JP2011144771A - エゼクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができるエゼクタを提供する。
【解決手段】主流が通過可能な開口部122が形成されたノズル120と、ノズルの下流側に、ノズルと同軸に配置されたディフューザ110と、ノズルと同軸に配置されるとともに、開口部に対して当接離反可能に配置されたニードル130と、ノズルとニードルとを軸方向に相対移動させることで開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータ140と、ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を主流に合流させて混合流を生成し、混合流をディフューザから送出するエゼクタ50において、所定時間間隔をもって開口面積が、予め設定された第1開口面積と第2開口面積との間で変化することを繰り返すように、アクチュエータを制御する制御部を備えている。
【選択図】図2
【解決手段】主流が通過可能な開口部122が形成されたノズル120と、ノズルの下流側に、ノズルと同軸に配置されたディフューザ110と、ノズルと同軸に配置されるとともに、開口部に対して当接離反可能に配置されたニードル130と、ノズルとニードルとを軸方向に相対移動させることで開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータ140と、ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を主流に合流させて混合流を生成し、混合流をディフューザから送出するエゼクタ50において、所定時間間隔をもって開口面積が、予め設定された第1開口面積と第2開口面積との間で変化することを繰り返すように、アクチュエータを制御する制御部を備えている。
【選択図】図2
Description
本発明は、エゼクタに関するものである。
従来から、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成された燃料電池スタックを備えた固体高分子膜型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
また、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池スタックに供給される水素や酸素には加湿装置などによって水分が混合されている。その際、燃料電池スタックの電極内のガス流路に水が溜まって、このガス流路が塞がれることがないように、排出燃料には所定の排出流量が設定されている。
ここで、エゼクタを用いて排出燃料を新たに燃料電池スタックに導入される燃料に混合して再循環させることで、燃料を有効に活用することができ、固体高分子膜型燃料電池のエネルギー効率を向上させる技術が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。
特許文献1のエゼクタは、テーパ状の内周面を有するディフューザと、ディフューザの基端開口に連接された副流室と、ディフューザと同軸に、副流室内に突き出すように配置されたノズルと、ノズルの軸中心に形成された開口部に挿通され軸方向に移動可能に構成されたニードルと、を備えている。エゼクタに供給される燃料は、ノズルからディフューザの基端開口に向かって噴射され、この高速の燃料流に引き込まれるようにして排出燃料が副流室内に導入される。そして、燃料と排出燃料とが混合流となってディフューザから送出されるように構成されている。このとき、ニードルが軸方向に移動することにより、燃料が通過する開口面積が可変するため、流量を調整することができるようになっている。
また、特許文献2のエゼクタは、上述したノズルおよびニードルを用いた箇所に、流量を間欠的に調整可能なインジェクタが代わりに配置されている。
しかしながら、特許文献1のエゼクタのように、ノズルとニードルを用いて、流量調整を行う場合、特に小流量での流量制御(圧力制御)が課題となる。具体的には、特許文献1のように電気駆動式の場合、通常流体の下流圧を検出して、それをフィードバック制御して開口面積を決定するが、小流量での制御性を確保するためには、エゼクタを構成する各部品(特に、ノズルおよびニードル)の寸法精度およびアクチュエータの駆動精度が非常に高くなり、適切な流量制御を実行することが困難であった。
また、特許文献2のエゼクタのように、インジェクタを用いて流量を間欠的に調整する場合、インジェクタの吐出口近傍に空間が形成されているため、該空間において流体の脈動が発生し、インジェクタからの吐出流量制御が困難である。この吐出流量の制御性を向上させるために、上記空間の容積を大きく確保しようとすると、エゼクタ自体が大型化したり、エゼクタとしての吸引能力の確保が困難になったりするという問題がある。
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができるエゼクタを提供するものである。
