JP2007242549A - 冷却システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ吸引により導水する冷却システムにおけるポンプ起動を容易にできるようにする。
【解決手段】冷却システムは、ポンプ１と、ポンプ１よりも高い位置に水位２ａが形成されて冷却水を貯蔵する水タンク２と、ポンプ１の吸入側と、水タンク２の水位２ａよりも高い位置に配置された被冷却器８とを連絡する吸入側配管２１と、ポンプ１の吐出側と水タンク２とを連絡する吐出側配管２２と、水タンク２内の冷却水を被冷却器８へ送る給水配管３０と、給水配管３０から分岐して被冷却器８を通らずに吸入側配管２１へ連絡するバイパス配管２０と、バイパス配管２０に配置されたバイパス弁３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムなどの冷却に好適な冷却システムおよびその運転方法に関する。

燃料電池発電システムは、燃料処理装置により生成された水素と酸素の結合エネルギーを、燃料電池本体において直接電気エネルギーに変換するものであり、化学反応による発電であるために発電効率が高く、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。

このような燃料電池発電システムにおいては、適正な運転温度を維持するために、燃料電池本体もしくは熱利用系について冷却システムを有している。一方、冷却システムに循環させる水についてポンプ吸引により導水する場合、ポンプ上流の配管または機器内部に滞留している空気を噛み込んでポンプが空転するため、循環状態を確立することが容易でない。

ポンプ空転を避けるためにはポンプ水室を水で満たす必要があり、ポンプ起動時に呼び水として供給することが一般に行なわれている。そこで、呼び水導入とポンプ起動の動作を自動的に行なうために、ポンプ下流側（吐出側）の液溜め器からポンプ上流側（吸入側）に至るバイパス弁（電磁弁）で遮断できる配管通路を設け、ポンプ動作とともに閉止し、ポンプ停止で再び開放する構成として呼び水を行なう方法が知られている（特許文献１参照）。
特開２００５−２６１９９号公報

ところで、冷却システムについてポンプ上流の系内容積が大きい場合、空気が多量に流入するために空気の噛み込みが生じやすく、ポンプ起動時の呼び水だけでは水の循環を確立させることは困難である。

さらに、冷却システムを負圧で運転する場合には、ポンプ上流の区間において、系内への若干の空気混入を許容することが可能であるが、ポンプへの呼び水は途中での空気混入分量も含めて多量供給が必要となる。ポンプ上流に必要量の呼び水を供給するための水バッファタンクを設ける方法もあるが、小型パッケージを必要とする固体高分子形燃料電池システムには容積的に不利であり、適さない。

また、特許文献１の方法では、入切動作を繰り返して行なわなければならず、バイパス弁の動作に伴う騒音がある上に故障が多くなる懸念があり、ポンプ上流の配管あるいは機器内部に滞留した空気の量が多い場合はポンプによる循環が確立するまでに時間を要する課題がある。複雑な冷却水路構成のために気抜きが容易でない燃料電池本体や熱交換器を有する冷却システムにおいては、ポンプ吸引による水の循環が開始されるまで、連続的に呼び水の供給ができる構成の方が適切である。

そこで、本発明は、上記のような従来技術の課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ポンプ吸引により導水する冷却システムにおけるポンプ起動を容易にできるシステムおよびその運転方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る冷却システムは、冷却水を駆動するポンプと、前記ポンプよりも高い位置に水位が形成されて冷却水を貯蔵する水タンクと、前記ポンプの吸入側と、前記水タンクの水位よりも高い位置に配置された被冷却器とを連絡する吸入側配管と、前記ポンプの吐出側と前記水タンクとを連絡する吐出側配管と、前記水タンク内の冷却水を前記被冷却器へ送る給水配管と、前記給水配管から分岐して前記被冷却器を通らずに前記吸入側配管へ連絡するバイパス配管と、前記バイパス配管に配置されたバイパス弁と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る冷却システムの運転方法は、冷却水を駆動するポンプと、前記ポンプよりも高い位置に水位が形成されて冷却水を貯蔵する水タンクと、前記ポンプの吸入側と、前記水タンクの水位よりも高い位置に配置された被冷却器とを連絡する吸入側配管と、前記ポンプの吐出側と前記水タンクとを連絡する吐出側配管と、前記水タンク内の冷却水を前記被冷却器へ送る給水配管と、前記給水配管から分岐して前記被冷却器を通らずに前記吸入側配管へ連絡するバイパス配管と、前記バイパス配管に配置されたバイパス弁と、を有する冷却システムの運転方法であって、前記ポンプを停止した状態から起動するとき、初めに前記バイパス弁を開いて、前記バイパス配管とポンプと吐出側配管と水タンクと給水配管とを通る循環を確立し、その後に、前記バイパス弁を閉じて、前記被冷却器とポンプと吐出側配管と水タンクと給水配管を通る循環に切り替えること、を特徴とする。

