JP2013234627A - 燃料気化器 - Google Patents

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Abstract

【課題】低温始動時に対応させて燃料気化器を設計する場合でも燃料気化器の大型化を抑制できる燃料気化器を提供する。
【解決手段】気化した燃料を消費してエネルギを出力するエネルギ出力手段に対して、気化させた燃料を供給する燃料気化器13を、燃料が流れる燃料流路14a、15aと、熱媒体が流れる熱媒体流路14b、15bと、燃料流路14a、15aと熱媒体流路14b、15bとを区画する区画部13a、13bとを備え、区画部13a、13bを伝熱介在物として燃料と熱媒体とを熱交換させることによって、燃料を加熱して気化させるように構成する。さらに、燃料流路14a、15aと熱媒体流路14b、15bの少なくとも一方の流路に、流体に接する伝熱介在物の伝熱面積を拡大するとともに、流路の内部を複数の流路に分割するインナーフィン50を配置する。
【選択図】図2

Description

本発明は、燃料を消費してエネルギを出力するエネルギ出力手段に対して燃料を供給する燃料供給システムに用いられ、燃料を気化させ、気化させた燃料をエネルギ出力手段に供給する燃料気化器に関するものである。
特許文献1に、高圧液体燃料である液化天然ガスを気化手段にて気化させて、気化させた天然ガスを内燃機関、すなわち、機械的エネルギを出力するエネルギ出力手段へ供給する燃料供給システムが開示されている。なお、エネルギ出力手段としては、車両に搭載される内燃機関や定置型発電機の内燃機関等が挙げられる。
特開2006−264568号公報
ところで、本発明者らは、このような燃料供給システムに用いられる燃料気化器として、燃料が流れる燃料流路と、この燃料流路と隣り合わせに配置され、熱媒体が流れる熱媒体流路と、燃料流路と熱媒体流路とを区画する区画部とを備え、燃料流路と熱媒体流路とが交互に積層され、区画部を伝熱介在物として燃料と熱媒体とを熱交換させることによって、燃料を加熱して気化させるように構成された熱交換器を試作した。
この燃料気化器は、熱媒体としてエネルギ出力手段を冷却する冷却液を用いるものであり、エネルギ出力手段の定常運転時における気化性能は良好であった。
しかし、燃料気化器の実用化のためには、定常運転時だけでなく、定常運転時よりも温度が低い低温始動時を考慮して燃料気化器を設計しなければならない。すなわち、環境温度(外気温)が氷点下である低温始動時では、冷却液の温度も環境温度と同様に低温となることから、定常運転時と比較して、燃料と熱媒体との温度差ΔTが小さく、得られる熱交換量が少なくなってしまう。
このため、低温始動時においても、目標熱交換量を達成させるためには、定常運転時の条件で設計した熱交換器よりも、伝熱面積を増大させなければならない。このとき、燃料流路と熱媒体流路の積層数を増加させ、燃料流路と熱媒体流路を長くすることにより、伝熱面積を増大させると、燃料気化器が大型化してしまう。
燃料気化器が大型化すると、燃料気化器の設置スペースを確保しなければならないという問題が生じる。また、燃料気化器が大型化すると、燃料気化器を構成する部材の量が多くなって、燃料気化器を構成する部材の熱容量が大きくなるため、燃料の加熱よりも燃料気化器を構成する部材の温度上昇に熱が奪われてしまう。この結果、燃料気化器の気化性能が悪くなるという問題が生じる。
なお、これらの問題は、燃料流路と熱媒体流路とが交互に積層された燃料気化器に限らず、燃料が流れる燃料流路と、この燃料流路と隣り合わせに配置され、熱媒体が流れる熱媒体流路と、燃料流路と熱媒体流路とを区画する区画部とを備え、区画部を伝熱介在物として燃料と熱媒体とを熱交換させることによって、燃料を加熱して気化させるように構成されたものにおいて発生する問題である。
本発明は上記点に鑑みて、低温始動時に対応させて燃料気化器を設計する場合でも燃料気化器の大型化を抑制できる燃料気化器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明では、気化した燃料を消費してエネルギを出力するエネルギ出力手段に対して、気化させた燃料を供給する燃料気化器(13)であって、
燃料が流れる燃料流路(14a、15a)と、
燃料流路と隣り合わせに配置され、熱媒体が流れる熱媒体流路(14b、15b)と、
