JP2007294287A - 燃料電池用エアクリーナ - Google Patents

Abstract

【課題】吸気騒音を効果的に低減することのできるレゾネータ機能内蔵の燃料電池用エアクリーナを提供すること。
【解決手段】本発明の燃料電池用エアクリーナは、車両に搭載される燃料電池に酸素を供給する吸気系経路上に配設されており、吸気系経路上に配設されたケース１、ケース１の壁部に開口され常時開放された第一エア導入孔２、ケース１の壁部に開口され常時開放されたエア導出孔３、ケース１内の第一エア導入孔２とエア導出孔３との間に配されたフィルタ６、ケース１内の第一エア導入孔２側の空間に開閉可能に配され、車両の走行状態に応じて開閉させる第二エア導入孔４、及び、ケース１内の第一エア導入孔２側の空間に設けられ、内部容積を可変制御可能な可変レゾネータ８を備えており、可変レゾネータ８の容積変化と第二エア導入孔４の開度とが連動制御されることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される燃料電池に酸素を供給する吸気系経路上に配設された燃料電池用エアクリーナに関する。

内燃機関（エンジン）のエアクリーナ技術としては、下記［特許文献１］に記載のものなどが知られている。下記［特許文献１］に記載の技術は、共鳴過給効果のためにクリーナケース内の容積を変化させるものである。容積を変化させるための可動板は、クリーナケース内のクリーンサイド（エアフィルタの下流側）に配設されている。このため、このクリーナケースのレゾネータとしてのスペックは後付け的に決まるものであった。
特開平１０−１８９２０号公報

エンジンでは、たとえアイドリング状態（ロードノイズがない）にあるとしても、エンジン自体の出す音があるため、吸気音が騒音源として認知されることはほとんどないと言える。しかし、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムでは燃料電池自体が騒音源とならないため、燃料電池に空気（酸素）を供給する過給機に起因する騒音が目立ってしまう。燃料電池で用いる過給機は空気流量で回転数を決めるが、過給機の吐出効率の個体ばらつきや空気温度によって過給機の回転数がばらつくことがあった。

また、燃料電池車のアイドリング時には発電要求負荷によって供給空気量が異なるために過給機の回転数も一定ではない。このため、変化する過給機回転数に対応させて、騒音低減のためのレゾネータを吸気ダクトに複数設置することはレイアウト上困難である。従って、本発明の目的は、吸気騒音を効果的に低減することのできるレゾネータ機能内蔵の燃料電池用エアクリーナを提供することにある。

本発明の燃料電池用エアクリーナは、車両に搭載される燃料電池に酸素を供給する吸気系経路上に配設されており、吸気系経路上に配設されたケース、ケースの壁部に開口され常時開放された第一エア導入孔、ケースの壁部に開口され常時開放されたエア導出孔、ケース内の第一エア導入孔とエア導出孔との間に配されたフィルタ、ケース内の第一エア導入孔側の空間に開閉可能に配され、車両の走行状態に応じて開閉させる第二エア導入孔、及び、ケース内の第一エア導入孔側の空間に設けられ、内部容積を可変制御可能な可変レゾネータを備えており、可変レゾネータの容積変化と第二エア導入孔の開度とが連動制御されることを特徴としている。

本発明の燃料電池用エアクリーナによれば、第一エア導入孔によって常時吸気口を確保しつつ、吸気騒音が目立つ状況では可変レゾネータによって吸気騒音の低減を行え、その容積を変えることで低減する騒音の周波数に会わせた共鳴周波数を設定できる。また、吸気騒音が目立たなく、より多くの吸気が必要な場合は、第二エア導入孔の開度を広げて吸気量を増加させ燃料電池への吸気量を確保することができる。可変レゾネータの容積変化と第二エア導入孔の開度とが連動制御されているため、上述した制御を連続して行うことができる。具体的には、吸気量があまり必要なく吸気騒音が目立つアイドル時には第二エア導入孔を塞ぐと共に可変レゾネータを有効に用いて騒音低減重視の制御を行い、ロードノイズによって吸気騒音があまり目立たない走行中の高負荷時には第二エア導入孔を開放して吸気量を確保する（レゾネータ機能の効果は低減）。

