密封结构

技术领域

本发明涉及一种用在具有壳体和阀瓣的流体阀中的密封结构、一种具有该密封结构的流体阀、一种具有该流体阀的燃料电池装置、一种具有该流体阀的机动车，以及一种用于安装该流体阀的方法。

背景技术

从内部生产实践来看，已知阀瓣用于封锁气体管路，为了封锁阀开口，该阀瓣围绕阀开口中的中心轴线枢转(所谓的蝶阀)，或者围绕侧向的铰链轴线朝着阀座枢转(所谓的铰链阀或者说门阀)。

发明内容

本发明的实施方案的目的在于，改进用在具有壳体和阀瓣的流体阀中的密封结构。

该目的通过具有权利要求1所述特征的密封结构来实现。权利要求9至15要求保护一种流体阀，权利要求16、17和18要求保护一种具有此处描述的流体阀的燃料电池装置以及机动车和一种用于安装流体阀的方法。

根据本发明的一个实施方案，设置了一种用在具有壳体和阀瓣的流体阀中的密封结构，所述流体阀设置用于，通过在关闭位置和打开位置之间调节阀瓣的位置来控制通过流体阀的阀开口的流体流。在此，根据一实施方案，密封结构具有保持环和柔性的环形密封元件，所述保持环具有保持环-贴靠部段和多个腿部，所述密封元件具有环绕的径向接片，和与径向接片邻接的、在按规定使用时在上游侧的第一径向面，该第一径向面设置用于，作为用于与壳体的内壁的相应的配对定心面进行压配合的定心面起作用，其中径向接片的在按规定使用时在上游侧的第一侧表面设置用于，贴靠在壳体的内壁的贴靠面上，保持环-贴靠部段具有保持环-贴靠面，该保持环-贴靠面在按规定使用时设置用于，贴靠在径向接片的在按规定使用时在下游侧的第二侧表面上，多个腿部的至少一个子集的自由端部在按规定使用时设置用于，在预紧力下支撑在壳体的内壁的、基本上垂直于流体的流动方向延伸的支撑部段上。

在一实施方案中，此处提到的打开位置可以是阀瓣的(打开)端位置。因此，在一实施方案中，当阀瓣处于该打开位置或者说打开端位置时，阀布置或者说阀开口完全或者说最大程度地敞开或者说打开。同样，此处提到的打开位置也可以位于关闭位置和(打开)端位置之间。

在一实施方案中，通过使用柔性的密封元件和保持环的组合，有利地，柔性的密封元件一方面可以通过(径向作用的)压力且另一方面通过弹力而被固持，该压力由于环状径向接片的第一径向面和壳体的内壁的配对定心面之间的压配合产生，而弹力在轴向方向上通过保持环的腿部的、在预紧力下支撑在壳体的内壁的支撑部段上的自由端部产生。此外，在一实施方案中，可以由此简单且成本经济地实现密封元件的径向固定。

密封元件可由一系列柔性材料制造，包括特殊的低摩擦材料，例如三元乙丙橡胶(EPDM)。为了改善摩擦特性并因此改善密封元件的固定，可以另外对密封元件涂覆合适的材料。

例如，可以使用板件冲压工艺来制造保持环。在一实施方案中，保持环由一块连续的板件制成，其中腿部通过板件切割或者说冲压而形成。在此，在一实施方案中，实施切割/冲压过程，使得它们具有相应的制造工艺能够实现的最小可能的宽度。在此，在一实施方案中，从保持环-贴靠部段的一侧开始进行切割，以便有利地防止形成可能对密封元件造成损坏的锋利边缘。在一个或多个实施方案中，保持环的腿部具有一个或多个弯曲部和/或可弹性变形。

在一实施方案中，考虑到制造公差和热效应的影响，以如下方式选择沿密封元件的轴向方向测量的径向接片的厚度：当保持环-贴靠面将径向接片压靠在壳体的内壁的贴靠面上时，径向接片提供合适水平的压力/阻力，以确保，保持环的(弹性)腿部的自由端部在组装中能够从由于与壳体的内壁接触而引起的弯曲状态恢复到其原始状态，以便支撑在支撑部段上。

在一实施方案中，密封元件具有环绕的密封唇，该环绕的密封唇在按规定使用时朝向上游方向并朝向壳体的内壁的方向延伸，并且其内周面形成阀座，该阀座定义阀开口和该阀座设置用于，在流体阀的关闭位置中被阀瓣接触。

因此，密封元件可以在功能上分为两个部段，即一方面是内部部段，该内部部段具有密封唇的内周面并且被规定用于阀的主密封功能以及优化其自身上的流体流，以及另一方面是外部组装部段，该外部组装部段既履行固定在用于流体的通过壳体形成的流动通道的功能，也履行二次密封功能。