上記の課題を解決するために、請求項1に記載した発明は、主流が通過可能な開口部(例えば、実施形態におけるノズル孔122)が形成されたノズル(例えば、実施形態におけるノズル120)と、該ノズルの下流側に、前記ノズルと同軸に配置されたディフューザ(例えば、実施形態におけるディフューザ110)と、前記ノズルと同軸に配置されるとともに、前記開口部に対して当接離反可能に配置されたニードル(例えば、実施形態におけるニードル130)と、前記ノズルと前記ニードルとを軸方向に相対移動させることで前記開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータ(例えば、実施形態におけるアクチュエータ140)と、前記ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタ(例えば、実施形態におけるエゼクタ50)において、所定時間間隔(例えば、実施形態におけるサイクル周期Tint)をもって前記開口面積が、予め設定された第1開口面積(例えば、実施形態における第1開口面積S1)と第2開口面積(例えば、実施形態における第2開口面積S2)との間で変化することを繰り返すように、前記アクチュエータを制御する制御部(例えば、実施形態における制御部45)を備えていることを特徴としている。
請求項2に記載した発明は、前記制御部は、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第1開口面積または前記第2開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間(例えば、実施形態における全開時間Ti)の間、保持するように構成されていることを特徴としている。
請求項3に記載した発明は、前記制御部は、前記第1開口面積および前記第2開口面積の一方がゼロとして設定され、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第1開口面積または前記第2開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴としている。
請求項4に記載した発明は、前記アクチュエータがソレノイドで構成されていることを特徴としている。
請求項5に記載した発明は、前記主流が燃料電池(例えば、実施形態における燃料電池11)に供給される燃料ガスで構成されるとともに、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスで構成され、前記制御部は、前記燃料電池への要求流量に応じて、前記所定時間間隔、前記第1開口面積、前記第2開口面積および前記所定保持時間を調整可能に構成されていることを特徴としている。
請求項1に記載した発明によれば、制御部が、所定時間間隔をもってノズルの開口面積を周期的に第1開口面積と第2開口面積との間で変化することを繰り返すようにアクチュエータを制御するデューティー制御を実行することができるように構成したため、エゼクタから吐出する流量を制御することができる。したがって、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。また、ノズルとニードルとを相対移動させるアクチュエータの移動量を制御するだけの簡易な構成で、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。さらに、ノズルが流体の圧力供給機能も有しているため、ノズルの上流側に脈動が発生するのを防止することができ、流量を安定して制御することができる。そして、流体を一定周波数で間欠的に不連続流で供給することにより、同一流量を連続流で供給する場合と比較して、小流量域で循環性能を向上させることができる。
請求項2に記載した発明によれば、制御部は、開口面積が第1開口面積または前記第2開口面積になっている状態において所定保持時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、より正確かつ簡便な流量制御を実行することができる。
請求項3に記載した発明によれば、前記制御部は、第1開口面積および第2開口面積の一方がゼロとなるように設定し、開口面積が第1開口面積または前記第2開口面積になっている状態において所定保持時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、完全な一定周波数の間欠運転を実現することができ、小流量域において流体の循環性能を大幅に向上することができる。
請求項4に記載した発明によれば、流量の安定制御に加え、ノズルとニードルとを相対移動させる機能を簡単な構成で実現させることができる。
請求項5に記載した発明によれば、エゼクタを用いて燃料電池から排出された排出燃料ガスを新たに燃料電池に導入される燃料ガスに混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。また、混合流の流量を小流量(流量ゼロの状態含む)から大流量まで簡易な構成で確実に制御することができる。
次に、本発明の実施形態を図1〜図11に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池自動車における燃料電池システムの配管に取り付けたエゼクタについて説明をする。
(燃料電池システム)
