(57)【要約】【課題】圧力状況の変化時にも燃料調量を十分に正確に行うことができるようにする。【解決手段】閉鎖体１６と弁ハウジング１１とにそれぞれガス密に位置固定されたフレキシブルな分離壁２８が、閉鎖体１６の、シール座１７と反対の裏側に位置する裏側室２９を弁チャンバ１２からガス密に分離しており、閉鎖体１６に、裏側室２９を第１のチャンバ開口１３に接続する少なくとも１つの通路３０が加工されているようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス弁、特にガス状の媒体のための調量弁であって、弁ハウジング（１１）内に形成された弁チャンバ（１２）が設けられており、該弁チャンバ（１２）が、２つのチャンバ開口（１３，１４）を有しており、両チャンバ開口（１３，１４）のうち、第１のチャンバ開口（１３）が、弁座（１５）によって環状に取り囲まれており、弁チャンバ（１２）内に配置された閉鎖体（１６）が設けられており、該閉鎖体（１６）が、弁座（１５）に載着可能なかつ弁座（１５）から持上げ可能なシール座（１７）を有している形式のものにおいて、閉鎖体（１６）と弁ハウジング（１１）とにそれぞれガス密に位置固定されたフレキシブルな分離壁（２８）が、閉鎖体（１６）の、シール座（１７）と反対の裏側に位置する裏側室（２９）を弁チャンバ（１２）からガス密に分離しており、閉鎖体（１６）に、裏側室（２９）を第１のチャンバ開口（１３）に接続する少なくとも１つの通路（３０）が加工されていることを特徴とする、ガス弁。
【請求項２】
閉鎖体（１６）の、弁座（１５）と反対の裏側における、裏側室（２９）を仕切る表面区分（ＡＲ）が、閉鎖体（１６）の、弁座（１５）に面した表側における、シール座（１７）によって取り囲まれた表面区分（ＡＤ）にほぼ等しく寸法設定されているように、分離壁（２８）が、閉鎖体（１６）に位置固定されている、請求項１記載のガス弁。
【請求項３】
分離壁（２８）が、フレキシブルな材料から成っていて、閉鎖体（１６）と弁チャンバ（１２）のチャンバ壁（１２１；１２２）とにそれぞれガス密に固定されている、請求項１または２記載のガス弁。
【請求項４】
分離壁（２８）が、ベローズ（３１）であり、該ベローズ（３１）が、その一方のベローズ端部で閉鎖体（１６）の、弁座（１５）と反対の裏面にガス密に、有利には材料接続的に固定されていて、他方のベローズ端部で弁チャンバ（１２）の、弁座（１５）に向かい合って位置するチャンバ壁（１２１）にガス密に、有利には材料接続的に固定されている、請求項３記載のガス弁。
【請求項５】
ベローズ（３１）が、ベローズ軸方向に作用するばね力を備えたばねエレメントを成している、請求項４記載のガス弁。
【請求項６】
分離壁（２８）が、凹み可能なまたは膨らみ可能な平滑壁状の中空シリンダ（３３）であり、該中空シリンダ（３３）が、一方のシリンダ端部で閉鎖体（１６）によってガス密に閉鎖されていて、他方のシリンダ端部で弁チャンバ（１２）の、弁座（１５）に向かい合って位置するチャンバ壁（１２１）にガス密に、有利には材料接続的に固定されている、請求項３記載のガス弁。
【請求項７】
分離壁（２８）が、剛性的な中空シリンダ（３４）であり、該中空シリンダ（３４）が、その一方のシリンダ端部で閉鎖体（１６）によってガス密に閉鎖されていて、該閉鎖体（１６）と反対の他方のシリンダ端部で弁ハウジング（１１）内に滑動可能にかつガス密に収容されている、請求項３記載のガス弁。
【請求項８】
分離壁（２８）が、ダイヤフラム（３２）であり、該ダイヤフラム（３２）が、内側のダイヤフラム縁部で閉鎖体（１６）の、弁座（１５）と反対の裏面にガス密に、有利には材料接続的に固定されていて、外側のダイヤフラム縁部でチャンバ壁（１２２）にガス密に、有利には材料接続的に固定されている、請求項３記載のガス弁。
【請求項９】
分離壁（２８）が、金属またはプラスチックから成っている、請求項１から８までのいずれか１項記載のガス弁。
【請求項１０】
閉鎖体（１６）が、ディスク状に形成されており、弁座（１５）が、環状に形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のガス弁。
【請求項１１】
閉鎖体（１６）が、弁座（１５）に面した球表面を備えた球欠形状を有しており、弁座（１２）が、円錐面形状を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載のガス弁。
【請求項１２】
