此，该比例阀具有阀壳体，在所述阀壳体上构造喷嘴体。在阀壳体中布置关闭元件，其中，关闭元件在构造在喷嘴体上的阀座上释放或关闭至少一个构造在喷嘴体上的通流开口。根据本发明，关闭元件能够在喷嘴体中在轴向导向部中以升降行程运动的方式被导向。
为了改善阀的密封性并且为了减少阀座上的磨损，关闭元件被导向，其中，导向部有利地直接构造在构造有阀座的构件中，即喷嘴体。由此，除了比例阀的优化的功能方式外，还实现了比例阀的使用寿命的提高。
在本发明构思的第一的有利扩展方案中设置，阀座构造为平阀座。有利地，在关闭元件和阀座之间布置弹性密封元件，所述弹性密封元件在阀座上密封。通过使用平阀座与弹性密封元件相组合用于在阀座上密封，可以以简单的方式并且在无较大结构设计变化的情况下确保比例阀的密封性，使得例如没有氢从比例阀向燃料电池的阳极区域的方向被引导。
在进一步的有利实施方式中，在阀壳体中构造流入室和流出室，所述流入室和流出室可以通过至少一个通流开口彼此连接。因此可以确保通过比例阀向燃料电池阳极区域方向的气体通流、尤其氢气通流。
在有利的扩展方案中设置，流入室被关闭元件划分为第一流入分室和第二流入分室，其中，第一流入分室和第二流入分室通过在关闭元件中构造的纵向孔彼此连接。由此可以在关闭元件打开的情况下实现从比例阀向燃料电池阳极区域方向气体通流、尤其氢气通流。
在本发明的进一步构造中有利地设置，在阀壳体中在内极和外极之间布置电磁线圈，其中，被接收在内极和阀壳体中的电磁衔铁可以通过电磁线圈进行升降行程运动。有利地，电磁衔铁在电磁衔铁室中与第一连接元件固定连接，其中，第一连接元件与关闭元件作用连接。因此，在操控电磁线圈时，关闭元件可以借助电磁衔铁从阀座抬起并且释放所述至少一个通流开口。
在本发明构思的进一步的有利构型中，阀壳体和内极限界弹簧室，在该弹簧室中布置有第一弹簧，其中，第一弹簧支撑在第一连接元件的背离关闭元件的端部上并且对与第一连接元件作用连接的电磁衔铁向关闭元件的方向加载力。第一弹簧确保第一连接元件与关闭元件的作用连接性，也就是说第一连接元件持续座落在关闭元件上。
在本发明的另一构型中有利地设置，弹簧室通过第一通道与电磁衔铁室连接。由此可以在弹簧室和电磁衔铁室之间建立造压力平衡，使得例如没有另外的气动力作用到第一连接元件或电磁衔铁上并且这些气动力不影响第一连接元件和电磁衔铁的行程。
在本发明构思的有利扩展方案中，在内极中构造通孔，其中，第一连接元件被接收在该通孔中并且被导向。因此可以优化结构空间利用的情况下确保比例阀的可靠的功能方式。
在本发明的进一步构型中有利地设置，电磁衔铁室通过第二通道与流入室或流出室连接。这同样使得可以实现电磁衔铁室、流入室和流出室之间的压力平衡，使得电磁衔铁的行程不被电磁衔铁室内的附加气动力影响。
在本发明的有利实施方式中，在流出室中布置有第二连接元件，其中，第二连接元件与关闭元件作用连接。有利地，在流出室中布置有第二弹簧，其中，第二弹簧支撑在第二连接元件和阀壳体上。因此，根据关闭元件的定向而定，第二弹簧支持阀座的密封性或关闭元件的快速有效打开，这有助于整个比例阀的优化的功能方式。
所说明的比例阀优选适合于燃料电池组件中用于控制向燃料电池阳极区域的氢供应。
附图说明
在附图中示出了用于控制气体、尤其氢到燃料电池的供应的本发明比例阀的实施例。附图中示出：
图1具有被导向的关闭元件的本发明比例阀的第一实施例的纵剖面，
图2具有被导向的关闭元件的本发明比例阀的第二实施例的纵剖面，
图3具有被导向的关闭元件的本发明比例阀的第三实施例的纵剖面，
图4具有图1、图2或图3的本发明比例阀的电池燃料组件的可能实施方式的示意图。
具体实施方式
图1以纵剖面示出了本发明比例阀1的第一实施例。比例阀1具有阀壳体2，在壳体中布置有外极4、内极8、电磁线圈6和喷嘴体20。在内极8中构造有第一通孔17，第一连接元件14穿过第一通孔伸出，其中，第一连接元件14在第一通孔17中被轴向导向。第一连接元件14与电磁衔铁10固定连接，其中，在电磁衔铁10和阀壳体2之间构造有磁气隙12。
内极8和阀壳体2限界弹簧室19，在该弹簧室中布置有第一弹簧26。第一弹簧26一方面支撑在阀壳体2上并且另一方面支撑在第一连接元件14的盘状端部15上，并且对所述盘状端部向喷嘴体20方向加载力。附加地，内极8和阀壳体2限界电磁衔铁室21，在所述电磁衔铁室中布置有与第一连接元件14固定连接的电磁衔铁10。弹簧室19和电磁衔铁室21通过第一通道7彼此连接。阀壳体2和内极8通过由非磁性材料制造的间隔衬套元件28彼此连接。