図1は燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、燃料電池システム10の燃料電池11は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池11に形成されたアノードガス供給用連通孔13(アノードガス流路21の入口側)にはアノードガス供給配管23が連結され、その上流端部には水素タンク30が接続されている。また、燃料電池11に形成されたカソードガス供給用連通孔15(カソードガス流路22の入口側)にはカソードガス供給配管24が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ33が接続されている。なお、燃料電池11に形成されたアノードオフガス排出用連通孔14(アノードガス流路21の出口側)にはアノードオフガス排出配管35が連結され、カソードオフガス排出用連通孔16(カソードガス流路22の出口側)にはカソードオフガス排出配管38が連結されている。
図1は燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、燃料電池システム10の燃料電池11は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池11に形成されたアノードガス供給用連通孔13(アノードガス流路21の入口側)にはアノードガス供給配管23が連結され、その上流端部には水素タンク30が接続されている。また、燃料電池11に形成されたカソードガス供給用連通孔15(カソードガス流路22の入口側)にはカソードガス供給配管24が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ33が接続されている。なお、燃料電池11に形成されたアノードオフガス排出用連通孔14(アノードガス流路21の出口側)にはアノードオフガス排出配管35が連結され、カソードオフガス排出用連通孔16(カソードガス流路22の出口側)にはカソードオフガス排出配管38が連結されている。
また、水素タンク30からアノードガス供給配管23に供給された水素ガスは、レギュレータ(不図示)により減圧された後、エゼクタ50を通り、燃料電池11のアノードガス流路21に供給される。また、水素タンク30の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁25が設けられており、水素タンク30からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。なお、本実施形態においては、エゼクタ50の上流側に接続されたアノードガス供給配管23を上流側アノードガス供給配管23Aとし、エゼクタ50の下流側に接続されたアノードガス供給配管23を下流側アノードガス供給配管23Bとする。
また、アノードオフガス排出配管35は、エゼクタ50に接続され、燃料電池11を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池11のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管35には、途中で2本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管36であり、他方はパージガス排出配管37である。ドレイン排出配管36およびパージガス排出配管37は、それらの下流でともに希釈ボックス31に接続されている。そして、ドレイン排出配管36には電磁駆動式のドレイン弁51が設けられており、パージガス排出配管37には電磁駆動式のパージ弁52が設けられている。また、アノードオフガス排出配管35とドレイン排出配管36との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク53が設けられている。
次に、空気(カソードガス)はエアコンプレッサ33によって加圧され、カソードガス供給配管24を通過した後、燃料電池11のカソードガス流路22に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池11からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管38に排出される。カソードオフガス排出配管38は希釈ボックス31に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管38には背圧弁34が設けられている。また、カソードガス供給配管24とカソードオフガス排出配管38との間には加湿器39が架け渡して設けられている。加湿器39によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。
また、エアコンプレッサ33と燃料電池11との間を繋ぐカソードガス供給配管24において、配管が分岐され掃気ガス導入配管54の一端が接続されている。掃気ガス導入配管54は、下流側アノードガス供給配管23Bに他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ33にて加圧された空気を燃料電池11のアノードガス流路21に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管54には電磁駆動式の電磁弁55が設けられており、エアコンプレッサ33からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
また、制御装置(ECU)45は、各種電磁弁などが電気的に接続されており、図示しない温度センサや圧力センサなどの検出結果に基づいて、各種弁の開閉などを実行することができるように構成されているとともに、エゼクタ50に設けられたアクチュエータ(後に詳述する。)の駆動制御を実行することができるように構成されている。