以下、本発明の燃料電池用エアクリーナの実施形態について、図面を参照しつつ説明する。いくつかの実施形態を説明する。以下に説明するエアクリーナは、燃料電池車に搭載された燃料電池ユニットの吸気経路上に配設されているものである。図１及び図２に、第一実施形態のエアクリーナの断面図を示す。図１は第二エア導入孔４が閉じられている状態を示しており、図２は第二エア導入孔４が開かれている状態を示している。

エアクリーナケース１は、ほぼ直方体系の外形を有している。ケース１は、上下に分割可能な構造となっている。ケース１の一端側（図中左側）下方に第一エア導入孔２が形成されている。第一エア導入孔２には円筒形のダクトが結合されている。また、ケース１の他端側上方にはエア導出孔３が形成されており、エア導出孔３にも円筒形のダクトが結合されている。第一エア導入孔２及びエア導出孔３は常に開口されている。一方、ケース１の他端側下方には開閉可能な第二エア導入孔４が形成されており、第二エア導入孔４にもダクトが結合されている。第二エア導入孔４に付随して、第二エア導入孔４を開閉する蓋５が設けられている。蓋５は、バネの力によって閉方向に付勢されている。

ケース１の内部には、その上下方向のほぼ中央にフィルタ６が、シール部材６ａを介して取り付けられている。フィルタ６は上下に分割されたケース１の下側ケースの周囲にわたって取り付けられたシール部材６ａにはめ込まれ、この上から上側ケースを取り付けることでケース１内に取り付けられる。フィルタ６は、図中奥側の内壁から図中手前側の内壁までにかけて設けられている。

さらに、ケース１内のダストサイド側の空間内には、可動板７によって形成された可変レゾネータ８が設けられている。上述した第二エア導入孔４（及び蓋５）はこの可変レゾネータ８の内部空間に位置している。可動板７には、レゾネータとして機能させるための開口部が一つ穿孔されており、この開口部には、可変レゾネータ８の内部側に向けて筒部９が突設形成されている。なお、可動板７は、図中奥側の内壁から図中手前側の内壁までにかけて設けられている。可動板７は、その一辺をケース１の底面に形成されたレール沿ってスライド可能とされており、この一辺に対向するもう一辺がケース１の側面に形成されたレールに沿ってスライド可能とされている。このスライド動は、スライド用のアクチュエータ（モータ）によって行われるが、このアクチュエータはアクチュエータコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１０によってその動作が制御される。

アクチュエータＣ／Ｕ１０によって可動板７の位置を変化させることで、可変レゾネータ８の内部容積を変えることができ、これによって可変レゾネータ８の共鳴周波数を制御することができる。このように、ケース１内に配設した可動板７によって可変レゾネータ８を構成することで、スペース効率よくレゾネータを配設することができ、かつ、ダクト部分に分岐部分を設置するようなレゾネータ形態でなくなるため樹脂成形が容易になる。また、可動板７を動かして可変レゾネータ８の内部容積を減らすと、上述した筒部９が蓋５を下方に押し、第二エア導入孔４が開口される。第二エア導入孔４から導入される空気は、筒部９を通って可動板７に穿孔された開口部からダストサイドの空間に導入される。

レゾネータの共鳴周波数Ｆは、次式（ｉ）で表すことができる。Ｆ＝（ｃ／２π）×［｛Ｓ／（Ｌ×Ｖ）｝］^１／２…（ｉ）ここで、ｃは音速、Ｓは首部分断面積、Ｌは首長さ、Ｖはレゾネータ内容積である。可変レゾネータ８では、筒部９が首部分となる。なお、筒部９は可変レゾネータ８の内部側に突出されているため、ケース１内の第一エア導入孔２→フィルタ６への空気の流れを乱すことがない。むしろ、可動板７が斜めに配置されることによって、第一エア導入孔２→フィルタ６への空気の流れを促進する。