閉鎖体（１６）が、アクチュエータ（２２）によって弁閉鎖ばね（２１）のばね力に抗して操作可能な弁ニードル（１６）の自由端部に固定されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のガス弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス弁、特にガス状の媒体のための調量弁であって、弁ハウジング内に形成された弁チャンバが設けられており、該弁チャンバが、２つのチャンバ開口を有しており、両チャンバ開口のうち、第１のチャンバ開口が、弁座によって環状に取り囲まれており、弁チャンバ内に配置された閉鎖体が設けられており、該閉鎖体が、弁座に載着可能なかつ弁座から持上げ可能なシール座を有している形式のものに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス機関または燃料電池駆動装置に用いられるガス状の燃料、たとえば天然ガス、液状ガスまたは水素を調量するための公知のガス弁（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９０５７２１号明細書参照）は、大きな通流横断面を短い切換・応答時間で得るために、平らな弁座と、平らなシールエレメントを備えた閉鎖体とを有する平座弁として形成されている。シールエレメントは、弁座に向けられた面で、閉鎖体に作用する弁閉鎖ばねによって、シールエレメントに作用する弁開放ばねのばね力に抗して弁座に押し付けられている。弁を開放するためには、閉鎖体に、電磁石によって形成された、弁閉鎖ばねの閉鎖力を上回る軸方向力が作用する。
【０００３】
ガス弁の開放時には、弁座の流入側における上流圧と流出側における下流圧との間に、シールエレメントのニューマチック的に有効な面に相俟って、弁を開放するために電磁石と弁開放ばねとによって提供された開放力を強く変化させるニューマチック的な開放力が形成される。この結果として、弁座からのシールエレメントの持上り運動の量、すなわち、弁ストロークが上流圧および下流圧の量に著しく左右され、したがって、圧力状況の変化時の燃料調量が十分に正確とならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９９０５７２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた形式のガス弁を改良して、圧力状況の変化時にも燃料調量を十分に正確に行うことができるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題を解決するために本発明のガス弁では、閉鎖体と弁ハウジングとにそれぞれガス密に位置固定されたフレキシブルな分離壁が、閉鎖体の、シール座と反対の裏側に位置する裏側室を弁チャンバからガス密に分離しており、閉鎖体に、裏側室を第１のチャンバ開口に接続する少なくとも１つの通路が加工されているようにした。
【０００７】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、閉鎖体の、弁座と反対の裏側における、裏側室を仕切る表面区分が、閉鎖体の、弁座に面した表側における、シール座によって取り囲まれた表面区分にほぼ等しく寸法設定されているように、分離壁が、閉鎖体に位置固定されている。
【０００８】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、分離壁が、フレキシブルな材料から成っていて、閉鎖体と弁チャンバのチャンバ壁とにそれぞれガス密に固定されている。
【０００９】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、分離壁が、ベローズであり、該ベローズが、その一方のベローズ端部で閉鎖体の、弁座と反対の裏面にガス密に、有利には材料接続的に固定されていて、他方のベローズ端部で弁チャンバの、弁座に向かい合って位置するチャンバ壁にガス密に、有利には材料接続的に固定されている。
【００１０】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、ベローズが、ベローズ軸方向に作用するばね力を備えたばねエレメントを成している。
【００１１】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、分離壁が、凹み可能なまたは膨らみ可能な平滑壁状の中空シリンダであり、該中空シリンダが、一方のシリンダ端部で閉鎖体によってガス密に閉鎖されていて、他方のシリンダ端部で弁チャンバの、弁座に向かい合って位置するチャンバ壁にガス密に、有利には材料接続的に固定されている。