(エゼクタ)
次に、エゼクタ50の構造について説明する。
図2に示すように、エゼクタ50は、燃料電池11の空気極側における空気の圧力と、燃料電池11の燃料極側における燃料の圧力とに基づいて、燃料電池11へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば、ディフューザ110と、ノズル120と、ニードル130と、アクチュエータ140と、ニードル130を収容するブロック体150と、を備えている。
次に、エゼクタ50の構造について説明する。
図2に示すように、エゼクタ50は、燃料電池11の空気極側における空気の圧力と、燃料電池11の燃料極側における燃料の圧力とに基づいて、燃料電池11へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば、ディフューザ110と、ノズル120と、ニードル130と、アクチュエータ140と、ニードル130を収容するブロック体150と、を備えている。
ディフューザ110は、軸線方向に貫通する流体通路111が形成されており、該流体通路111は、その途中に内径が最小となるスロート部112を有し、このスロート部112よりも上流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に縮径する内周面を有する絞り部113が形成されている。また、スロート部112よりも下流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に拡径する内周面を有する拡径部114が形成されている。ここで、拡径部114の拡がり角度は上流側の絞り部113の拡がり角度よりも小さくなっている。また、流体通路111の下流側には、下流側アノードガス供給配管23Bが接続されている。
また、ディフューザ110には軸線方向に沿って穴部115が形成されており、この穴部115の下流側が絞り部113に連通している。一方、穴部115の上流端には、ブロック体150が連設されており、ディフューザ110とブロック体150との間にノズル120が配されている。
なお、ノズル120よりも下流側であって、絞り部113と穴部115とによって構成される空間は副流室116とされており、該副流室116には燃料電池11から排出されるアノードオフガスを導入するためのアノードオフガス排出配管35が接続されている。
ノズル120は、金属製の平板状のノズルボディ121と、ノズルボディ121の略中央部に形成されたノズル孔122と、を有している。ノズル120は、ノズル孔122の軸中心と、ディフューザ110の軸中心とが略一致するように、後述するブロック体150におけるディフューザ110との境界面に固定されている。さらに、ノズル孔122の周縁部には、後述するニードル130の胴体部132に向かって突出した弁体123が形成されている。
ディフューザ110(ノズル120)の下流側には、内部にガス流路151が形成されたブロック体150が配されている。ブロック体150はディフューザ110の上流側に連結されている。
ガス流路151の壁面をなす内周面151Aは軸方向に沿って略円筒状に形成されている。ガス流路151の下流端には、ノズル120がそのノズルボディ121でガス流路151の一部を閉塞するように配されており、ガス流路151とノズル120に形成されたノズル孔122とが連通するように配されている。
また、ガス流路151内にはニードル130が配されており、ニードル130はアクチュエータ140によってディフューザ110の流体通路111と同軸の軸方向に対して移動可能に保持されている。また、ガス流路151には、水素タンク30から供給されるアノードガスを導入するための上流側アノードガス供給配管23Aが接続されている。
ニードル130は、ノズル120のノズル孔122に対して軸方向に挿通可能に構成された先端部131と、先端部131よりも径方向に拡張されガス流路151内に配される胴体部132と、を有している。なお、先端部131と胴体部132との境界には段差部133が形成されている。また、胴体部132におけるノズル120と対向する面には、ゴムなどの弾性体で形成されたシート部材135が設けられている。シート部材135は、正面視略リング状に形成されており、先端部131の外周を取り囲むように配されている。そして、シート部材135は、ノズル120の弁体123と当接離反することができる位置に設けられている。
さらに、ニードル130の先端部131には、軸方向先端側(下流側)に向かうにしたがって漸次連続的に縮径するテーパ部134が形成されている。このテーパ部134によりノズル孔122から噴射されるアノードガスを整流することができる。
また、ノズル120のノズル孔122において、ニードル130の先端部131が軸線方向に移動することで、ノズル120のノズル孔122から突出するニードル130の先端部131の突出量が変更させられる。これに伴い、ガス流路151におけるニードル130の段差部133とノズル120のノズルボディ121との間隙の距離が変更させられ、ノズル120のノズル孔122から副流室116内に噴射されるアノードガスの流量が調整可能とされている。
次に、アノードガスの流量調整方法について、図3、図4を用いて具体的に説明する。
