JP2006502946A - 噴霧ノズル - Google Patents

Abstract

特に水素を獲得するための化学的な改質器内に供給するための、燃料のための噴霧ノズル（１）が、配量室に開口する噴射開口（３）を備えたノズルボディ（２）と、少なくとも１つの調量開口（６）とを有している。ノズルボディ（２）の中心軸線（１０）に対して半径方向成分を有する複数の噴射開口（３）が、高さ段階（４）に、それぞれ少なくとも１つの噴射開口（３）により配置されている。少なくとも１つの貫通開口（１１）を有する少なくとも１つのノズルボディインサート（５）が、燃料流れ方向（８）で見て、第１の高さ段階（４．１）の前に配置されているか、かつ／又はノズルボディ（２）の複数の高さ段階（４）の間に配置されている。

Description

従来技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の噴霧装置に関する。

燃料電池により支援された搬送システムでは、炭化水素含有燃料から必要とされる水素を獲得するために、いわゆる「化学的な改質器」が使用される。

改質器により反応経過のために必要とされる全ての物質、例えば空気、水及び燃料は、改質器に、理想的にはガス状の状態で供給される。しかしながら、搬送システムに搭載された燃料、例えばメタノール又はガソリン、及び水は、有利には液状の形で提供されているので、これらの燃料と水とは、蒸発のために、改質器に供給される直前にはじめて加熱されなければならない。このことは、ガス状の燃料及蒸気の対応した量を提供することのできる前蒸発器を必要とし、この場合に、たいていは改質器の廃熱が蒸発のために使用される。

水素はたいていは即座に使用されるので、化学的な改質器は、水素の生成を遅延なしに、例えば負荷変化時又は始動段階で需要に適合させることができるようになっていなければならない。特にコールドスタート段階では付加的な手段が講じられなければならない。なぜならば、改質器は廃熱を提供しないからである。従来の蒸発器は、適宜な量のガス状の反応物を遅延なしに発生させることができない。

例えば燃料を特に水素に改質する化学的な反応のために不可欠な温度は、いわゆる「触媒バーナ」により提供される。触媒バーナは、触媒により被覆された面を有するコンポーネントである。これらの触媒バーナでは、燃料／空気混合物が熱と排ガスとに変化せしめられ、この場合に発生した熱は、例えば周面及び／又は熱い排ガス流を介して、対応したコンポーネント、例えば化学的な改質器又は蒸発器へ案内される。

燃料の、熱への変換は、触媒層に生じる燃料滴のサイズに強く関係している。雫サイズが小さければ小さいほど、かつ触媒層が燃料雫により一様に負荷されれば一様に負荷されるほど、それだけ一層、完全に、燃料は熱に変化せしめられ、それだけ一層、作用度は高くなる。これにより、燃料はさらに急速に変換され、有害物質エミッションが減衰される。大きすぎる燃料雫は、触媒層の被覆をもたらし、ひいては緩慢な変換しかもたらさない。このことは、特にコールドスタート段階では、例えば劣悪な作用度をもたらす。

そこで噴霧装置により微細に分配された形で燃料を改質器／触媒バーナ内へ持ち込むことは有意義である。この場合に、熱提供が十分な場合には、蒸発プロセスは、微細分配された燃料の高い表面により改良される。

例えば、米国特許第３９７１８４７号明細書につき、改質器内に燃料を調量するための装置が公知である。この場合には、燃料は改質器から比較的遠く隔たった配量装置によって、長い供給管路と単純なノズルとを介して、温度調整された物質流内に配量される。この場合に、燃料は、まずノズルの流出開口の後方に配置された、燃料の渦流と分配をもたらしたい衝突薄板に衝突し、次いで蒸発プロセスのために不可欠な比較的長い蒸発距離を介して改質器の反応領域内へ到達する。長い供給管路によって、配量装置を改質器の熱的な影響から隔離することができる。

