用于控制气态介质的比例阀的制作方法

本发明涉及一种用于控制气态介质、尤其氢气的比例阀，其例如应用在具有燃料电池驱动装置的车辆中。

背景技术：

de102012204565a1说明一种用于控制气态介质、尤其氢气的比例阀，其中，所述比例阀包括喷嘴体、关闭元件和弹性密封元件。在喷嘴体中构造至少一个贯通开口，该贯通开口能够通过关闭元件在阀座处被释放或被封闭。在此，弹性密封元件在阀座处进行密封并且具有带有内壁区域的槽口。该内壁区域在比例阀的关闭状态下被施加以气态介质的压力。

比例阀的特点在于，在使用这些比例阀时，在燃料电池的阳极路径中仅出现小的压力波动，并且可以确保安静运行。在比例阀的正常运行区域中，频繁出现打开和关闭过程。为了优化燃料电池的阳极路径中的扫气过程或为了实现抽吸喷射泵在燃料电池组件中的优化运行，也可以期望附加的切换过程。比例阀的频繁打开和关闭会导致阀座处的磨损，尤其是当关闭元件与弹性密封元件一起使用时。此外，阀的频繁的打开和关闭会导致电磁体的切换力的负荷提高，这又导致整个比例阀的磨损。

技术实现要素：

与此相对，用于控制气态介质、尤其是氢气的本发明比例阀具有以下优点：即使在对比例阀可调节性的要求高的情况下也实现了电磁体的小切换力以及在相同程度上实现了在运行中所需的弹簧的小弹簧力或者说弹簧刚度。因此确保了比例阀处的低磨损。

为此，用于控制气态介质、尤其是氢气的比例阀具有阀壳体。在阀壳体中构造有内室，在该内室中布置有第一关闭元件。在此，第一关闭元件与第一阀座共同作用，用于打开或关闭第一贯通开口。此外，在内室中布置有第二关闭元件，其中，第二关闭元件与第二阀座共同作用，用于打开和关闭第二贯通开口。此外，第一阀座构造在第二关闭元件上。此外，第一贯通开口通到第二贯通开口中。

这种结构有利于电磁体的用于打开第一贯通开口的小切换力。由此，除了减小磨损之外，还实现了切换力的更精确的可调整性。这导致了整个比例阀的优化的可调节性和功能方式。此外，在流量要求不同的情况下不需要重新设计比例阀，因为可以为此对贯通开口进行匹配。

在本发明的第一有利构型中设置，第二关闭元件构造为罐形并且具有槽口，其中，第一关闭元件被接收在该槽口中。由此能够以简单且节省安装空间的方式打开或关闭构造在第二关闭元件中的第一贯通开口。

在本发明的一个有利扩展方案中设置，阀壳体包括喷嘴体，在该喷嘴体上布置有喷嘴，其中，第二阀座构造在该喷嘴上。因此，可以实现比例阀的节省空间且结构简单的装配。

在本发明思想的另一构型中，在第一关闭元件与第一阀座之间布置有内弹性密封元件。有利地，在第二关闭元件和第二阀座之间布置有外弹性密封元件。通过例如结合平坦的阀座使用弹性密封元件，可以以简单的方式并且在没有大的结构改变的情况下确保比例阀的密封性。

此外，在本发明的一个有利扩展方案中设置，在喷嘴体中构造有贯穿开口，其中，该贯穿开口能够通过第二阀座与第二贯通开口连接。由此，气态介质能够从贯穿开口向第二贯通开口的方向穿过比例阀被引导。

在本发明的一个有利扩展方案中，内室包括控制室，其中，该控制室可以通过第一贯通开口与第二贯通开口处的流出区域连接。因此，通过改变控制室中的压力关系可以控制第二关闭元件的行程运动，从而可以控制第二贯通开口的打开。

在本发明的另一构型中设置，内室包括电磁衔铁室，其中，该电磁衔铁室通过连接通道与贯穿开口连接。通过这种连接可以影响控制室中的压力，因为通过电磁衔铁室可以将气态介质从贯穿开口通过泄漏引导到控制室中。

在一个有利的扩展方案中设置，在电磁衔铁室中布置有可进行行程运动的电磁衔铁装置，该电磁衔铁装置与第一关闭元件固定连接。有利地，在内室中布置有电磁体，其中，电磁衔铁装置能够通过该电磁体进行行程运动。

在本发明的另一构型中，在阀壳体和电磁衔铁装置之间的内室中布置有关闭弹簧，其中，该关闭弹簧对电磁衔铁装置施加以向第二贯通开口的方向的力。由此确保了比例阀在关断状态下的密封性，使得没有气态介质能够流过比例阀。

在本发明的一个有利扩展方案中设置，在喷嘴和第二关闭元件之间布置有另一弹簧，其中，该弹簧对第二关闭元件施加以向电磁衔铁装置的方向的力。通过所述另一弹簧，能够加速第二关闭元件的行程运动，从而能够加速第二贯通开口的打开。