燃料流路と熱媒体流路とを区画する区画部(13a、13b)とを備え、
区画部を伝熱介在物として燃料と熱媒体とを熱交換させることによって、燃料を加熱して気化させるように構成されており、
燃料流路と熱媒体流路の少なくとも一方の流路に配置され、流体に接する伝熱介在物の伝熱面積を拡大するとともに、流路の内部を実質的に複数の流路に分割する流路分割手段(50、60、70)を備えることを特徴としている。
これによれば、流路分割手段によって、単位体積当たりの伝熱面積を拡大している。
また、燃料流路と熱媒体流路の少なくとも一方の流路の内部を、実質的に複数の流路に分割しているので、流路分割手段を備えていない場合と比較して、1つの流路における流路断面の相当直径を減少させることができ、これにより、温度境界層を小さくして、燃料と熱媒体との間の熱通過率を向上させることができる。
ここで、燃料と熱媒体との間の熱交換量Qは、一般的に、熱通過率h、伝熱面積A、燃料と熱媒体との温度差ΔTを用いて、Q=h・A・ΔTで示される。このため、本発明によれば、燃料気化器の熱交換コア部の体格が同じであって、流路分割手段を備えていない場合と比較して、熱交換量Qを増大させることができる。すなわち、同じ大きさの熱交換量Qを得るために必要な燃料気化器の熱交換コア部の体格を小さくできる。
この結果、低温始動時でも目標熱交換量を満たすように燃料気化器を設計する場合に、単に燃料流路と熱媒体流路を長くして必要な伝熱面積を確保する場合と比較して、燃料気化器の大型化を抑制できる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
第1実施形態の燃料供給システムの全体構成図である。 第1実施形態の燃料気化器の分解斜視図である。 第1実施形態のインナーフィンの斜視図である。 第1実施形態の燃料気化器における燃料、循環水および冷却水の流れを示す説明図である。 第1実施形態の燃料気化器における燃料の状態を示すモリエル線図である。 第1実施形態の燃料気化器と比較例の燃料気化器における熱出力と体格との関係を示す図である。 第2実施形態の燃料気化器の分解斜視図である。 第3実施形態のインナーフィンの壁面の斜視図である。 第4実施形態のインナーフィンの斜視図である。 第5実施形態のインナーフィンの斜視図である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
(第1実施形態)
図1に示す本実施形態の燃料供給システム1は、車両に適用されており、車両走行用の駆動力を出力するエンジン(内燃機関)EGへ燃料を供給する機能を有するとともに、後述する車両用空調装置2において、車室内へ送風される送風空気を冷却する機能を有している。
まず、燃料供給システム1は、加圧されて液化された高圧液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵手段としての高圧タンク11を備えている。本実施形態では、この高圧タンク11に貯蔵される燃料として、可燃性を有し、比較的気化潜熱が高く、さらに、高圧化においては常温(15℃〜25℃程度)でも液化する燃料を採用している。
つまり、本実施形態の燃料は、エンジンEGにて燃料として燃焼させるために可燃性が必要となる。また、後述するように、その気化潜熱によって送風空気を冷却するために比較的気化潜熱が高い燃料であることが望ましい。さらに、その製造コストを低減するとともに減圧することで容易に気化させることができるように常温でも液化しやすい燃料であることが望ましい。
具体的には、本実施形態では、可燃性を有し、気化潜熱が水の気化潜熱の20%以上であり、常温であっても1.5MPa以下で液化する燃料として、アンモニアを採用している。さらに、アンモニアは水素を含有する燃料(水素化合物)であるので、改質することによって可燃性を有する水素ガスを生成することもできる。
この他にも同等の性質を有する燃料として、ジメチルエーテル、アルコール含有燃料等を採用してもよい。さらに、水素を含有する燃料であって、同燃料の分子中に、S(硫黄)、O(酸素)、N(窒素)およびハロゲンのうち少なくとも1種の原子が含まれるものであり、かつ、分子間にて水素結合が発現するものを採用してもよい。