在一实施方案中，在密封元件的具有第一径向面的部段与密封唇之间形成凹部。

由此可以在一实施方案中使得密封元件、特别是密封唇在流体阀、特别是用于打开/关闭阀开口的阀瓣运动时能够朝向壳体的内壁的方向弹性地伸展。

在一实施方案中，凹部设计成，其在其基部处具有大半径的倒圆部，以便减小该区域中的机械应力，并进而延长密封元件的使用寿命。这种实施方案还实现了阀的两侧(在上游侧的一侧/在下游侧的一侧)之间存在压差，以便取决于哪个压力更高来增大或减小密封唇对阀瓣的压紧力。

在一实施方案中，密封元件的具有第一径向面的部段的位于上游的端部部段径向向内渐缩。

在一实施方案中，由此可以在组装流体阀时便于将密封元件插入到壳体的具有配对定心面的部段中。由于第一径向面和配对定心面之间存在压配合，因此也确保了密封元件和壳体之间的密封。

在一实施方案中，密封元件具有与径向接片邻接的、在按规定使用时在下游侧的第二径向面，该第二径向面相对于第一径向面在径向方向上向内偏置。在此，在一实施方案中，第二径向面平行于或至少基本上平行于流体的流动方向延伸。

在此，在一实施方案中，密封元件的具有第二径向面的部段的位于下游的端部部段径向向内渐缩。

此外，在按规定使用时，保持环-贴靠部段在此尤其可布置在第二径向面和壳体的内壁之间，其中保持环可与第二径向面间隔开布置。

在一实施方案中，多个腿部相对于(平坦的)保持环-贴靠部段在外部弯曲部段上以钝角径向向外延伸。

在此，在制造时，弯曲部段的半径可以选择为大于指定的半径，以确保弹簧效应和弯曲恰好发生在该半径处。在此，保持环的通过多个腿部的至少一个子集的自由端部定义的外直径尤其大于壳体的如下部段的内直径：该部段在按规定使用时在装入状态中包围保持环。通过这种方式，这些腿部在装入状态下处于弹性变形状态，并且因此在一个实施方案中可以有利地确保，端部在预紧力下支撑在支撑部段上。

保持环的(弯曲的)腿部的宽度根据关于在装配期间抵抗塑性变形的阻力和在径向方向上起作用的弹力的矛盾的要求来确定，该弹力既用于对保持环以及必要时还有密封元件定中，也用于防止在流体阀的运行期间保持环以及进而还有密封元件从安装位置脱离。

在一实施方式中，一个或多个腿部较短或者说切短，以便实现制造过程所需的夹紧面。如此选择较短的腿部，使得它们均匀地圆形地分布，以便避免由于(较长的)腿部产生的径向弹力的不平衡。

在一实施方式中，保持环具有内部弯曲部段，在按规定使用时，该内部弯曲部段从保持环-贴靠部段基本上朝向下游方向延伸，并且尤其与径向接片的第二径向面彼此对置。

在一实施方案中，由此可以增加保持环的刚性。

在一实施方案中，径向接片的第一侧表面和/或第二侧表面形成为结构化表面和/或具有至少一个环形肋。

在一实施方案中，由此可以通过径向接片的第一侧表面确保在沿轴向方向压向壳体的内壁的贴靠面时的保持力以及针对从流体阀的气体逸出的密封性，以及通过第二侧表面确保了在通过保持环-贴靠面进行压紧时的保持力。

根据本发明的一实施方案，一种流体阀，尤其用于气体管路、特别是燃料电池的和/或机动车驱动装置的气体管路的流体阀，具有带有内壁的壳体、阀瓣和在前描述的密封结构，其中流体阀设置用于，通过在关闭位置和打开位置之间调节阀瓣的位置来控制通过流体阀的阀开口的流体流，其中壳体的内壁具有配对定心面、贴靠面和支撑部段，密封元件的第一径向面在预紧力下贴靠在配对定心面上，径向接片的第一侧表面贴靠在贴靠面上，保持环-贴靠面贴靠在径向接片的第二侧表面上，以及多个腿部的至少一个子集的自由端部在预紧力下支撑在支撑部段上。

在一实施方案中，密封元件具有环绕的密封唇，其中，内壁具有在上游与配对定心面相接的加宽部段，并且密封唇的外周面与加宽部段间隔开并且与该加宽部段彼此对置。

在一实施方案中，内壁具有在上游与加宽部段相接的直线部段，该直线部段平行于流体的流动方向延伸。

在一实施方案中，由此有利地为密封唇的运动提供了自由空间。此外，内壁的各单个部段之间的过渡可以是倒圆的，以便避免造成损坏的锋利边缘。

在一实施方案中，内壁具有在下游与配对定心面相接的部段，该部段垂直于流体的流动方向径向向外延伸并且具有贴靠面。通过该部段来调节由于距用于使阀瓣运动的轴的转动轴线的距离而在阀瓣关闭位置中的压配合的公差。