在本发明的一个有利扩展方案中，控制室和电磁衔铁室通过连接孔彼此连接。由此可以增大控制室中的气态介质的控制体积。有利地，控制室和贯穿通道彼此流体连接。在这种情况下，实现了整个比例阀的更迅速关闭。因此，通过贯穿通道与电磁衔铁室、控制室和流出区域的连接可以影响比例阀的打开和关闭过程。

所说明的比例阀优选在燃料电池组件中适用于控制向燃料电池的阳极区域的氢气输入。优点是，阳极路径中的压力波动小并且运行安静。

附图说明

在附图中示出用于控制向燃料电池的气体输入、尤其是氢气的本发明比例阀的实施例。附图：

图1以纵剖面图示出具有两个关闭元件的本发明比例阀的第一实施例，

图2a示出关闭状态下的图1中的实施例，

图2b示出在打开比例阀时的图1中的实施例，

图2c示出在打开状态下的图1中的实施例，

图3以纵剖面图示出具有两个关闭元件的本发明比例阀的另一实施例，

图4以纵剖面图示出具有两个关闭元件的本发明比例阀的另一实施例。

具有相同功能的构件用相同的附图标记表示。

具体实施方式

图1以纵剖面图示出本发明的比例阀1的第一实施例。比例阀1具有阀壳体2，其中，阀壳体2包括保持体3和喷嘴体13，所述保持体和喷嘴体彼此气密连接。在喷嘴体13中接收有喷嘴131。在比例阀1中布置有电磁体24，其中，电磁体24包括电磁线圈23和磁芯7。此外，在阀壳体2中构造有内室9，在该内室中布置有可进行行程运动的电磁衔铁装置25。

电磁衔铁装置25包括电磁衔铁8和构造为柱形的连接元件10，其中，连接元件10被接收在电磁衔铁8的槽口22中并因此例如通过焊缝或者通过压紧与电磁衔铁8固定连接。电磁衔铁8构造为插入式衔铁并且被接收在磁芯7中。连接元件10在磁芯7的槽口中在第一导向区段6上的第一密封件11处被接收并且被引导。

阀壳体2和磁芯7限界弹簧室90，该弹簧室形成内室9的一部分。在弹簧室90中布置有关闭弹簧4，该关闭弹簧支撑在阀壳体2和连接元件10的盘形端部5之间。关闭弹簧4对电磁衔铁装置25施加以向喷嘴体13方向的力。内室9还包括电磁衔铁室91，该电磁衔铁室由阀壳体2、磁芯7和喷嘴体13限界。在该电磁衔铁室91中布置有电磁衔铁8。

在喷嘴体13中，垂直于比例阀1的纵轴线40构造有两个贯穿通道12，由此能够对内室9充注以气态介质、例如氢气。在喷嘴体13中构造有连接通道15，由此，气态介质可以以被节流的方式从贯穿通道12进入电磁衔铁室91中。在喷嘴体13上，在第二密封件17处构造有第二导向区段28，该第二导向区段用于电磁衔铁装置25的连接元件10。

在与连接元件10的盘形端部5相对置的端部上布置有第一关闭元件16。该第一关闭元件16例如通过焊缝或压紧与连接元件10固定连接。此外，构造为片形的内弹性密封元件18附接到第一关闭元件16上并且与该第一关闭元件固定连接。

此外，在内室9中布置有第二关闭元件36，并且该第二关闭元件在喷嘴体13中的引导区域34处被接收并且被引导。第二关闭元件36构造为罐形并且具有槽口31。连接元件10和带有内弹性密封元件18的第一关闭元件16被接收在该槽口31中。在第二关闭元件36中构造有第一贯通开口14，其中，第一关闭元件16与第二关闭元件36上的第一阀座19共同作用，用于打开和关闭第一贯通开口14。第一阀座19平坦地构造。

第一贯通开口14通到构造在流出区域32中的第二贯通开口20中。构造为盘形的外弹性密封元件38附接到第二关闭元件36上并且与该第二关闭元件固定连接。因此，在外弹性密封元件38贴靠在构造在喷嘴131上的第二阀座29上时，第二关闭元件36密封第二贯通开口20，使得没有气态介质能够从比例阀1中流出。第二阀座29在功能上这样设计，使得该第二阀座部分地被贯穿通道12的压力施加，使得沿打开方向、即向电磁衔铁装置25的方向的力起作用。然而，该力在电磁线圈23未通电时小于关闭弹簧4的力，使得第二贯通开口20被第二关闭元件36密封。

第二关闭元件36和喷嘴体13限界控制室92，其中，内室9包括控制室92。在连接元件10的第二导向区段28上的第二密封件17处形成泄漏，使得控制室92与电磁衔铁室91流体连接。控制室92能够通过第一贯通开口14与流出区域32连接。

第一实施例的功能方式：

图2a示出在关断状态下的图1中的比例阀1。在电磁线圈23未通电的情况下，第一关闭元件16通过关闭弹簧4的力借助于电磁衔铁装置25被压到第一阀座19上并且第二关闭元件36被压到第二阀座29上，使得第一贯通开口14和第二贯通开口20被闭锁。因此，没有气态介质能够穿过比例阀1流动。由于连接通道15，在电磁衔铁室91和控制室92中存在与贯穿通道12中相同的压力。流出区域32中的压力小于控制室92中的压力。