上に述べた刊行物につき公知の装置では、特にノズルの単純な構造及び衝突薄板の配置により、例えば改良装置の領域への、多量な熱提供を伴った燃料の意図的な調量が、不十分な形でしか可能ではないことが欠点である。このことは、長く多量の蒸発距離の必要性により比較的大きい所要スペースにつながる。

さらに、コールドスタート時には問題が生じる。なぜならば、長く容積のある蒸発距離は緩慢にしか加熱されず、さらに比較的多くの熱が使用されずに排出されるからである。前記米国特許第３９７１８４７号明細書に開示された、ノズル及び衝突薄板の装置によっては、中空円筒体内面を燃料により一様に湿潤させ、この場合に、特に中空円筒体の所定の面を燃料による湿潤から除外するか、又は調量される燃料の量を、配量室の熱提供の分配に適合させることが可能ではない。配量プロセスにより生じる燃料雲の形状にも不十分にしか影響を及ぼすことができない。

発明の利点
これに対して、請求項１に記載の特徴を有する本発明による噴射ノズルは次のような利点、すなわち、適宜な形成及び配置により、燃料を、配量室内に形成された熱提供に対応して供給ことができるという利点を有している。これにより、燃料の蒸発プロセスは最適化され、急速に加熱される小さい室で行うことができる。さらに運転特性が改善される。なぜならば、例えば測定距離又は測定面、例えばセンサを、燃料負荷からほぼ除外することができるからである。噴射される燃料若しくは燃料雲の幾何学形状を、調量室内に形成される状況及びこれにより付与される諸条件に卓越した形で適合させることができる。

従属請求項に構成された手段により、請求項１に記載の噴霧装置の有利な発展形が可能である。

有利な第１の発展形では、噴霧ノズルのノズルボディが中空円筒状に成形されている。これにより、噴霧ノズルは極めて単純かつ精度良く、ひいては安価に形成することができる。さらに、これにより噴霧ノズルは、例えば標準的な半製品、例えば規格化された金属管より形成することができる。

別の有利な発展形では、ガス、例えば空気、又は燃料電池プロセス又は改質プロセスからの残留ガスを供給するためのガス供給開口が、第１の高さ段階の噴射開口と、調量開口との間に配置されている。これにより、混合気調整に有利に作用を及ぼすことができる。

高さ段階の、燃料流れ方向で見て最後に位置する噴射開口のあとに、少なくとも１つの別の噴射開口が配置されており、この噴射開口が、ノズルボディの中心軸線に対して軸線方向の成分を有しているようにすることにより、さらに噴霧ノズルを有利に形成することができる。これにより、燃料の噴霧をさらに良好に、配量室内に形成された条件に適合させることができる。

ノズルボディインサートの幾何学形状により、ノズルボディ内における燃料の流体特性に有利に影響を及ぼすことができる。この場合に、長方形、凹状又は凸状の横断面を有するノズルボディインサートは、特に有利かつ簡単に形成し、組み付けることができる。さらに、ノズルボディ内の流体特性若しくは圧力比は、貫通開口の形状により影響を及ぼされ得る。この場合に、台形、長方形の横断面、又は長方形及び台形の横断面の組合せを有する貫通開口は、とりわけ簡単で正確であり、ひいては安価に形成することができるので特に有利である。さらに貫通開口を、種々異なった大きさの一様な複数の横断面、例えば段状孔の形で実施することは有利である。

ノズルボディ内に壁厚さを減じられた区分が配置されている場合には、特に調量箇所に向かって熱伝導率が低減される。そこに配置された配量装置は、これにより、過剰な加熱から保護される。さらに、壁厚さを減じられた区分が噴射開口の領域に位置している場合には、この壁厚さを減じられた区分により、放射幾何学形状に影響を及ぼすことができる。

実施例の説明
次に本発明の実施例を例として説明する。

本発明により形成された噴霧ノズルの次に説明する実施例は、頑丈な構造体において熱い雰囲気における簡単な調量及び噴霧、種々異なった空間的構造における使用、標準低圧燃料噴射弁の使用を可能にする。