高圧タンク11の燃料流出口には、開閉弁12を介して、燃料を気化させる燃料気化器13の燃料流入口(燃料流入ポート131)が接続されている。開閉弁12は、高圧タンク11の燃料流出口から燃料気化器13の燃料流入口へ至る燃料流路を開閉する電磁弁であり、後述するシステム制御装置から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。
そして、システム制御装置が、開閉弁12の開弁時間を調整することによって、燃料気化器13へ流入する燃料流量が調整される。従って、開閉弁12は、燃料流量調整手段を構成している。
燃料気化器13は、高圧タンク11から流出した燃料を、熱媒体と熱交換させることによって加熱して気化させる気化用熱交換器である。さらに、この燃料気化器13は、高圧タンク11から流出した液相状態の燃料(液体燃料)を気化させる第1燃料気化部14と、第1燃料気化部14から流出した液体燃料あるいは気液二相状態の燃料(二相燃料)を気化させる第2燃料気化部15とを一体的に構成したものである。
より具体的には、第1燃料気化部14は、高圧タンク11から流出した液体燃料と後述する車両用空調装置2の熱媒体循環回路20を循環する循環水(第1熱媒体)とを熱交換させることによって、液体燃料を加熱して気化させる熱交換部である。また、第2燃料気化部15は、第1燃料気化部15から流出した液体燃料あるいは二相燃料と後述する冷却水循環回路40を循環するエンジンEGの冷却水(第2熱媒体)とを熱交換させることによって、液体燃料あるいは二相燃料を加熱して気化させる熱交換部である。
燃料気化器13の気体燃料出口(燃料流出ポート135)には、燃料気化器13にて気化された気相状態の燃料(気体燃料)を蓄えるバッファタンク16が接続されている。バッファタンク16から流出した気体燃料の流れは、2つの流れに分岐され、分岐された一方の気体燃料は、気体燃料をエンジンEGの燃焼室内へ噴射供給する燃料噴射弁(インジェクタ)17へ流入し、分岐された他方の気体燃料は、気体燃料を改質して水素ガスを発生させる改質器(リフォーマ)18へ流入する。
エンジンEGは、いわゆるレシプロ型エンジンで構成されており、燃料気化器13からバッファタンク16を介して供給される気体燃料を燃焼させることによって、車両走行用の駆動力となる機械的エネルギを出力するエネルギ出力手段である。
インジェクタ17は、エンジンEGのシリンダヘッドに固定されて、エンジンEGの吸気ポートに向けて気体燃料を噴射するものである。これにより、気体燃料と燃焼用空気(吸気)が混合された混合気が燃焼室内へ供給される。より具体的には、インジェクタ17は、吸気経路内に燃料を供給する燃料供給通路を開閉する電磁弁によって構成されている。この電磁弁は、システム制御装置から出力される制御電圧によってその作動が制御される。
そして、システム制御装置が、電磁弁を開く開弁時間を調整することによって、燃焼室内へ供給される燃料の供給流量を調整することができる。なお、図1では、図示の明確化のため、エンジンEGの1つの気筒のみを図示しているが、このエンジンEGは、多気筒型(例えば、4気筒)のエンジンであり、インジェクタ17は、各気筒に対して1個づつ設けられている。
リフォーマ18は、気体燃料を触媒下で改質可能温度まで加熱して改質反応させることによって、水素ガスを発生させるものである。具体的には、本実施形態では、燃料として水素含有燃料であるアンモニアを採用しているので、燃料を350℃以上となるまで加熱して、触媒下にて改質反応をさせて水素ガスを発生させている。
リフォーマ18にて発生した水素ガスは、補助燃料として吸気に混合されてエンジンEGの吸気ポートより燃焼室へ供給される。エンジンEGにて燃焼した気体燃料および水素ガスは、エンジンEGの排気ポートから排気される。
次に、車両用空調装置2について説明する。車両用空調装置2は、熱媒体循環回路20に配置された冷却用熱交換器21、蒸気圧縮式の冷凍サイクル30の蒸発器34、ヒータ22、並びに、これらの冷却用熱交換器21、蒸発器34およびヒータ22を収容するケーシング23等を有して構成されている。
ケーシング23は、車室内最前部の計器盤の内側に配置されて、車室内に向けて送風される送風空気の空気通路を形成するものである。ケーシング23の送風空気流れ最上流側には、車室内空気(内気)と車室外空気(外気)とを切替導入する図示しない内外気切替装置が配置されている。
内外気切替装置の空気流れ下流側には、内外気切替装置を介して吸入された空気を車室内へ向けて送風する送風機24が配置されている。この送風機24は、システム制御装置から出力される制御電圧によって回転数(送風量)が制御される電動送風機である。送風機24の空気流れ下流側には、熱媒体循環回路20の冷却用熱交換器21が配置されている。