图2b示出具有通电的电磁线圈23的图1中的实施例。在电磁线圈23通电的情况下，产生作用到电磁衔铁8上的磁力，该磁力与关闭弹簧4的力方向相反。如果该磁力超过关闭弹簧4的力，那么电磁衔铁装置25向弹簧4的方向运动。第一关闭元件16从第一阀座19抬起。从控制室92通过第一贯通开口14到第二贯通开口20中并从而到流出区域32中的气体流量被释放。

由于控制室92与流出区域32的压力平衡(这不会非常受连接元件10的第二导向区段28上的第二密封件17处的泄漏影响)并且由于第二阀座29的通过来自贯穿通道12的气态介质引起的压力渗透(druckunterwanderung)，第二关闭元件36也从第二阀座29处抬起。如在图2c中所示，第二贯通开口20现在也被释放。在此，第二关闭元件36跟随第一关闭元件16的行程运动并且靠向第一关闭元件16。由此，第一关闭元件16再次贴靠在第一阀座19上并由此封闭第一贯通开口14。

第一关闭元件16和从而第二关闭元件36的行程能够通过电磁线圈23上的电流强度的高低来调整。电磁线圈23上的电流强度越高，第一关闭元件16或第二关闭元件36的行程则越大并且比例阀1中的气体流量也越高，因为关闭弹簧4的力与行程有关。如果电磁线圈23上的电流强度被减小，那么第一关闭元件16或第二关闭元件36的行程也被减小，因此气体流量被节流。

如果电磁衔铁装置25在较长的时间段内保持在相同的打开位置中，那么在控制室92中由于在连接元件10的第二导向区段28上的第二密封件17处的泄漏而形成比流出区域32中的压力大的压力。由此，第二关闭元件36向第二贯通开口20的方向运动，使得第一阀座19并且从而第一贯通开口14被释放。控制室92与流出区域32重新实现的压力平衡又导致第一贯通开口14的关闭。这种效应导致第二关闭元件36围绕电磁衔铁装置25的被调整的位置产生轻微振荡。

如果在电磁线圈23上的电流被中断，那么作用到电磁衔铁8上的磁力被减小，从而作用到电磁衔铁装置25上的力被减小。电磁衔铁装置25和第一关闭元件16与第二关闭元件36同时向第二贯通开口20的方向运动，其中，第二关闭元件36借助外弹性密封元件38在第二阀座29上被密封。比例阀1中的气体流量被中断。

图3以纵剖面图示出本发明的比例阀1的另一个实施例。具有相同功能的构件用与在图1中相同的附图标记表示。在此，附加于图1中的实施例，在比例阀1中还布置有另一弹簧26。该弹簧26支撑在第二关闭元件36上的凸肩21与喷嘴131的以下端部之间，第二阀座29也构造在该端部上。通过使用另一个弹簧26和凸肩21的由贯穿通道12中的压力引起的附加的压力渗透，第二关闭元件36较早地从第二阀座29抬起，并且更快地跟随第一关闭元件16的行程运动。也就是说，在控制室92中的轻微压力减小足以实现第二关闭元件36的行程运动。在电磁线圈23未通电的情况下，关闭弹簧4压制(überdrücken)所述另一弹簧26，使得第一关闭元件16和第二关闭元件36在关闭位态中不会释放第一贯通开口14和第二贯通开口20。

该另一个实施例的原理功能方式与第一实施例的原理功能方式相同。

图4以纵剖面图示出本发明的比例阀1的另一个实施例。具有相同功能的构件用与在图1中相同的附图标记表示。在此，附加于图1中的实施例，在喷嘴体13中还构造有连接孔33，由此电磁衔铁室91与控制室92连接。以这种方式可以增大控制室92中的气态介质的控制体积。这造成整个比例阀1的关闭更快地进行。

该另一个实施例的原理功能方式与第一实施例的原理功能方式相同。

借助于贯穿通道12和控制室92之间的孔或者节流部实现的连接也增大了控制室92中的气态介质的控制体积并因此也导致整个比例阀1更快地关闭。此外，通过贯穿通道12与电磁衔铁室91和控制室92以及流出区域32的连接可以影响整个比例阀1的打开过程或关闭过程。

本发明的比例阀1例如可以使用在燃料电池组件中。借助于比例阀1，可以将来自罐中的氢气输送给燃料电池的阳极区域。从而，视比例阀1的电磁线圈23上的电流强度的高低(通过该电流强度的高低来操纵关闭元件16的行程和从而第二关闭元件36的行程)而定地这样改变第二贯通开口20处的流动横截面，使得连续地进行对输送给燃料电池的气体流动的、符合需求的调整。

因此，用于控制气态介质的比例阀1具有如下优点：在此，在同时调节阳极压力的情况下，借助于电子控制地匹配第二贯通开口20的流动横截面能够显著更精确地进行第一气态介质的输送和氢气到燃料电池的阳极区域中的配量。由此，明显改进了所附接的燃料电池的运行安全性和耐久性，因为总是以超化学计量的份额来输送氢气。此外，也可以防止后续损失，例如防止布置在下游的催化器损坏。