喷嘴体20与阀体2固定连接，其中，喷嘴体20具有通流开口27。在喷嘴体20的槽口25中，在轴向导向部16中，具有弹性密封元件22的关闭元件18被导向。在喷嘴体20上构造有平阀座30，所述阀座与关闭元件18的弹性密封元件22共同作用，使得在关闭元件18以弹性密封元件22置于平阀座30上时通流开口27是关闭的。
在通流开口27关闭的情况下，阀体2和喷嘴体20限界流入室34，气体、例如氢可以通过在阀壳体2中构造的进入开口23流入到所述流入室中。气体通过供应开口11进入，直至达到平阀座30。流入室34通过第二通道9与电磁衔铁室21连接。第一连接元件14通过在阀壳体2中构造的第二通孔29从电磁衔铁室伸入到流入室34中并且在第二通孔29上被轴向导向。此外，由于第一弹簧26的弹簧力，第一连接元件14以其朝向关闭元件18的端部33座落在关闭元件18上并且与关闭元件作用连接。在此，第一连接元件14的该端部33球状地构造，以便实现角度公差的更好补偿。
喷嘴体20和阀体2还限界流出室36，第二连接元件32和第二弹簧24布置在所述流出室中。第二连接元件32以一端部与关闭元件18固定连接，其中，第二弹簧24一方面支撑在阀体2上并且另一方面支撑在第二连接元件32的盘状端部31上，并且向关闭元件18的方向对第二连接元件32施加力。在阀体2中，在流出室36的区域中布置有排出开口13，气体可以通过所述排出开口从流出室36流出并且因此从比例阀1例如流出到射流泵46(参照图4)的流入区域44中。
第一实施例中的比例阀1的功能方式
在电磁线圈6未通电时，关闭元件18由贴靠在关闭元件18上的第一连接元件14通过第一弹簧26的弹簧力向排出开口13的方向加载力，使得关闭元件18以弹性密封元件22贴靠在平阀座30上。经由第二连接元件32，关闭元件18被第二弹簧24的弹簧力向电磁衔铁10的方向加载力，以便在电磁线圈5接通的情况下加速封闭元件18从平阀座30的抬起过程。因此，第一弹簧26和第二弹簧24在相反方向上作用于关闭元件18，其中，第一弹簧26比第二弹簧24具有更大的弹簧力，以便确保阀座30的密封性。
如果电磁线圈6通电，则在电磁衔铁10上产生与第一弹簧26的弹簧力相反方向的磁性力。由此，电磁衔铁10向第一弹簧26的方向运动，使得通过与电磁衔铁10固定连接的第一连接元件14作用在关闭元件18上的力减小。弹性密封元件22跟随第一连接元件14的运动并且从密封座30抬起。现在，通流开口27被释放，使得气体可以从流入室34经供应开口11、流出室36和排出开口13流动到射流泵46(参照图4)的流入区域44中。
如果电磁线圈6上的电流强度增大，这将导致关闭元件18的更大的打开行程，因为第一弹簧26的力与行程有关。当电流强度减少时，关闭元件18的打开行程减小。因此，通过改变电磁线圈6上的电流强度可以控制比例阀1中的气体流量并且根据需求而定例如在将氢计量加入给燃料电池51时(参照图4)匹配和优化该气体流量。
在电磁线圈6的通电结束时，磁性力消除，使得现在第一弹簧26的弹簧力又占据主导并且关闭元件18由此借助与电磁衔铁10连接的第一连接元件14向阀座30的方向运动并且弹性密封元件22重新在阀座30上密封。因此，在比例阀1中的气体流量中断。通过关闭元件18在喷嘴体20中的轴向导向部16，关闭元件18的径向运动中断，使得关闭元件18在阀座30上始终占据相同的位置并且因此避免不必要的磨损。
图2以纵剖面示出了本发明比例阀1的第二实施例。与图1具有相同功能的构件用相同的附图标记表示。与图1中的实施例不同，第一连接元件14、电磁衔铁10和关闭元件18作为一个构件彼此固定连接。在这种情况下可以省去第二连接元件32和第二弹簧24。
此外，第一连接元件14仅在第一通孔17上被接收并且被轴向导向。在阀壳体2中省去第二通道9。省去了第二通孔29。第二实施例的原理性结构和功能方式相当于第一实施例。关闭元件18与在第一实施例中一样被接收在喷嘴体20的槽口25中并且被导向。