在一实施方案中，内壁具有在下游连接到与配对定心面相接的部段的另外的部段，该另外的部段平行于流体的流动方向延伸，其中，该另外的部段的子部段与径向接片的向外指向的顶面彼此对置并与该顶面间隔开。

在一实施方案中，由此可以在径向方向上限制保持环的腿部的运动。

在一实施方案中，支撑部段在下游与另外的部段相接，并且从该另外的部段开始径向向内延伸。

在一实施方案中，内壁具有在下游与支撑部段相接的另外的其它部段，该另外的其它部段具有与支撑部段相接的、平行于流体的流动方向延伸的第一部段，以及与第一部段相接的且加宽的第二部段。

根据本发明的一实施方案，一种燃料电池装置，特别是用于机动车驱动装置的燃料电池装置，具有：至少一个燃料电池；至少一个气体管路，所述至少一个气体管路尤其用于将气体输入燃料电池以及从燃料电池输出；以及在前描述的流体阀，所述流体阀用于通过将阀瓣调节到关闭位置来封锁气体管路。

根据本发明的一实施方案，一种机动车具有至少一个在前描述的流体阀，所述流体阀尤其用于通过将阀瓣调节到关闭位置来封锁机动车的、特别是机动车驱动装置的和/或燃料电池装置的管路，特别是气体管路。

根据本发明的一实施方案，一种用于组装在前描述的流体阀的方法包括以下步骤：

提供具有钻孔的壳体，

通过钻孔插入轴，

从壳体的位于下游的一侧装入阀瓣并将阀瓣安装在轴上，

从壳体的位于下游的一侧装入密封元件，使得径向接片的第一侧表面贴靠在壳体的内壁的贴靠面上，并且第一径向面贴靠在壳体的内壁的配对定心面上，以及

从壳体的位于下游的一侧装入保持环，使得多个腿部的至少一个子集的自由端部在插入期间通过与壳体的内壁接触而弹性地径向向内弯曲，该自由端部在经过支撑部段之后，在保持环以保持环-贴靠面压靠到径向接片的第二侧表面上使得径向接片沿着流体的流动方向被压紧时，由于腿部的弹力而径向向外弹回。

附图说明

进一步的优点和特征由从属权利要求和实施例得到。为此，部分示意性地示出：

图1是根据本发明的实施方案的具有密封结构的流体阀的横剖图，

图2是密封结构的保持环的横剖图，

图3是图2所示的保持环的俯视图，以及

图4是流体阀的透视横剖图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方案的具有密封结构的流体阀。图2示出了密封结构的保持环的横剖图。图3示出了图2所示的保持环的俯视图，以及图4示出了流体阀的透视横剖图。

流体阀10具有壳体20、阀瓣30和容纳在壳体20内的密封结构100，并且流体阀设置用于，通过借助于由螺钉41与阀瓣30连接的轴40(如在图4中所示，轴穿过壳体20的钻孔被插入)在关闭位置和打开位置之间调节阀瓣30的位置来控制在流体管路、尤其是气体管路(流体阀10连接到或者说安装到该流体管路、尤其是气体管路中)中通过流体阀10的阀开口的流体的流体流，该流体在图1中如通过箭头P所示地从上向下流动。

密封结构100具有保持环110以及柔性的环形密封元件200，该保持环具有保持环-贴靠部段111和多个腿部112，该柔性的环形密封元件具有环绕的径向接片201和与径向接片201邻接的、上游侧的第一径向面202，该第一径向面用作用于与壳体20的内壁21的相应的配对定心面23进行压配合的定心面。

径向接片201的上游侧的第一侧表面203贴靠在壳体20的内壁21的贴靠面22上，其中保持环-贴靠部段111具有贴靠在径向接片201的下游侧的第二侧表面204上的保持环-贴靠面，多个腿部112的至少一个子集的自由端部在预紧力下支撑在壳体20的内壁的、基本上垂直于流体的流动方向P延伸的支撑部段24上。

尤其如在图1和图2中所示地，多个腿部112无论在被预紧力状态中(图1)还是在未被预紧力状态中(图2)都相对于保持环-贴靠部段111在外部弯曲部段上以钝角径向向外延伸。

如图3所示，优选一个或多个腿部112-1较短或被切短，以实现制造过程所需的夹紧面。在此，较短腿部112-1的布置选择为，使得它们均匀地圆形地分布，以避免由(较长)腿部112-2产生的(径向)弹力的不平衡。