ここで、熱媒体循環回路20について説明する。熱媒体循環回路20は、第1熱媒体としての循環水(例えば、水、エチレングリコール水溶液)を循環させる回路で、燃料気化器13の第1燃料気化部14の第1熱媒体流路14b、冷却用熱交換器21、第1熱媒体循環手段としての循環水ポンプ21aを環状に接続したものである。
循環水ポンプ21aは、第1熱媒体流路14bへ循環水を圧送する電動式のポンプであり、システム制御装置から出力される制御信号によって回転数(流量)が制御される。そして、システム制御装置が循環水ポンプ21aを作動させると、循環水は、循環水ポンプ21a→第1熱媒体流路14b→冷却用熱交換器21→循環水ポンプ21aの順に循環する。
これにより、第1燃料気化部14の第1燃料流路14aを流通する液体燃料が、第1熱媒体流路14bを流通する循環水によって加熱されて気化される。一方、循環水は、第1熱媒体流路14bにて第1燃料流路14aを流通する燃料の気化潜熱によって冷却されて、冷却用熱交換器21へ流入する。冷却用熱交換器21では、燃料の気化潜熱によって冷却された循環水と送風機24によって送風された送風空気とが熱交換して、送風空気が冷却される。
また、送風機24から送風される送風空気の温度は、内外気切替装置がケーシング23内の空気通路に外気を導入するように切り替えている場合には外気温となり、車室内空気を導入するように切り替えている場合には車室内空気温度となる。従って、循環水ポンプ21aから第1熱媒体流路14bへ圧送される循環水の温度(以下、第1温度という)T1は、外気温あるいは車室内空気温度程度(具体的には、20℃〜40℃)の常温となる。
冷却用熱交換器21の送風空気流れ下流側には、蒸発器34が配置されている。蒸発器34は、冷凍サイクル30において低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器であって、冷却用熱交換器21にて冷却された送風空気をさらに冷却する機能を果たす。冷凍サイクル30は、冷媒を圧縮して吐出する冷媒圧縮機31、冷媒圧縮機31吐出冷媒を外気と熱交換させて放熱させる放熱器32、放熱器32流出冷媒を減圧膨張させる膨張弁33、蒸発器34を環状に接続したものである。
蒸発器34の送風空気流れ下流側には、ヒータ22が配置されている。ヒータ22は、送風機24から送風されて冷却用熱交換器21および蒸発器34を通過して冷却された送風空気(冷風)を加熱する空気加熱手段である。本実施形態では、ヒータ22として電力を供給されることによって発熱する電気ヒータを採用しており、ヒータ22の加熱能力は、システム制御装置から出力される制御電圧によって制御される。
ケーシング23の空気流れ最下流部には、ヒータ22にて加熱された空調風を、空調対象空間である車室内へ吹き出す吹出口が配置されている。具体的には、この吹出口としては、車室内の乗員の上半身に向けて空調風を吹き出すフェイス吹出口、乗員の足元に向けて空調風を吹き出すフット吹出口、および、車両前面窓ガラス内側面に向けて空調風を吹き出すデフロスタ吹出口(いずれも図示せず)が設けられている。
さらに、フェイス吹出口、フット吹出口、およびデフロスタ吹出口の空気流れ上流側には、それぞれ、フェイス吹出口の開口面積を調整するフェイスドア、フット吹出口の開口面積を調整するフットドア、デフロスタ吹出口の開口面積を調整するデフロスタドア(いずれも図示せず)が配置されている。
次に、冷却水循環回路40について説明する。冷却水循環回路40は、第2熱媒体としてのエンジンEGの冷却水(例えば、水、エチレングリコール水溶液)を循環させる回路で、燃料気化器13の第2燃料気化部15の第2熱媒体流路15b、エンジンEG内に形成されたエンジンEGの冷却用通路42、第2熱媒体循環手段としての冷却水ポンプ43を環状に接続したものである。
冷却水ポンプ43は、第2熱媒体流路15bへ冷却水を圧送する電動式のポンプであり、システム制御装置から出力される制御信号によって回転数(流量)が制御される。そして、システム制御装置が、冷却水ポンプ43を作動させると、冷却水は、冷却水ポンプ43→エンジンEG内の冷却用通路42→第2熱媒体流路15b→冷却水ポンプ43の順に循環する。