図3に示すように、アクチュエータ140によりニードル130が上流側に移動した状態では、アノードガスがガス流路151を通過してディフューザ110に送出される。具体的には、上流側アノードガス供給配管23Aからブロック体150のガス流路151に供給されたアノードガスは、ガス流路151の内周面151Aとニードル130の胴体部132の外周面との隙間を通過し、その後、ノズル120のノズルボディ121とニードル130の段差部133との隙間を通過する。そして、アノードガスは、ノズル120のノズル孔122とニードル130の先端部131との隙間を通過して、ディフューザ110側へ噴射される。ここで、噴射されたアノードガスは、ニードル130のテーパ部134により整流される。このとき、高速のアノードガスが流通するディフューザ110のスロート部112の近傍において負圧が発生し、この負圧により副流室116内にアノードオフガスが引き込まれ、ノズル120から噴射されたアノードガスと混合してディフューザ110の下流端から下流側アノードガス供給配管23Bに送出される。このように、燃料電池11から排出されたアノードオフガスは、可変流量エゼクタ50を介して循環させられている。
図3に示すように、アクチュエータ140によりニードル130が上流側に移動した状態では、アノードガスがガス流路151を通過してディフューザ110に送出される。具体的には、上流側アノードガス供給配管23Aからブロック体150のガス流路151に供給されたアノードガスは、ガス流路151の内周面151Aとニードル130の胴体部132の外周面との隙間を通過し、その後、ノズル120のノズルボディ121とニードル130の段差部133との隙間を通過する。そして、アノードガスは、ノズル120のノズル孔122とニードル130の先端部131との隙間を通過して、ディフューザ110側へ噴射される。ここで、噴射されたアノードガスは、ニードル130のテーパ部134により整流される。このとき、高速のアノードガスが流通するディフューザ110のスロート部112の近傍において負圧が発生し、この負圧により副流室116内にアノードオフガスが引き込まれ、ノズル120から噴射されたアノードガスと混合してディフューザ110の下流端から下流側アノードガス供給配管23Bに送出される。このように、燃料電池11から排出されたアノードオフガスは、可変流量エゼクタ50を介して循環させられている。
一方、図4に示すように、アクチュエータ140によりニードル130が最も下流側に移動した状態では、ノズル120の弁体123とニードル130の胴体部132に設けられたシート部材135とが当接される。この状態においては、アノードガスが流通する流路が閉塞されるため、アノードガスがノズル120のノズル孔122から噴射されることはない。
このように、アクチュエータ140によりニードル130を軸方向に移動させることで、アノードガスの流量を調整するのみならず、完全に締め切ることもできる。また、ニードル130を軸方向に移動させることで、アノードガスが流通する流路の面積(ノズル120のノズルボディ121とニードル130の段差部133との隙間)を連続的に調整することができるため、アノードガスの流量を連続的に調整することができる。
ここで、本実施形態のアクチュエータ140は制御部45からの指示により、例えば図5に示すようなデューティー制御を行うように構成されている。つまり、ニードル130を一定周期の高速で軸方向に前後させることで、ノズル孔122とニードル130とで形成される開口面積が予め設定された第1開口面積S1と第2開口面積S2との間を周期的に変化するように、つまり、開口面積が第1開口面積S1と第2開口面積S2との間で変化することを繰り返すようにアクチュエータ140を制御することで、ノズル孔122から吐出される主流の流量を制御できるようになっている。なお、本実施形態では、S1>S2であり、第2開口面積S2はゼロ(アノードガスを完全に締め切る状態)に設定することも可能である。このように、ニードル130をデューティー制御することによりエゼクタ50のアノードガスの循環能力を向上することができる。
続いて、アノードガスの循環能力を向上することができる原理について説明する。
まず、エゼクタ50のポンプ能力は、ノズル120から供給される運動量に比例することが分かっている。つまり、図6、図7に示すように、ノズル質量流量をMn、ノズル流速をVn、ノズル供給運動量をFn、最大吸引可能圧損をPmax、無負荷吸引量をQmaxとすると、
Fn=Mn・Vn ・・・(1)
Pmax∝Fn ・・・(2)
Qmax∝Fn ・・・(3)
の式が成り立つ。つまり、エゼクタ50のPQ特性はノズル供給運動量Fnと比例関係を有している。なお、最大吸引可能圧損Pmaxは、吸込み量が0となる場合の吐出側と吸込み側との差圧のことであり、無負荷吸引量Qmaxは、吐出側と吸込み側との圧力差が0のときの吸引流量のことである。
まず、エゼクタ50のポンプ能力は、ノズル120から供給される運動量に比例することが分かっている。つまり、図6、図7に示すように、ノズル質量流量をMn、ノズル流速をVn、ノズル供給運動量をFn、最大吸引可能圧損をPmax、無負荷吸引量をQmaxとすると、
Fn=Mn・Vn ・・・(1)
Pmax∝Fn ・・・(2)
Qmax∝Fn ・・・(3)