【００１２】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、分離壁が、剛性的な中空シリンダであり、該中空シリンダが、その一方のシリンダ端部で閉鎖体によってガス密に閉鎖されていて、該閉鎖体と反対の他方のシリンダ端部で弁ハウジング内に滑動可能にかつガス密に収容されている。
【００１３】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、分離壁が、ダイヤフラムであり、該ダイヤフラムが、内側のダイヤフラム縁部で閉鎖体の、弁座と反対の裏面にガス密に、有利には材料接続的に固定されていて、外側のダイヤフラム縁部でチャンバ壁にガス密に、有利には材料接続的に固定されている。
【００１４】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、分離壁が、金属またはプラスチックから成っている。
【００１５】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、閉鎖体が、ディスク状に形成されており、弁座が、環状に形成されている。
【００１６】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、閉鎖体が、弁座に面した球表面を備えた球欠形状を有しており、弁座が、円錐面形状を有している。
【００１７】
本発明のガス弁の有利な態様によれば、閉鎖体が、アクチュエータによって弁閉鎖ばねのばね力に抗して操作可能な弁ニードルの自由端部に固定されている。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の特徴を備えた本発明によるガス弁は、閉鎖体と弁ハウジングとをフレキシブルな分離壁によってガス密に結合しかつ分離壁と閉鎖体とによって一緒に分離された裏側室と第１のチャンバ開口との接続部を形成する接続通路を閉鎖体に設けることによって、閉鎖体の両側に等しいガス圧が形成される、すなわち、閉鎖体に加えられる上流圧と下流圧とが等しい圧力補償された弁が実現されるという利点を有している。また、閉鎖体の一方の側における、裏側室を仕切る表面区分が、閉鎖体の、弁座に面した他方の側における、シール座によって仕切られた表面区分にほぼ等しい大きさに寸法設定されているように、分離壁が閉鎖体に位置固定されているによって、閉鎖体の、等しい圧力で負荷される互いに反対の側の端面に開閉方向で作用する軸方向力が等しい大きさとなり、閉鎖体への軸方向力の作用中に相互に打ち消される。これによって、弁の開放時の弁ストロークが、弁チャンバ内に形成される圧力状況に左右されず、燃料調量を、専ら閉鎖体に作用する、たとえば電磁的にまたは圧電的に発生させられるストローク力の設定によって高精度に行うことができる。
【００１９】
別の請求項に記載した手段によって、請求項１に記載したガス弁の有利な構成および態様が可能となる。
【００２０】
フレキシブルな分離壁は、本発明の有利な態様によれば、種々異なる形式で実現することができ、たとえば閉鎖体と弁チャンバとに固定されたダイヤフラムによって実現されてもよいし、閉鎖体と弁ハウジングとに位置固定されたベローズによって実現されてもよいし、一方の端面端部が閉鎖体に固定されていて、他方の端面端部が弁チャンバのチャンバ壁に固定された凹み可能なまたは膨らみ可能な平滑壁状の中空シリンダによって実現されてもよいし、一方のシリンダ端部で閉鎖体に固定されていて、このシリンダ端部と反対の他方のシリンダ端部で弁ハウジング内に滑動可能にかつガス密に収容された剛性的な中空シリンダによって実現されてもよい。分離壁は、金属またはプラスチックから成っていてよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガス弁の縦断面図である。
【図２】ガス弁の第１の別の実施例の縦断面図である。
【図３】ガス弁の第２の別の実施例の縦断面図である。
【図４】ガス弁の第３の別の実施例の縦断面図である。
【図５】変更された閉鎖体を備えたガス弁の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。
【００２３】