これにより、第2燃料気化部15の第2燃料流路15aを流通する液体燃料あるいは二相燃料が、第2熱媒体流路15bを流通する冷却水によって加熱されて気化される。一方、冷却水は、第2熱媒体流路15bにて、第2燃料流路15aを流通する燃料の気化潜熱によって冷却されて、エンジンEG内の冷却用通路42へ流入する。冷却用通路42では、冷却水がエンジンEGの廃熱を吸熱して、エンジンEGが冷却される。
また、本実施形態では、エンジンEGの定常運転時において、エンジンEGのオーバーヒートの抑制およびエンジンEG潤滑用オイルの粘度増加によるフリクションロスの低減のために、システム制御装置が、エンジンEGの温度が80℃〜100℃程度となるように、冷却水ポンプ43の冷却水循環流量を調整している。従って、冷却水ポンプ43から第2熱媒体流路15bへ圧送される冷却水の温度(以下、第2温度という)T2は、80℃〜100℃程度の高温となる。
つまり、冷却水ポンプ43から第2熱媒体流路15bへ圧送される冷却水の第2温度T2は、循環水ポンプ21aから第1熱媒体流路14bへ圧送される循環水の第1温度T1よりも高くなる。なお、エンジンEGの廃熱が多く、第2燃料気化部15にて冷却水を充分に冷却することができない場合は、冷却水循環回路40に、外気と熱媒体とを熱交換させるラジエータを追加してもよい。
次に、図2〜4を用いて、燃料気化器13の具体的構成について説明する。
燃料気化器13は、図2に示すように、略長方形状の金属板材にプレス加工を施すことによって形成された複数枚のプレート部材13a〜13eを順次積層して、各プレート部材13a〜13e間に形成される隙間を燃料等が流通する流路とする積層型プレート熱交換器(いわゆる積層型熱交換器)として構成されている。
具体的には、この燃料気化器13では、第1、第2伝熱プレート13a、13bを伝熱介在物として、燃料と循環水あるいは燃料と冷却水が熱交換する。さらに、本実施形態では、燃料と循環水が熱交換する熱交換領域および燃料と冷却水が熱交換する熱交換領域を、区画プレート13cによって区画することによって、第1燃料気化部14および第2燃料気化部15に機能的に分割している。
第1燃料気化部14では、第1、第2伝熱プレート13a、13bを順次積層することによって、第1伝熱プレート13aと第2伝熱プレート13bとの間に、高圧タンク11から流出した液体燃料を流通させる第1燃料流路14a、および、循環水ポンプ21aから圧送された循環水を流通させる第1熱媒体流路14bが積層方向に交互に形成されている。第1、第2伝熱プレート13a、13bが第1燃料流路14aと第1熱媒体流路14bとを区画する区画部を構成している。
さらに、第1燃料流路14aおよび第1熱媒体流路14bの内部には、燃料と循環水との熱交換を促進するインナーフィン50が配置されている。このインナーフィン50は、各流路14a、14bの内部において流体に接する伝熱介在物の伝熱面積を拡大するとともに、各流路14a、14bの内部を複数の流路に分割する流路分割手段である。
図3に示すように、本実施形態のインナーフィン50は、薄板状金属を波状に折り曲げて形成したものである。より詳細には、本実施形態のインナーフィン50は、燃料等の流体の流れ方向に垂直な断面形状が凸部51を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状であって、各流路14a、14bの内部を複数の流路に分割する壁面52が流体の流れ方向に直線状に延びているストレートフィンである。このストレートフィン50は、一方側と他方側の凸部51が第1、第2伝熱プレート13a、13bと接している。
インナーフィン50の寸法例を挙げると、流体の流れ方向に垂直な断面形状にて、一方側と他方側のうちの同一側で隣り合う凸部の中心同士の距離をフィンピッチfpとしたとき、fp=2.0〜6.0mmとすることが好ましい。なお、一方側の凸部51から他方側の凸部51までの距離であるフィン高さfhは、各流路14a、14bの積層方向での内径と同じである。
また、図2に示すように、第1、第2各プレート部材13a、13bの長辺方向の両端側には、それぞれ2個ずつ合計4つのタンク形成部が、積層方向に打ち出し成形されている。タンク形成部は、その中央部に貫通穴を有しており、第1、第2プレート部材13a、13bが積層された際に、燃料および循環水を分配あるいは集合させる4つのタンク部を形成する。そして、これらのタンク部のうち所定の2つのタンク部が第1燃料流路14aに連通し、残りの2つのタンク部が第1熱媒体流路14bに連通している。