密封元件200还具有环绕的密封唇205，其朝向上游方向以及朝向壳体20的内壁21的方向延伸，并且其内周面形成阀座，该阀座定义阀开口并且其在图1所示的流体阀10的关闭位置中被阀瓣30接触。

在此，在密封元件200的具有第一径向面202的部段和密封唇205之间形成凹部206，其中密封元件200的具有第一径向面202的部段的位于上游的端部部段径向向内渐缩。

壳体20的内壁21具有在上游与配对定心面23相接的加宽部段28，其中密封唇205的外周面与加宽部段28间隔开并且与该加宽部段彼此对置。

壳体20的内壁21还具有在上游与加宽部段28相接的直线部段29，该直线部段平行于流体的流动方向P延伸。

密封元件200还具有与径向接片201邻接的、在下游侧的第二径向面207，该第二径向面相对于第一径向面202在径向方向上向内偏置。在此，如图1中所示，径向接片201的第一侧表面203和第二侧表面204形成为结构化表面和/或具有至少一个环形肋208。

保持环110具有内部弯曲部段113，如图1中所示，该内部弯曲部段从保持环-贴靠部段111基本上朝向下游方向延伸且尤其与密封元件200的第二径向面207彼此对置。

壳体的内壁21还具有在下游与配对定心面23相接的部段，该部段垂直于流体的流动方向P径向向外延伸并且具有贴靠面22，径向接片201的第一侧表面203贴靠在该贴靠面22上。

另外，壳体的内壁21具有在下游连接到与配对定心面相接的部段的另外的部段25，该另外的部段平行于流体的流动方向P延伸，其中该另外的部段25的子部段与径向接片21的向外指向的顶面彼此对置并与该顶面间隔开。

支撑部段24在下游与另外的部段25相接，并且从该另外的部段25开始径向向内延伸。

壳体20的内壁21还具有在下游与支撑部段24相接的另外的其它部段26，该另外的其它部段具有与支撑部段24相接的、平行于流体的流动方向延伸的第一部段，以及与第一部段相接的且加宽的第二部段。

为了组装流体阀10，首先提供具有钻孔的壳体20，并且轴40穿过该钻孔插入壳体20的内部。然后，将阀瓣30从位于下游的一侧插入壳体20的内部中，直至阀瓣30接触轴40的平坦面。在这种状态下，借助于随后也用于对密封元件200定中心的工具对阀瓣30定中心，其中，工具的环绕的定心面接触壳体20的内壁21的表面。

随后，从位于上游的一侧将两个螺钉41插入壳体20的内部中，拧入到在轴40上的为此设置的两个螺钉孔中，并在进行所需的调节之后拧紧。

然后将密封元件200放置到壳体20中并压到壳体20的为此设置的包含配对定心面23的部段中，直至径向接片201的位于上游的(结构化的)第一侧表面203贴靠到壳体20的内壁21的贴靠面22上。在这种状态下，密封元件200被放置在壳体20的中心。

然后将保持环110从位于下游的一侧插入壳体20的内部，直到保持环-贴靠面贴靠在径向接片201的下游侧的(结构化的)第二侧表面204上。在组装期间，在将保持环110压向柔性的密封元件200的径向接片201时，腿部112被弹性压紧(这为保持环110的进一步推入提供了足够的空间)，直到保持环110的腿部122的自由端部在经过支撑部段24之后，在保持环110以保持环-贴靠面压靠到径向接片201的第二侧表面204上使得径向接片201沿着流体的流动方向被压紧时，由于腿部112的弹力而径向向外弹回。

尽管在上文的描述中已经解释了示例性的实施方案，然而要指出的是，各种修改也是可行的。还应当注意的是，示例性的实施方案仅仅是例子，并不旨在以任何方式限制保护范围、应用和结构。相反，通过上文的描述为本领域技术人员提供了用于实现至少一个示例性的实施方案的指导，在此可以在不脱离从权利要求和与其等同的特征组合得出的保护范围的情况下，特别是鉴于所描述的部件的功能和布置做出各种修改。

附图标记列表：

10 流体阀

20 壳体

21 内壁

22 贴靠面

23 配对定心面

24 支撑部段

25 另外的部段

26 另外的其它部段

28 加宽部段

29 直线部段

30 阀瓣

40 轴

41 螺钉

100 密封结构

110 保持环

111保持环-贴靠部段

112 腿部

112-1 短腿部

112-2 长腿部

113 内部弯曲部段

200 密封元件

201 径向接片

202 第一径向面

203 第一侧表面

204 第二侧表面

205 密封唇

206 凹部

207 第二径向面

208 环形肋