图3以纵剖面示出了本发明比例阀1的第三实施例。与图1具有相同功能的构件用相同的附图标记表示。与图1中的实施例不同，在此，通过比例阀1的气体通流反向地进行，使得在此流出室36相当于流入室34并且反之。同样情况也适用于进入开口23和排出开口13。此外，在第三实施例中省去了第二连接元件32，其中，第二弹簧24现在直接支撑在关闭元件18上。在此，关闭元件18也布置在流入室34中并且在喷嘴体20的轴向导向部16中被导向。在此，具有弹性密封元件22的关闭元件18通过第二弹簧24被压到平阀座30上。此外，在关闭元件18中构造有孔35，在此是纵向孔，在阀座30打开的情况下气体可以通过所述纵向孔向排出开口13的方向流动。流入室34被关闭元件18划分为第一流入分室37和第二流入分室38，它们通过孔35彼此连接。
第二实施例中的比例阀1的功能方式
在电磁线圈6未通电时，关闭元件18通过第二弹簧24被压到阀座30上，使得流入室34和流出室36之间的连接中断并且不进行气体通流。第一弹簧26抵抗第二弹簧24的弹簧力起作用并且将第一连接元件14压到关闭元件18上。第二弹簧24的弹簧力大于第一弹簧26的弹簧力，以便保证关闭元件18在阀座30上的密封性。
如果电磁线圈6通电，则在电磁衔铁10上向关闭元件18的方向产生磁性力。该磁性力通过第一连接元件14传递到关闭元件18上，使得借助第一弹簧26的弹簧力将第二弹簧24过度补偿并且关闭元件18从阀座30抬起并向进入开口23的方向运动。从比例阀1的流入室34经由纵向孔35、通流开口27、流出室34和排出开口13例如到射流泵46的流入区域44(参照图4)中的气体通流被释放。
关闭元件18的行程与在第一实施例中一样可以通过电磁线圈6上的电流强度的高低来调整。电磁线圈6上的电流强度越高，关闭元件18的行程越大并且比例阀1中的气体流量也越大，因为第一弹簧26的力与行程有关。如果电磁线圈6上的电流强度减小，则关闭元件18的行程也减小并且因此气体流量被节流。
如果电磁线圈6上的电流中断，则电磁衔铁10上的磁性力消除，使得电磁衔铁重新向第一弹簧26的方向运动并且借助第一连接元件14施加到关闭元件18上的力减小。关闭元件18跟随第一连接元件14的运动并且以弹性密封元件22在阀座30上密封。比例阀中的气体流量中断，使得例如不再有气体可以从比例阀1流动到射流泵46的流入区域44中(参照图4)。
在比例阀1的第二实施例中，关闭元件18也通过喷嘴体20中的轴向导向部16被导向，以避免关闭元件18的径向错误位态。
图4示出了燃料电池组件100的可能实施方式，其具有本发明的比例阀1和通过连接管线50与燃料电池51连接的射流泵46。燃料电池51包括阳极区域52和阴极区域53。此外，设置了回流管线54，其将燃料电池51的阳极区域52与射流泵46的抽吸区域45连接。借助回流管线54可以使在燃料电池51运行时在阳极区域51中产生的第一气体介质返回到抽吸区域45中，该第一气体介质基本上是氢、氮和水蒸气的混合物。在回流管线54中设置具有截止阀56的水分离器55，以便可以将位于回流管线54中的第一气体介质在必要时向外释放。在回流管线54中布置在水分离器55之后的再循环泵57使在燃料电池51中未使用的氢重新回到射流泵46的抽吸区域45中。
在连接管线50中设置有用于感测连接管线50中的压力的第一压力传感器48。此外，在回流管线54中设置有用于感测回流管线54中的压力的第二压力传感器49。感测的压力值被供应给与比例阀1连接的用于控制燃料电池51的阳极区域52中的压力的控制单元47。控制单元47控制比例阀1的电磁线圈6上的电流强度的高低，通过该电磁线圈操纵关闭元件18的行程，以便这样改变通流开口27的流动横截面，使得连续地进行供应给燃料电池51的气体流的根据需求的调整。
存储在箱39中的第二气体介质，这里是氢，通过比例阀1供应给射流泵46的流入区域44。在流入管线43中设置有与控制单元20连接的压力调节阀42，以便调整射流泵46的流入区域44上的压力。此外，在压力调节阀42和箱39之间布置有第一截止阀40并且在压力调节阀42和比例阀1之间布置有第二截止阀41。截止阀40、41同样与控制单元47连接，以便在必要时中断第二气体介质从箱39向压力调节阀的流入或进一步向比例阀1的流入。
因此，用于控制气体介质的比例阀1具有以下优点：借助对通流开口27的流动横截面的电子控制式匹配可以在调节阳极压力的同时明显更精确地向燃料电池51的阳极区域52中进行第一气体介质的供应和第二气体介质计量加入。由此明显改善所连接的燃料电池的运行安全性和持久性，因为总是以超化学计量的比例供应氢。此外也可以阻止后续损坏，例如布置在下游的催化器的损坏。