本発明によれば、ポンプ吸引により導水する冷却システムにおけるポンプ起動を容易に行なうことができる。

以下に、本発明に係る冷却システムの種々の実施形態について図面を参照して説明する。ここで、同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る冷却システムの第１の実施形態の構成を示す系統図である。被冷却器８は、たとえば燃料電池本体や、熱利用システムで放熱させるための機器である。被冷却器８よりも低い位置にポンプ１が配置され、ポンプ１の吸入口１０ａと被冷却器８とが吸入側配管２１によって接続されている。ポンプ１の吐出口１０ｂは吐出側配管２２によって水タンク２に接続されている。水タンク２内には冷却水が溜められ、水タンク２内の冷却水水位２ａは、被冷却器８よりも低く、ポンプ１よりも高い位置に保持される。水タンク２の底部と被冷却器８とは、給水配管３０を介して接続されている。給水配管３０の途中にはオリフィス６が配置されている。

本実施形態ではさらに、給水配管３０のオリフィス６より上流側からバイパス配管２０が分岐し、バイパス配管２０は吸入側配管２１の途中に接続されている。バイパス配管２０の途中にはバイパス弁３が配置されている。バイパス弁３としては、たとえば電磁弁が好適である。

本実施形態は、ポンプ１の上流に被冷却機器８を設けた負圧冷却システムであり、ポンプ１の吸入負圧はオリフィス６で設定することができる。

この冷却システムが長時間停止しているとき、被冷却器８内の冷却水は、水タンク２内に回収されている。この状態から冷却システムを起動する場合、初めに、バイパス弁３を開いた状態でポンプ１を起動する。このとき、ポンプ１への呼び水として、水タンク２からバイパス配管２０を通してポンプ１の吸入口１０ａに冷却水が供給される。バイパス配管２０を通して供給された呼び水は、吸入配管２１および被冷却機器８に溜まった空気をポンプ１で巻き込みながら吐出側配管２２を通じて水タンク２に送られる。やがて、空気が抜けると吸入負圧が増大してポンプ１による循環が確立する。その後、バイパス弁３を閉止することで呼び水を遮断する。

以上のように、本実施形態によれば、ポンプ１による吸引循環動作の確立まで呼び水を供給することができるので、ポンプ１に空転を生じさせることなく、負圧冷却システムにおいても確実に水の循環を確立することができる。

［第２の実施形態］
図２は、本発明に係る冷却システムの第２の実施形態の構成を示す系統図である。本実施形態では、バイパス弁３の駆動回路にタイマー９ａを設け、ポンプ１による吸引循環動作の確立を必要時間で判断するようにしている。

すなわち、ポンプ１の起動前はバイパス弁３を開いておき、ポンプ１起動後、所定時間経過後にバイパス弁３を閉じる。このようにすることにより、ポンプ１による吸引循環動作の確立までに必要な時間、呼び水を供給することができるので、負圧冷却システムにおいても確実に循環を確立させることができる。

［第３の実施形態］
図３は、本発明に係る冷却システムの第３の実施形態の構成を示す系統図である。本実施形態では、吸入側配管２１に圧力スイッチ９ｂが設けられ、ポンプ１による吸引循環動作の確立の判断を負圧検知で行なうことができる。

すなわち、ポンプ１の起動前はバイパス弁３を開いておき、ポンプ１起動後に、吸入側配管２１での負圧が確立したことが圧力スイッチ９ｂによって検知されてから、バイパス弁３を閉じる。これにより、負圧確立の確実性を高めることができる。なお、圧力スイッチ９ｂは負圧となる区間に設置することにより機能するため、被冷却機器８の入口または出口に設けてもよい。

本実施形態によれば、ポンプ１による吸引循環動作の確立まで呼び水を供給することができるので、何らかの外乱により所定の時間で水循環が確立できない場合でも、ポンプ１に空転を生じさせることなく、呼び水を継続することにより、水の循環を確立することができる。

［第４の実施形態］
図４は、本発明に係る冷却システムの第４の実施形態の構成を示す系統図である。本実施形態は、第３の実施形態（図３）の変形である。第３の実施形態においては圧力スイッチ９ｂによって吸入側配管２１の負圧を検知してこれに基づいてバイパス弁３を閉じる構成とした。これに対して第４の実施形態では、バイパス弁として逆止弁４を用い、この逆止弁の特性を利用することによって、圧力スイッチ９ｂを不要とするものである。

この実施形態では、図４に示すように、吸入側配管２１の途中と給水配管３０の途中とがバイパス配管２０で接続され、このバイパス配管２０の途中に逆止弁４が設けられている。この逆止弁４の吸入側配管２１側取り付け部を入口部４ａとし、給水配管３０側取り付け部を出口部４ｂとし、入口部４ａから逆止弁４を通って出口部４ｂへ向かう水の流れを順方向とするように逆止弁４が配置されている。