図１に部分的に縦断面図で概略的に示したガス弁は、ガス機関に用いられるガス状の媒体、たとえば天然ガスまたは液状ガスまたは燃料電池駆動装置に用いられる水素を調量するために働く。ガス弁は弁ハウジング１１を有している。この弁ハウジング１１は、内部に形成された弁チャンバ１２を備えている。この弁チャンバ１２は少なくとも２つのチャンバ開口１３，１４を備えている。これらのチャンバ開口１３，１４のうち、第１のチャンバ開口１３は平らな弁座１５によって環状に取り囲まれている。チャンバ開口の少なくとも一方、たとえば両チャンバ開口１４を介して、ガス状の媒体が蓄え容器から弁チャンバ１２内に流れ、他方のチャンバ開口、たとえばチャンバ開口１３を介して、調量された量のガス状の媒体がガス機関または燃料電池駆動装置に流れる。しかし、チャンバ開口１３，１４はその流入機能と流出機能とを互いに入れ換えることができ、これによって、第１のチャンバ開口１３に蓄え容器が接続されており、両方の第２のチャンバ開口１４にガス機関もしくは燃料電池駆動装置が接続されている。第１のチャンバ開口１３と、この第１のチャンバ開口１３を取り囲む弁座１５とは、弁ボディ１８に形成されている。この弁ボディ１８は、弁ハウジング１１の端面側で開放した端部内にガス密に挿入されている。弁チャンバ１２内には、閉鎖体１６が配置されている。この閉鎖体１６には、チャンバ開口１３を閉鎖するために弁座１５に載着可能なかつチャンバ開口１３を開放するために弁座１５から持上げ可能なシール座１７が形成されている。弁閉鎖状態では、シール座１７と弁座１５とが、ほぼ１つの円形線または極めて狭幅の環状面を伴って互いに重なり合って位置している。図１の実施例でディスク状にまたはプレート状に形成された閉鎖体１６は弁ニードル１９に固定されている。この弁ニードル１９は、弁チャンバ１２を弁ボディ１８と反対の側で閉鎖する閉鎖片２０によってガス密に貫通ガイドされている。弁ニードル１９には、１つには、弁閉鎖ばね２１が作用していて、もう１つには、アクチュエータ２２が作用している。弁閉鎖ばね２１は弁ニードル１９を介して閉鎖体１６をそのシール面１７で弁座１５に押し付けており、アクチュエータ２２はその作動時に閉鎖体１６を弁閉鎖ばね２１のばね力に抗して、調整可能なストロークだけ弁座１５から持ち上げる。図示の実施例では、アクチュエータ２２は、ソレノイドコイル２５と、ソレノイドコア２３と、このソレノイドコア２３内に軸方向に移動可能にガイドされた、弁ニードル１９に固く結合されたソレノイドプランジャ２４とを備えた電磁石である。択一的には、アクチュエータは、弁ニードル１９を駆動するための圧電式のモジュールを備えていてもよい。弁ニードル１９を閉鎖片２０によってガス密に貫通ガイドするためには、閉鎖片２０に切り欠かれた環状溝２６内にシール部材２７が配置されている。このシール部材２７は弁ニードル１９に押し付けられている。
【００２４】
ガス調量に対して最適な弁機能を得るために、１つには、フレキシブルな分離壁２８が、一方で閉鎖体１６に位置固定されていて、他方で弁ハウジング１１に位置固定されており、これによって、分離壁２８が、閉鎖体１６のシール面１７と反対の裏側に位置する裏側室２９を弁チャンバ１２からガス密に分離しており、もう１つには、閉鎖体１６に通路３０が加工されている。この通路３０は裏側室２９を第１のチャンバ開口１３に接続している。分離壁２８はフレキシブルな材料、たとえば金属またはプラスチックから成っていて、閉鎖体１６だけでなく、弁チャンバ１２のチャンバ壁にも、たとえば溶接のような材料接続的な結合によってガス密に固定されている。この場合、分離壁２８は、閉鎖体１６の、弁座１５と反対の裏側における、分離壁２８と一緒に裏側室２９を仕切る表面区分ＡＲが、閉鎖体１６の、弁座１５に面した表側でシール座１７によって取り囲まれた表面区分ＡＤにほぼ等しく寸法設定されているように閉鎖体１６に位置固定されている。
【００２５】
図１の実施例では、分離壁２８として波形管またはベローズ３１が使用されている。このベローズ３１の一方のベローズ端部（管端部）は閉鎖体１６、しかも、閉鎖体１６の、シール座１７と反対の裏面に材料接続的に固定、たとえば溶接されており、ベローズ３１の他方のベローズ端部は、弁座１５に向かい合って位置するチャンバ壁１２１に材料接続的に固定、たとえば溶接されている。択一的には、一方のベローズ端部をディスク状の閉鎖体１６の周面に固定することも可能であり、これによって、ベローズ３１が一方の端面側で完全に閉鎖体１６によってガス密に閉鎖されている。この閉鎖体１６を貫通する通路３０によって、閉鎖体１６の両端面に等しい圧力が加えられ、したがって、弁チャンバ１２内に形成されたガス圧の量が弁のストロークに影響を与えないことが確保されている。これによって、弁の開放時の閉鎖体１６のストローク距離が、専らアクチュエータ２２への通電の量によって規定される。
【００２６】