図面では、等しい構成部材にはそれぞれ同一の符号を付す。矢印は、それぞれ燃料流及びガス流を示す。

図１に概略的に示した、本発明による噴霧ノズル１の第１実施例は、低圧燃料噴射弁１６を使用するための噴霧ノズル１の形で構成されている。この噴霧ノズル１は、特に水素を獲得するための化学的な改質器（図示しない）内に燃料を供給し、噴霧するために適している。

本発明による噴霧ノズル１は、本実施例では中空円筒状のノズルボディ２を有しており、このノズルボディ２には、ノズルボディ２の中心軸線１０の上方に、中央に配置された調量開口６が設けられている。次いで燃料流れ方向８で見て、ノズルボディ２の長手方向側部に配置されたガス供給開口７、８つの高さ段階４及びこれらの高さ段階４に対して、ノズルボディ２の中心軸線１０に対してそれぞれ直角に配置された噴射開口３、最後にはノズルボディ２の、調量開口６に向かい合った噴射開口３を備えた側が続く。

燃料流れ方向８に位置する第１の高さ段階４．１及び最後の高さ段階４．２の前には、それぞれ軸線方向中央に配置された貫通開口１１を備えたノズルボディインサート５が、ノズルボディ２内に配置されている。貫通開口１１の中央軸線１２は、本実施例ではノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。このノズルボディインサート５は円板状に形成されており、この場合に、第１の高さ段階４．１の前に位置する第１のノズルボディインサート５．１は、貫通開口１１から外周へ向かって、燃料流れ方向８に対して凹状に引き込まれている。ノズルボディインサート５の外周の領域は、ノズルボディ２に気密に接合されており、これにより、ノズルボディ２と、ノズルボディインサート５の外周との間でを燃料又はガスが通過することができないようになっている。本実施例では、ノズルボディインサート５とノズルボディ２とは、レーザ溶接結合部１４により接合されている。前記ノズルボディインサート５とノズルボディ２とは、圧入することもできる。ノズルボディインサート５としては、有利には燃料噴射弁につき公知のような噴射孔ディスクが適している。

第１のノズルボディインサート５．１の貫通開口１１は、横断面が長方形の孔の形で構成されており、最後のノズルボディインサート５．２の貫通開口１１は、下方へ開口した台形状に構成されている。本発明によれば別の実施例で、別のノズルボディインサート５を高さ段階４の間に配置することができる。この場合に、ノズルボディインサート５の形状、組込み位置、貫通開口１１の形状の形式若しくは構成は、燃料流、ガス流及び圧力比の制御のために任意に組合せ、変化させることができる。

燃料は、本実施例では低圧燃料噴射弁１６を通って、調量開口６を介して、噴霧ノズル１若しくはノズルボディ２内へ配量され、次いでノズルボディ２の中央軸線１０に沿って延びる燃料流れ方向８に、ガス管１５を介して残留ガス及び／又は空気をノズルボディ２内へ案内するガス供給開口７を通過して、第１のノズルボディインサート５．１へ向かって流れる。次いで燃料若しくは燃料／ガス混合物は貫通開口１１を通過し、次いで燃料若しくは燃料／ガス混合物の少なくとも一部は、それぞれの高さ段階４の高さに配置された噴射開口３を介して、配量室（図示しない）内へ噴射される。燃料若しくは燃料／ガス混合物の残留部分は、燃料流れ方向８で見て下方へ台形状に開口した、最後のノズルボディインサート５．２の貫通開口１１を通過し、次に配置された、最後の高さ段階４．２の噴射開口３及びノズルボディ２の下側に配置された噴射開口３を介して、ノズルボディ２若しくは噴霧ノズル１から配量室（図示しない）内へ、対応したよりわずかな圧力により逃れる。