Claims (14)

1.用于控制气体介质、尤其氢的比例阀(1)，具有阀壳体(2)，在所述阀壳体上构造有喷嘴体(20)，其中，在阀壳体(2)中布置有关闭元件(18)，其中，所述关闭元件(18)在构造在所述喷嘴体(20)上的阀座(30)处释放或关闭至少一个构造在所述喷嘴体(20)上的通流开口(27)，其特征在于，将所述关闭元件(18)在所述喷嘴体(20)中在轴向导向部(16)中以能进行升降行程运动的方式被导向。
2.根据权利要求1所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，所述阀座(30)构造为平的阀座(30)。
3.根据权利要求2所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，在所述关闭元件(18)和所述阀座(30)之间布置有弹性密封元件，所述弹性密封元件在所述阀座(30)上密封。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，在所述阀壳体(2)中构造有流入室(34)和流出室(36)，所述流入室和流出室能够通过所述至少一个通流开口(27)彼此连接。
5.根据权利要求4所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，所述流入室(34)通过所述关闭元件(18)划分成第一流入分室(37)和第二流入分室(38)，其中，所述第一流入分室(37)和第二流入分室(38)通过在所述关闭元件(18)中构造的孔(35)彼此连接。
6.根据上述权利要求之一所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，在所述阀壳体(2)中在内极(8)和外极(4)之间布置有电磁线圈(6)，其中，被接收在所述内极(8)和阀壳体(2)中的电磁衔铁(10)能够通过所述电磁线圈(6)进行升降行程运动。
7.根据权利要求6所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，所述电磁衔铁(10)在电磁衔铁室(21)中与第一连接元件(14)固定连接，其中，所述第一连接元件(14)与所述关闭元件(18)作用连接。
8.根据权利要求7所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，所述阀壳体(2)和所述内极(8)限界弹簧室(19)，在所述弹簧室(19)中布置有第一弹簧(26)，其中，所述第一弹簧(26)支撑在所述第一连接元件(14)的背离所述关闭元件(18)的端部上并且对与所述第一连接元件(14)作用连接的电磁衔铁(10)向所述关闭元件(18)的方向加载力。
9.根据权利要求8所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，所述弹簧室(19)通过第一通道(7)与所述电磁衔铁室(21)连接。
10.根据权利要求7所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，在所述内极(8)中构造有第一通孔(17)，其中，所述第一连接元件(14)被接收在所述第一通孔(17)中并且被导向。
11.根据权利要求7所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，所述电磁衔铁室(21)通过第二通道(9)与所述流入室(34)或所述流出室(36)连接。
12.根据权利要求4所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，在所述流出室(36)中布置有第二连接元件(32)，其中，所述第二连接元件(32)与所述关闭元件(18)作用连接。
13.根据权利要求12所述的用于控制气体介质的比例阀(1)，其特征在于，在所述流出室(36)中布置有第二弹簧(24)，其中，所述第二弹簧(24)支撑在所述第二连接元件(32)上和所述阀壳体(2)上。
14.燃料电池组件(100)，具有根据上述权利要求之一所述的比例阀(1)，用于控制对燃料电池的氢供应。
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