ここで、第一エア導入孔２の吸気ダクト長と第二エア導入孔４の吸気ダクト長とを異ならせてある。ダクト長さによって、次式（ii）の吸気管内の気柱共鳴で吸気口からの吸気音と吸気部品壁面から放射される透過音が発生する。Ｆd＝nc/｛2×（Lｄ＋0.8×Ｄ）｝…（ii）ここで、cは音速、nは気柱共鳴周波数の次数、Lｄはダクト長さ、Ｄはダクト内径である。このダクト長さで一義的に決まる気柱共鳴周波数はダクト部品レイアウトでどうしても過給機のアイドリング吸い込み基本次数と共振してしまうことがある。そこで、第二エア導入孔のダクト長さで、気柱共鳴周波数の次数間の節の部分を過給機のアイドリング吸い込み基本次数周波数に合わせて、音レベルを低減させる。このように、ダクト長の長さで管共鳴周波数が決まるため、これを分散させることでさらなる吸気音低減を行える。

さらに、ここでは、第一エア導入孔２のエア導入元と第二エア導入孔４のエア導入元とが異ならせてある。これにより、温度の違う空気を導入することができ、燃料電池を暖機あるいは冷却することができる。例えば、本実施形態では、第一エア導入孔２のエア導入元は大気とされており、第一エア導入孔２からはフレッシュエアが導入される。一方、第二エア導入孔４のエア導入元は、ラジエター後方とされている。このため、第二エア導入孔４からは暖かい空気が導入されることとなり、これによって燃料電池を暖機することができる。

あるいは、第一エア導入孔２のエア導入元は大気とし、第二エア導入孔４のエア導入元をエアコンディショナーとしてもよい。エアコンディショナーは暖かい空気又は冷却された空気を供給することができるため、第二エア導入孔４から暖かい空気を導入させれば燃料電池を暖機できるし、第二エア導入孔４から冷却された空気を導入させれば燃料電池を冷却できる。

次に、図３に第二実施形態の図１相当図を示す。本実施形態は、クリーンサイドに固定容積の固定レゾネータ１１を設けた点のみが上述した第一実施形態と異なる。このため、以下には、第一実施形態と異なる部分について特に説明し、第一実施形態と同一又は同等の部分に関しては同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。また、すでに説明した大地実施形態が実現しうる効果はこの第二実施形態においても実現し得る。

本実施形態では、クリーンサイドの第一エア導入孔２側に固定レゾネータ１１が設けられている。固定レゾネータは、ケース１の内部に仕切板１２を斜めに取り付けることで形成されている。仕切板１２には、レゾネータとして機能させるための開口部が一つ穿孔されており、この開口部には、固定レゾネータ１１内部側に向けて筒部１３が突設形成されている。なお、仕切板１２は、図中奥側の内壁から図中手前側の内壁までにかけて設けられている。固定レゾネータ１１の仕切板１２をこのように斜めに設けることで、可変レゾネータ８の斜めの可動板７と相まって、ケース１内の気流を第一エア導入孔２からエア導出孔３にスムーズに導くことができる。

ケース１内に配設した仕切板１２によって固定レゾネータ１１を構成することで、スペース効率よくレゾネータを配設することができ、かつ、ダクト部分に分岐部分を設置するようなレゾネータ形態でなくなるため樹脂成形が容易になるのは可変レゾネータ８の場合と同様である。なお、筒部１３は固定レゾネータ１１の内部側に突出されているため、ケース１内の第一エア導入孔２→フィルタ６→エア導出孔３への空気の流れを乱すことがない。

本実施形態では、可変レゾネータ８の最大容積時の共鳴周波数が過給機の最小アイドル回転時の音源一次周波数に合わせて設定されていると共に、固定レゾネータ１１の共鳴周波数が過給機の最大アイドル回転時の音源一次周波数に合わせて設定されている。なお、過給機のアイドル回転数とは、車両が停止しているときに燃料電池に酸素（空気）を供給する際の過給機の回転数であり、例えば、エアコンなどの電力負荷が大きくなれば発電量を多くするために酸素供給量を増加させることとなりアイドル回転数は上昇する。