図２Ａは、本発明による噴霧ノズル１内に配置されたノズルボディインサート５の第１実施例を示している。この場合には、円板状のノズルボディインサート５は、外径へ向かって、燃料流れ方向８に反して凹状に引き込まれている。このノズルボディインサート５はノズルボディ２内に圧入されており、燃料流れ方向８で見て、噴射開口３を有する高さ段階４の前に座着している。貫通開口１１の中心軸線１２は、ノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。

図２Ｂは、本発明による噴霧ノズル１内に配置されたノズルボディインサート５の第２実施例を示している。この場合には、円板状のノズルボディインサート５は、外径へ向かって、燃料流れ方向８へ凹状に引き込まれている。このノズルボディインサート５は、ノズルボディ２内に圧入されており、燃料流れ方向８で見て、噴射開口３を有する高さ段階４の前に座着している。貫通開口１１の中心軸線１２は、ノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。

図２Ｃは、本発明による噴霧ノズル１内に配置されたノズルボディインサート５の第３実施例を示している。中央に配置された貫通開口１１は、段なしの孔の形で構成されている。円板状のノズルボディインサート５はノズルボディ２内に圧入されており、燃料流れ方向８で見て、噴射開口３を有する高さ段階４の前に座着している。貫通開口１１の中心軸線１２は、ノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。

図２Ｄは、本発明による噴霧ノズル１内に配置されたノズルボディインサート５の第４実施例を示している。中央に配置された貫通開口１１は、長手方向で見て台形になっており、この場合に、貫通開口１１は燃料流れ方向８で見て先細りしている。円板状のノズルインサート５はノズルボディ２内に圧入されており、燃料流れ方向８で見て噴射開口３を有する高さ段階４の前に座着している。貫通開口１１の中心軸線１２は、ノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。

図２Ｅは、本発明による噴霧ノズル１内に配置されたノズルボディインサート５の第５実施例を示している。中央に配置された貫通開口１１は、１段式の段付孔の形で構成されており、この場合に、燃料流れ方向８に位置する第１の部分孔がより大きい直径を有している。円板状のノズルボディインサート５はノズルボディ２内に圧入されており、燃料流れ方向８で見て噴射開口３を有する高さ段階４の前に座着している。貫通開口１１の中心軸線１２は、ノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。

図２Ｆは、本発明による噴霧ノズル１内に配置されたノズルボディインサート５の第６実施例を示している。中央に配置された貫通開口１１は、横断面で見て、異なった２つの幾何学形状を有している。燃料流れ方向８に位置する第１の幾何学形状は長方形であり、これに続く幾何学形状は、下方へ向かって先細りした台形である。円板状のノズルボディインサート５はノズルボディ２内に圧入されており、燃料流れ方向８で見て噴射開口３を有する高さ段階４の前に座着している。貫通開口１１の中心軸線１２は、ノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。

図３は、本発明による噴霧ノズル１の１実施例の、高さ段階４の領域を示している。この場合、ノズルボディ２は高さ段階４の領域に壁厚さを減じられた区分１３を有している。この区分１３は、本実施例では、この区分１３に沿って円筒状のノズルボディ２の外径を縮小している。例えばノズルボディ２の内径を拡大することもできる前記区分１３は、互いに短い間隔をおいてノズルボディ２内に何重にも配置することもできるが、高さ段階４又は噴射開口３の領域に延びている必要はない。

円板状のノズルボディインサート５は、外径に向かって凹状に燃料流れ方向８に反して引き込まれており、ノズルボディ５内に圧入されており、燃料流れ方向８で見て区分１３、及び噴射開口３を有する高さ段階４の前に座着している。貫通開口１１の中心軸線１２は、ノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。ノズルボディ２の上方に配置された調量開口６は、本実施例では、燃料噴射弁の噴射側の終端部（図示しない）を収容するために働く。