通常の逆止弁４の特性として、入口部４ａの圧力が出口部４ｂの圧力に比べて高いときは、水が逆止弁４を通って入口部４ａから出口部４ｂへ向かって順方向に流れる。また、入口部４ａの圧力が出口部４ｂの圧力に比べて限界差圧値以上の差圧をもって十分に低いときは、逆止弁４が閉じるので逆止弁４を通る流れは生じない。入口部４ａの圧力が出口部４ｂの圧力に比べて限界差圧値未満のわずかの差圧で低いときは、逆止弁４が完全には閉じず、水が逆止弁４を通って出口部４ｂから入口部４ａへ向かって逆方向にわずかに流れる漏洩流が生じる。

この実施形態で、ポンプ１の起動後しばらくはポンプ１による吐出圧が生じないので吸入側配管２１での負圧が確立せず、逆止弁４が完全には閉じない。その結果、逆止弁４を逆流する向きに給水配管３０から吸入側配管２１に向かって呼び水が供給される。その後、ポンプ１により循環が確立するとポンプ吸入負圧度が高まるため、逆止弁４の入口部４ａの圧力が出口部４ｂに比べて十分に低くなる。これにより、逆止弁４が閉じて逆流を阻止するようになり、バイパス配管２０の流れが止まる。

この実施形態では、タイマーも圧力スイッチも用いない単純な構成とすることができる。

本発明に係る冷却システムの第１の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明に係る冷却システムの第２の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明に係る冷却システムの第３の実施形態の構成を示す系統図である。 本発明に係る冷却システムの第４の実施形態の構成を示す系統図である。

符号の説明

１…ポンプ
２…水タンク
２ａ…冷却水水位
３…バイパス弁
４…逆止弁（バイパス弁）
６…オリフィス
８…被冷却機器
９ａ…タイマー
９ｂ…圧力スイッチ
１０ａ…ポンプ吸入口
１０ｂ…ポンプ吐出口
２０…バイパス配管
２１…吸入側配管
２２…吐出側配管
３０…給水配管

Claims (7)

1. 冷却水を駆動するポンプと、
   前記ポンプよりも高い位置に水位が形成されて冷却水を貯蔵する水タンクと、
   前記ポンプの吸入側と、前記水タンクの水位よりも高い位置に配置された被冷却器とを連絡する吸入側配管と、
   前記ポンプの吐出側と前記水タンクとを連絡する吐出側配管と、
   前記水タンク内の冷却水を前記被冷却器へ送る給水配管と、
   前記給水配管から分岐して前記被冷却器を通らずに前記吸入側配管へ連絡するバイパス配管と、
   前記バイパス配管に配置されたバイパス弁と、
   を有することを特徴とする冷却システム。
2. 前記ポンプを停止した状態から起動するとき、初めに前記バイパス弁を開いて、前記バイパス配管とポンプと吐出側配管と水タンクと給水配管とを順に通る循環を確立した後に、前記バイパス弁を閉じて、前記被冷却器とポンプと吐出側配管と水タンクと給水配管を通る循環に切り替えるような制御手段を有すること、を特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記制御手段は、前記ポンプの起動から前記バイパス弁の閉止までの時間を設定できるタイマーと、前記時間経過後に前記バイパス弁を閉じる手段とを含むこと、を特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
4. 前記制御手段は、前記ポンプ吸入側配管での圧力を測定する手段と、この圧力が充分に低下したときに前記バイパス弁を閉じる手段とを含むこと、を特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
5. 前記バイパス弁は、前記吸入側配管に近い側から前記給水配管に近い側に向かう向きを順方向とする逆止弁であって、前記逆止弁は、前記吸入側配管に近い側の圧力が前記給水配管に近い側の圧力に比べて所定の限界差圧値以上の大きな差圧で低い場合は流れを閉止し、前記吸入側配管に近い側の圧力が前記給水配管に近い側の圧力に比べて前記限界差圧値よりも小さい差圧で低い場合は前記給水配管に近い側から前記吸入側配管に近い側に向かって前記逆止弁を通る漏洩流が生じる特性を有すること、を特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
6. 前記被冷却器が燃料電池本体を含むこと、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の冷却システム。
7. 冷却水を駆動するポンプと、
   前記ポンプよりも高い位置に水位が形成されて冷却水を貯蔵する水タンクと、
   前記ポンプの吸入側と、前記水タンクの水位よりも高い位置に配置された被冷却器とを連絡する吸入側配管と、
   前記ポンプの吐出側と前記水タンクとを連絡する吐出側配管と、
   前記水タンク内の冷却水を前記被冷却器へ送る給水配管と、
   前記給水配管から分岐して前記被冷却器を通らずに前記吸入側配管へ連絡するバイパス配管と、
   前記バイパス配管に配置されたバイパス弁と、
   を有する冷却システムの運転方法であって、
   前記ポンプを停止した状態から起動するとき、初めに前記バイパス弁を開いて、前記バイパス配管とポンプと吐出側配管と水タンクと給水配管とを通る循環を確立し、
   その後に、前記バイパス弁を閉じて、前記被冷却器とポンプと吐出側配管と水タンクと給水配管を通る循環に切り替えること、
   を特徴とする冷却システムの運転方法。

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