そして、上述した式（ｉ）から分かるように、可変レゾネータ８の容積Ｖを小さくすれば、共鳴周波数Ｆは大きくなる。即ち、可変レゾネータ８の容積Ｖが最大容積となるとき、可変レゾネータ８の共鳴周波数Ｆは最も小さくなる。このときの周波数と音レベルの関係を示したものが図４である。上述したように、車両停止時の過給機のアイドル回転時には、ロードノイズ等がないため過給機の吸気騒音が目立つ。このようにすることで、過給機のアイドル回転時の吸気騒音を共鳴効果によって低減する。そして、過給機のアイドル回転数の変化に応じて、可変レゾネータ８の容積を制御することで共鳴周波数Ｆを変化させ、最も効果的な吸気騒音の低減を行うことができる（図５参照）
なお、図示しないが、図３の固定レゾネータ１１を可変レゾネータとしてもよい。この場合は、一方の可変レゾネータの最大容積時の共鳴周波数を過給機の最小アイドル回転時の音源一次周波数に合わせて設定すると共に、他方の可変レゾネータの最大容積時の共鳴周波数を過給機の最大アイドル回転時の音源二次周波数に合わせて設定することがよい。このようにすれば、図６及び図７に示されるように、一方の可変レゾネータの容量を制御して、音源一次周波数を共鳴効果で低減させると同時に、他方の可変レゾネータの容量を制御して、音源二次周波数を共鳴効果で低減させることで、さらなる騒音低減効果を実現することができる（図６及び図７では、音源二次周波数側の可変制御は図示されていない）。

図８及び図９に、第三実施形態のエアクリーナの断面図を示す（なお、図８及び図９では、ケース１のクリーンサイドの一部の図示が省略されているが、この部分は図１及び図２と同一である）。本実施形態は、上述した第一実施形態とは、第二エア導入孔４の開閉機構が異なるだけである。このため、以下には、第一実施形態と異なる部分について特に説明し、第一実施形態と同一又は同等の部分に関しては同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。図８は第二エア導入孔４が閉じられている状態を示しており、図２は第二エア導入孔４が開かれている状態を示している。

本実施形態では、可変レゾネータ８を第一可動板７０、第二可動板７１及び仕切板７２とで構成されている。第一可動板７０には、レゾネータとして機能させるための開口部が一つ穿孔されており、この開口部には、可変レゾネータ８の内部側に向けて筒部９が突設形成されている。なお、第一可動板７０、第二可動板７１及び仕切板７２は、図中奥側の内壁から図中手前側の内壁までにかけて設けられている。仕切板７２は、ケース１の内側面に固定されており、その先端縁に第一可動板７０の一辺が屈曲可能に取り付けられている。そして、第一可動板７０の反対側の一辺に第二可動板７１の一辺が屈曲可能に取り付けられている。第二可動板７１の反対側の一辺は、ケース１の側面に形成されたレール沿ってスライド可能とされている。このスライド動は、スライド用のアクチュエータ（モータ）によって行われるが、このアクチュエータはアクチュエータコントロールユニット（Ｃ／Ｕ）１０によってその動作が制御される。

アクチュエータＣ／Ｕ１０によって第二可動板７１のスライド可能な一辺の位置を変化させることで、可変レゾネータ８の内部容積を変えることができ、これによって可変レゾネータ８の共鳴周波数を制御することができる。また、第二可動板７１のスライド端を図８の位置にすることによって第二エア導入孔４を閉塞させることができ、第二可動板７１のスライド端を図８の位置から下方に移動させることで徐々に第二エア導入孔４を開放させることができる。このように、可変レゾネータ８を構成することで、スペース効率よくレゾネータを配設することができ、かつ、ダクト部分に分岐部分を設置するようなレゾネータ形態でなくなるため樹脂成形が容易になる。