本発明は上に述べた実施例に限定されるものではなく、任意の別の噴霧装置のために使用可能である。

本発明による噴霧ノズルの第１実施例を示す概略的な横断面図である。 本発明による噴霧ノズル内に配置されたノズルボディインサートの第１実施例を示す概略的な横断面図である。 本発明による噴霧ノズル内に配置されたノズルボディインサートの第２実施例を示す概略的な横断面図である。 本発明による噴霧ノズル内に配置されたノズルボディインサートの第３実施例を示す概略的な横断面図である。 本発明による噴霧ノズル内に配置されたノズルボディインサートの第４実施例を示す概略的な横断面図である。 本発明による噴霧ノズル内に配置されたノズルボディインサートの第５実施例を示す概略的な横断面図である。 本発明による噴霧ノズル内に配置されたノズルボディインサートの第６実施例を示す概略的な横断面図である。 本発明による噴霧ノズルの高さ段階の領域の１実施例を示す概略的な部分横断面図である。

Claims (13)

1. 特に水素を獲得するための化学的な改質器内に供給するための燃料のための噴霧ノズル（１）であって、配量室何開口する噴射開口（３）を有するノズルボディ（２）と、少なくとも１つの調量開口（６）とが設けられている形式のものにおいて、ノズルボディ（２）の中心軸線（１０）に対して半径方向成分を備えた複数の噴射開口（３）が、高さ段階（４）にそれぞれ少なくとも１つの噴射開口（３）により配置されており、少なくとも１つの貫通開口（１１）を有する少なくとも１つのノズルボディインサート（５）が、燃料流れ方向（８）で見て、第１の高さ段階（４．１）の前に配置されている、かつ／又はノズルボディ（２）の複数の高さ段階（４）の間に配置されていることを特徴とする、噴霧ノズル。
2. ノズルボディ（２）が、中空円筒状である、請求項１記載の噴霧ノズル。
3. ノズルボディ（２）内の、燃料流れ方向（８）に位置する第１の高さ段階（４．１）と、調量開口（６）との間に、ガス供給開口（７）が配置されている、請求項１又は２記載の噴霧ノズル。
4. 燃料流れ方向（８）で見て最後に位置する高さ段階（４．２）の後に、ノズルボディ（２）の中心軸線（１０）に対して軸線方向成分を備えた、少なくとも１つの別の噴射開口（３）が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の噴霧ノズル。
5. 少なくとも１つのノズルボディインサート（５）が、ノズルボディ（２）に、液圧的に密に圧着されている、かつ／又は溶接されており、特にレーザ溶接されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の噴射ノズル。
6. ノズルボディインサート（５）の貫通開口（１１）の中央軸線（１２）が、ノズルボディ（２）の中心軸線（１０）に対して平行に延びている、請求項１から５までのいずれか１項記載の噴霧ノズル。
7. ノズルボディインサート（５）のうちの少なくとも１つが、長方形の横断面を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載の噴霧ノズル。
8. ノズルボディインサート（５）のうちの少なくとも１つが、貫通開口（１１）からノズルボディ（２）へ向かって、燃料流れ方向（８）に反して凹状に引き込まれている、請求項１から７までのいずれか１項記載の噴霧ノズル。
9. ノズルボディインサート（５）のうちの少なくとも１つが、貫通開口（１１）からノズルボディ（２）へ向かって、燃料流れ方向（８）へ凹状に引き込まれている、請求項１から８までのいずれか１項記載の噴霧ノズル。
10. 貫通開口（１１）の横断面が、長方形、又は台形である、請求項１から９までのいずれか１項記載の噴霧ノズル。
11. 貫通開口（１１）が、種々異なった大きさの少なくとも２つの一様な横断面、有利には段付孔を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の噴霧ノズル。
12. ノズルボディ（２）が、軸線方向延在部に、少なくとも１つの壁厚さ減衰区分（１３）を有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の噴霧ノズル。
13. 壁厚さを減衰区分（１３）が、高さ段階（４）の領域に延びている、請求項１２記載の噴霧ノズル。

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