波形管またはベローズ３１は、有利には、ベローズ軸方向（管軸方向）に作用するばね力を備えたばねエレメントとして形成されている。これによって、弁閉鎖ばね２１の機能を波形管またはベローズ３１によって引き受けることができ、別個の弁閉鎖ばねを節約することができる。
【００２７】
図２〜図４に示したガス弁の別の実施例は、フレキシブルな分離壁２８の異なる構成によってしか、図１に示した前述した実施例と異なっていない。
【００２８】
図２では、フレキシブルな分離壁２８がダイヤフラム３２によって実現されている。このダイヤフラム３２の外側のダイヤフラム縁部は、全周にわたって延びるチャンバ壁１２２に材料接続的に、たとえば溶接によって固定されており、ダイヤフラム３２の内側のダイヤフラム縁部は、閉鎖体１６の、弁座１５と反対の裏面に材料接続的に、たとえば溶接によって固定されている。ここでも、閉鎖体１６の、弁座１５と反対の裏側における、ダイヤフラム３２と一緒に裏側室２９を仕切る面が、閉鎖体１６の、弁座１５に面した表側における、シール座１７によって取り囲まれた閉鎖体面に等しく寸法設定されており、これによって、裏側室２９と弁チャンバ１２とから弁の開放時に閉鎖体１６に作用する軸方向力が互いに同じ大きさとなり、互いに打ち消される。
【００２９】
図３の実施例では、フレキシブルな分離壁２８が平滑壁状の中空シリンダ３３によって実現されている。この中空シリンダ３３は閉鎖体１６のストローク運動時に凹み可能となるかまたは膨らみ可能となる。閉鎖体１６は、中空シリンダ３３の、弁座１５に面した端面端部内に形状接続的に挿入されており、これによって、閉鎖体１６の、弁の開放時に裏側室２９内にかつ第１の弁開口１３内に形成される等しい圧力によって負荷される端面が、やはりほぼ同じ大きさに寸法設定されている。中空シリンダ３３の弁座１５と反対の端面端部は、弁チャンバ１２の、弁座１５に向かい合って位置するチャンバ壁１２１に支持されていて、このチャンバ壁１２１に材料接続的に結合されている。
【００３０】
図４に示したガス弁の実施例では、閉鎖体１６と弁ハウジング１１との間にフレキシブルな分離壁２８を実現するために、剛性的な中空シリンダ３４が設けられている。この中空シリンダ３４の一方の端面端部内には、やはり閉鎖体１６が形状接続的にかつガス密に挿入されている。中空シリンダ３４の他方の端面端部は弁ハウジング１１内に滑動可能にかつガス密に収容されている。このためには、全周にわたって延びるチャンバ壁１２２に環状溝３５が切り欠かれており、この環状溝３５内にシールリング３６が挿入されている。このシールリング３６は中空シリンダ３４に押し付けられており、これによって、１つには、閉鎖体１６のストローク運動が可能となり、もう１つには、弁チャンバ１２が中空シリンダ３４の開放端面端部に対して確実に密封されている。
【００３１】
図５に部分的に縦断面図で示したガス弁は、専ら閉鎖体１６と弁座１５との異なる構成によって、図１に示した前述したガス弁と異なっている。同じく弁ボディ１８に形成された、チャンバ開口１３を取り囲む弁座１５は、円錐面形状を有しており、閉鎖体１６は球欠形状を有しており、これによって、弁座１５に面した球形の閉鎖体表面に存在するシール座１７と、円錐面状の弁座１５とが、弁の閉鎖時に１つの円形線に沿って互いに重なり合って位置している。ここでも、波形管またはベローズ３１は、閉鎖体１６の、弁座１５もしくはシール座１７と反対の裏側における、裏側室２９を仕切る表面区分ＡＲが、閉鎖体１６の、弁座１５に面した球欠状の表側で取り囲まれた表面区分ＡＤにほぼ等しく寸法設定されているように閉鎖体１６の平らな裏面に固定されている。
【符号の説明】
【００３２】
１１  弁ハウジング
１２  弁チャンバ
１３  第１のチャンバ開口
１４  第２のチャンバ開口
１５  弁座
１６  閉鎖体
１７  シール座
１８  弁ボディ
１９  弁ニードル
２０  閉鎖片
２１  弁閉鎖ばね
２２  アクチュエータ
２３  ソレノイドコア
２４  ソレノイドプランジャ
２５  ソレノイドコイル
２６  環状溝
２７  シール部材
２８  分離壁
２９  裏側室
３０  通路
３１  ベローズ
３２  ダイヤフラム
３３  中空シリンダ
３４  中空シリンダ
３５  環状溝
３６  シールリング
１２１  チャンバ壁
１２２  チャンバ壁
ＡＤ  表面区分
ＡＲ  表面区分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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