なお、ここでも、筒部９は可変レゾネータ８の内部側に突出されているため、ケース１内の第一エア導入孔２→フィルタ６への空気の流れを乱すことがない。むしろ、第一可動板７０が斜めに配置されることによって、第一エア導入孔２→フィルタ６への空気の流れを促進する。また、ここでも、第一エア導入孔２の吸気ダクト長と第二エア導入孔４の吸気ダクト長とを異ならせてあり、管共鳴周波数を分散させることでさらなる吸気音低減を行える。さらに、ここでも、第一エア導入孔２のエア導入元と第二エア導入孔４のエア導入元とが異ならせれば、上述した第一実施形態と同様の効果を実現できる。

この第三実施形態に対しても、図３のようにもう一つ固定レゾネータを増設したり、もう一つ可変レゾネータを増設すれば、上述した実施形態と同様の効果を実現することができる。上述した実施形態に関わらず、レゾネータをケース１内に二つ設ける場合、上述した説明では一方のレゾネータをダストサイド、他方のレゾネータをクリーンサイドに配置した。このようにすれば、スペース効率も良く、構造も簡便で、ケース内の気流の流れを最もスムーズに行えるので好ましいが、二つのレゾネータを双方ともダストサイド又はクリーンサイドに配置してもよい。

上述したように、可変レゾネータのケース内空間への開口部に、可変レゾネータ内部に突出する筒部を設け、この筒部によって第二エア導入孔を開閉するようにすることで、可変レゾネータを制御する動力で第二エア導入孔の開閉を行える。

また、第一エア導入孔の吸気ダクト長と第二エア導入孔の吸気ダクト長とを異ならせることで、ダクト長で決まる管共鳴周波数を分散させ、共鳴効果による騒音抑制をより効果的に行うことができる。

また、可変レゾネータの壁部が第二エア導入孔の開閉蓋として機能し、可変レゾネータの容積変化と前記第二エア導入孔の開度とが連動されるようにすることで、可変レゾネータを制御する動力で第二エア導入孔の開口面積を制御することができる。

また、第一エア導入孔から導入する空気の導入元と、第二エア導入孔から導入する空気の導入元とを異ならせることで、第一エア導入孔と第二エア導入孔とから導入する空気の温度を異ならせることができ、燃料電池システムの暖機や冷却を行うことができる。

ここで、第一エア導入孔からフレッシュエアを導入し、第二エア導入孔から導入する空気の導入元をラジエター後方とすれば、ラジエター後方の熱気を利用して燃料電池システムの暖機を行うことができる。あるいは、第一エア導入孔からフレッシュエアを導入し、第二エア導入孔から導入する空気の導入元をエアコンディショナーとすることで、エアコンの空気（通風）温度を利用して燃料電池システムの暖機や冷却を行うことができる。

また、燃料電池に酸素を供給する過給機を吸気系経路上に備えると共に、ケース内に固定容積の固定レゾネータをさらに設け、可変レゾネータの最大容積時の共鳴周波数を過給機の最小アイドル回転時の音源一次周波数に合わせて設定すると共に、過給機のアイドル回転時に可変レゾネータの容積を制御して過給機の振動音を低減させるようにすることで、過給機のアイドル回転数の全域で共鳴効果による騒音抑制を行える。特に、過給機の回転数が高くなると音圧レベルが高くなるが、回転数上昇に連動してレゾネータの共鳴効果による騒音低減を効果的に行える。

また、燃料電池に酸素を供給する過給機を吸気系経路上に備えると共に、ケース内に内部容積を可変制御可能な可変レゾネータをさらにもう一つ設け、一方の可変レゾネータの最大容積時の共鳴周波数を過給機の最小アイドル回転時の音源一次周波数に合わせて設定すると共に、他方の可変レゾネータの最大容積時の共鳴周波数を過給機の最大アイドル回転時の音源二次周波数に合わせて設定し、過給機のアイドル回転時に二つの可変レゾネータの容積を制御して過給機の振動音を低減させるようにすることで、過給機のアイドル回転数の全域で音源一次及び二次周波数に関する騒音をを共鳴効果によって低減させることができ、こもり音の支配的な要因である低周波の音を回転数に追従して低減することができる。