の式が成り立つ。つまり、エゼクタ50のPQ特性はノズル供給運動量Fnと比例関係を有している。なお、最大吸引可能圧損Pmaxは、吸込み量が0となる場合の吐出側と吸込み側との差圧のことであり、無負荷吸引量Qmaxは、吐出側と吸込み側との圧力差が0のときの吸引流量のことである。
次に、流体の供給形態の違いにより、ノズル供給運動量Fnがどのように異なるかを説明する。
まず、流体が連続流、不連続流それぞれの場合において、流量一定の場合の時間平均でのノズル供給運動量を求める。なお、連続流が一般的なノズル−ニードル方式の流量制御の場合であり、不連続流が本実施形態の流量制御の場合である。
まず、流体が連続流、不連続流それぞれの場合において、流量一定の場合の時間平均でのノズル供給運動量を求める。なお、連続流が一般的なノズル−ニードル方式の流量制御の場合であり、不連続流が本実施形態の流量制御の場合である。
図8に流体が連続流の場合の流量Mn_cを示し、図9に流体が不連続流の場合の流量Mnを示す。なお、不連続流のインターバル(サイクル周期)をTintとし、不連続流の流体が流れている時間(全開時間)をTiとしている。つまり、この場合のデューティー比=全開時間Ti/サイクル周期(Tint)となる。
この連続流および不連続流は、時間平均での流量は一定であるため、下記(4)式が成り立つ。
この連続流および不連続流は、時間平均での流量は一定であるため、下記(4)式が成り立つ。
続いて、図10に流体が亜音速エリアの連続流の場合の流速および供給圧を示し、図11に流体が亜音速エリアの不連続流の場合の流速および供給圧を示す。なお、不連続流供給圧をPsとし、連続流供給圧をPs_cとし、音速をVsonicとしている。ここで、連続流供給圧Ps_cは調圧後であるため、Ps>Ps_cとなる。したがって、必ずVn_c≦Vn≦Vsonicとなる。
なお、流体が音速エリアの連続流または不連続流の場合は、Vn_c=Vn=Vsonicとなる。
なお、流体が音速エリアの連続流または不連続流の場合は、Vn_c=Vn=Vsonicとなる。
前述の式より運動量をそれぞれ求めると、
となる。
上記(5)、(6)式より、流体が連続流と不連続流との場合における運動量の差は、流体の流速の差に起因することが分かる。
上記(5)、(6)式より、流体が連続流と不連続流との場合における運動量の差は、流体の流速の差に起因することが分かる。
ここで、圧縮性流体の流れにおいては、流体の流速は、上流圧と下流圧との圧力比により決まり、流量やノズル孔径は無関係である。流体が水素や空気の場合、下流圧/上流圧<0.528になったとき、流体の流速は音速一定となる。
本実施形態の前提条件として、流体が不連続供給の場合、常に音速になりうる圧で供給している。その場合、流体のノズル質量流量MnはTiのデューティー比で調整するが、不連続流供給圧Psが上記関係式を満たしているため、常に音速流量で流れる。
その結果、同一流量Mでも、運動量Fの時間平均は、F=MVで表されるため、流速Vの増加分が運動量Fの増加分となる。
その結果、同一流量Mでも、運動量Fの時間平均は、F=MVで表されるため、流速Vの増加分が運動量Fの増加分となる。
つまり、本実施形態では、流体が不連続流の場合は、常に間欠的に音速で流体を吐出するため、同一流量でも亜音速流の場合と比較して運動量が増大し、循環能力が向上する。
なお、従来のノズル−ニードル構造の場合、小流量域においては、ノズル120の開口面積をかなり絞らないと、流体の流速は音速エリアにならない。したがって、ニードル130を軸方向に移動させて流速が音速になるように制御するには、かなり高精度なアクチュエータ機構が必要である。しかしながら、構造上絞れるノズル開口面積には限界があり、その結果、小流量域では、供給圧を下げざるを得ず、亜音速エリアが発生していた。
また、従来のインジェクタを設けたエゼクタの場合のように、インジェクタとノズルとの間にバッファがあると、圧力伝播が遅れてしまう。その場合、Tiの値次第では、ノズルへの印加圧はインジェクタの吐出圧より下がってしまう。もし下がった結果、上記音速条件が満たされないなら亜音速での供給が発生してしまうこととなる。
一方、本実施形態のように、ノズル120とニードル130とを周期的に相対移動させて流量を制御する場合、中間開度の制御が不要であるため、簡便な部品で構成することができ、かつ、循環能力はノズル120の開口面積を絞ったときと略同等の効果を得ることができる。
本実施形態のエゼクタ50によれば、制御部45が、サイクル周期Tintをもってノズル120の開口面積を周期的に第1開口面積S1と第2開口面積S2との間を繰り返し可変するようにアクチュエータ140を制御するデューティー制御を実行することができるように構成したため、エゼクタ50から吐出する流量を制御することができる。したがって、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。
また、ノズル120とニードル130とを相対移動させるアクチュエータ140の移動量を制御するだけの簡易な構成で、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。
さらに、ノズル120が流体の圧力供給機能も有しているため、ノズル120の上流側に脈動が発生するのを防止することができ、流量を安定して制御することができる。
そして、流体を一定周波数で間欠的に不連続流で供給することにより、同一流量を連続流で供給する場合と比較して、小流量域で循環性能を向上させることができる。