本発明の燃料電池用エアクリーナの第一実施形態（第二エア導入孔閉）の断面図である。 本発明の燃料電池用エアクリーナの第一実施形態（第二エア導入孔開）の断面図である。 本発明の燃料電池用エアクリーナの第二実施形態の断面図である。 騒音の周波数と音レベルとの関係を示すグラフ（可変及び固定レゾネータ各一つ）である。 騒音の周波数と音レベルとの関係を示すグラフ（可変及び固定レゾネータ各一つ）である。 騒音の周波数と音レベルとの関係を示すグラフ（可変レゾネータ二つ）である。 騒音の周波数と音レベルとの関係を示すグラフ（可変レゾネータ二つ）である。 本発明の燃料電池用エアクリーナの第三実施形態（第二エア導入孔閉）の断面図である。 本発明の燃料電池用エアクリーナの第三実施形態（第二エア導入孔開）の断面図である。

符号の説明

１ エアクリーナケース
２ 第一エア導入孔
３ エア導出孔
４ 第二エア導入孔
５ 蓋
８ 可変レゾネータ
９ 筒部
１０ アクチュエータコントロールユニット
１１ 固定レゾネータ

Claims (9)

1. 車両に搭載される燃料電池に酸素を供給する吸気系経路上に配設された燃料電池用エアクリーナにおいて、
   吸気系経路上に配設されたケース、
   前記ケースの壁部に開口され常時開放された第一エア導入孔、
   前記ケースの壁部に開口され常時開放されたエア導出孔、
   前記ケース内の前記第一エア導入孔と前記エア導出孔との間に配されたフィルタ、
   前記ケース内の前記第一エア導入孔側の空間に開閉可能に配され、前記車両の走行状態に応じて開閉させる第二エア導入孔、及び、
   前記ケース内の前記第一エア導入孔側の空間に設けられ、内部容積を可変制御可能な可変レゾネータを備えており、
   前記可変レゾネータの容積変化と前記第二エア導入孔の開度とが連動制御されることを特徴とする燃料電池用エアクリーナ。
2. 前記可変レゾネータの前記ケース内空間への開口部に、該可変レゾネータ内部に突出する筒部を設け、前記筒部によって前記第二エア導入孔を開閉することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用エアクリーナ。
3. 前記第一エア導入孔の吸気ダクト長と前記第二エア導入孔の吸気ダクト長とを異ならせたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用エアクリーナ。
4. 前記可変レゾネータの壁部が前記第二エア導入孔の開閉蓋として機能し、前記可変レゾネータの容積変化と前記前記第二エア導入孔の開度とが連動されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用エアクリーナ。
5. 前記第一エア導入孔から導入する空気の導入元と、前記第二エア導入孔から導入する空気の導入元とを異ならせたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池用エアクリーナ。
6. 前記第一エア導入孔からフレッシュエアを導入し、前記第二エア導入孔から導入する空気の導入元をラジエター後方としたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用エアクリーナ。
7. 前記第一エア導入孔からフレッシュエアを導入し、前記第二エア導入孔から導入する空気の導入元をエアコンディショナーとしたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用エアクリーナ。
8. 前記燃料電池に酸素を供給する過給機を前記吸気系経路上に備えると共に、前記ケース内に固定容積の固定レゾネータをさらに設け、
   前記可変レゾネータの最大容積時の共鳴周波数を前記過給機の最小アイドル回転時の音源一次周波数に合わせて設定すると共に、前記過給機のアイドル回転時に前記可変レゾネータの容積を制御して前記過給機の振動音を低減させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用エアクリーナ。
9. 前記燃料電池に酸素を供給する過給機を前記吸気系経路上に備えると共に、前記ケース内に内部容積を可変制御可能な可変レゾネータをさらにもう一つ設け、
   一方の前記可変レゾネータの最大容積時の共鳴周波数を前記過給機の最小アイドル回転時の音源一次周波数に合わせて設定すると共に、他方の前記可変レゾネータの最大容積時の共鳴周波数を前記過給機の最大アイドル回転時の音源二次周波数に合わせて設定し、前記過給機のアイドル回転時に二つの前記可変レゾネータの容積を制御して前記過給機の振動音を低減させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用エアクリーナ。

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