また、ノズル120とニードル130とを相対移動させるアクチュエータ140の移動量を制御するだけの簡易な構成で、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。
さらに、ノズル120が流体の圧力供給機能も有しているため、ノズル120の上流側に脈動が発生するのを防止することができ、流量を安定して制御することができる。
そして、流体を一定周波数で間欠的に不連続流で供給することにより、同一流量を連続流で供給する場合と比較して、小流量域で循環性能を向上させることができる。
また、制御部45は、開口面積が第1開口面積S1または第2開口面積S2になっている状態においてそれぞれ所定時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、より正確かつ簡便な流量制御を実行することができる。
また、制御部45は、第2開口面積S2がゼロとなるように設定し、開口面積が第2開口面積S2になっている状態において所定時間の間、その開口面積の状態を保持することができるように構成したため、完全な一定周波数の間欠運転を実現することができ、小流量域において流体の循環性能を大幅に向上することができる。
さらに、アクチュエータ140をソレノイドで構成することにより、ノズル120とニードル130とを相対移動させる機能を簡単に実現させることができる。
そして、エゼクタ50を用いて燃料電池11から排出されたアノードオフガスを新たに燃料電池11に導入されるアノードガスに混合して再循環させることで、アノードガスを有効に活用することができ、燃料電池11のエネルギー効率を向上させることができる。また、混合流の流量を小流量(流量ゼロの状態含む)から大流量まで簡易な構成で確実に制御することができる。
11…燃料電池 45…制御部 50…エゼクタ 110…ディフューザ 120…ノズル 122…ノズル孔(開口部) 130…ニードル 140…アクチュエータ S1…第1開口面積 S2…第2開口面積 Ti…全開時間(所定保持時間) Tint…サイクル周期(所定時間間隔)
Claims (5)
- 主流が通過可能な開口部が形成されたノズルと、
該ノズルの下流側に、前記ノズルと同軸に配置されたディフューザと、
前記ノズルと同軸に配置されるとともに、前記開口部に対して当接離反可能に配置されたニードルと、
前記ノズルと前記ニードルとを軸方向に相対移動させることで前記開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータと、
前記ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、
該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタにおいて、
所定時間間隔をもって前記開口面積が、予め設定された第1開口面積と第2開口面積との間で変化することを繰り返すように、前記アクチュエータを制御する制御部を備えていることを特徴とするエゼクタ。 - 前記制御部は、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第1開口面積または前記第2開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のエゼクタ。
- 前記制御部は、前記第1開口面積および前記第2開口面積の一方がゼロとして設定され、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第1開口面積または前記第2開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のエゼクタ。
- 前記アクチュエータがソレノイドで構成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のエゼクタ。
- 前記主流が燃料電池に供給される燃料ガスで構成されるとともに、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスで構成され、
前記制御部は、前記燃料電池への要求流量に応じて、前記所定時間間隔、前記第1開口面積、前記第2開口面積および前記所定保持時間を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載のエゼクタ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010007016A JP2011144771A (ja) | 2010-01-15 | 2010-01-15 | エゼクタ |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102312869A (zh) * | 2011-08-23 | 2012-01-11 | 捷锐企业(上海)有限公司 | 一种气体射流式负压发生器和气体射流式负压调节器 |
WO2018139417A1 (ja) * | 2017-01-26 | 2018-08-02 | 株式会社デンソー | エジェクタ |
-
2010
- 2010-01-15 JP JP2010007016A patent/JP2011144771A/ja active Pending
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