第1燃料気化部14の積層方向一端側には、第1エンドプレート13dが配置されている。第1エンドプレート13dには、高圧タンク11から流出した液体燃料を第1燃料気化部14へ流入させる燃料流入ポート131、循環水を第1燃料気化部14へ流入させる第1熱媒体流入ポート132、および、循環水を第1燃料気化部14から流出させる第1熱媒体流出ポート133が形成されている。
従って、第1燃料気化部14では、図4に示すように、燃料流入ポート131から流入した燃料が太実線矢印に示すように流れ、第1熱媒体流入ポート132から流入した循環水が太破線矢印に示すように流れて第1熱媒体流出ポート133から流出していく。
一方、第1燃料気化部14の積層方向の他端側には、区画プレート13cが配置されている。この区画プレート13cは、第1燃料気化部14と第2燃料気化部15との間の熱移動を抑制する断熱手段としての機能を果たす。具体的には、区画プレート13cは、2枚の板状部材を貼り合わせて中空状に形成したもので、その内部空間には空気が封入されている。もちろん、断熱性能を高めるために、内部空間を真空としてもよい。
さらに、区画プレート13cには、その表裏を貫通する貫通穴134が形成されている。この貫通穴134は、第1燃料気化部14から流出した液体燃料あるいは二相燃料を第2燃料気化部15へ流入させる燃料流路として機能する。
第2燃料気化部15の基本的構成は、第1燃料気化部14と同様である。従って、第2燃料気化部15では、第1、第2プレート部材13a、13bを順次積層することによって、第1プレート部材13aと第2プレート部材13bとの間に、第1燃料気化部14から流出した液体燃料あるいは二相燃料を流通させる第2燃料流路15a、および、冷却水ポンプ43から圧送された冷却水を流通させる第2熱媒体流路15bが積層方向に交互に形成されている。
さらに、第2燃料流路15aおよび第2熱媒体流路15bの内部にも、第1燃料気化部14と同様に、燃料と冷却水との熱交換を促進するインナーフィン50が配置されている。
また、第2燃料気化部15の積層方向の他端側(区画プレート13cの反対側)には、第2エンドプレート13eが配置されており、この第2エンドプレート13eには、気体燃料を第2燃料気化部15から流出させる燃料流出ポート135、冷却水を第2燃料気化部15へ流入させる第2熱媒体流入ポート136、および、冷却水を第2燃料気化部15から流出させる第2熱媒体流出ポート137が形成されている。
従って、第2燃料気化部15では、図4に示すように、区画プレート13cの貫通穴134から流入した燃料が太実線矢印に示すように流れて燃料流出ポート135から流出し、第2熱媒体流入ポート136から流入した冷却水が太一点破線矢印に示すように流れて第2熱媒体流出ポート137から流出していく。
なお、本実施形態では、燃料としてアンモニアを採用しているので、燃料気化器13の各構成部材(プレート部材13a〜13e、インナーフィン50)は、いずれも耐食性に優れる金属(例えば、ステンレス合金)で形成されている。また、本実施形態では、図2、図4に示すように、燃料気化器13のうち、第1燃料気化部14が占める領域に対して第2燃料気化部15が占める領域の割合は、略1/2としている。
次に、本実施形態の電気制御部について説明する。システム制御装置は、制御処理や演算処理を行うCPUおよびプログラムやデータ等を記憶するROMおよびRAM等の記憶回路を含む周知のマイクロコンピュータ、各種制御対象機器への制御信号(あるいは制御電圧)を出力する出力回路、各種センサの検出信号が入力される入力回路、並びに、電源回路等から構成されている。
システム制御装置の出力側には、前述した各種制御対象機器12、17、21a、24、43等が接続され、システム制御装置はこれらの制御対象機器の作動を制御する。システム制御装置の入力側には、エンジンEGの作動を制御するために用いられる物理量を検出するエンジン制御用のセンサ群、車両用空調装置2の作動を制御するために用いられる物理量を検出する空調制御用のセンサ群等が接続されている。
具体的には、エンジン制御用のセンサ群としては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ、エンジンEGの回転数を検出する回転数センサ、インジェクタ17へ流入する燃料圧力を検出する燃圧センサ、エンジンEGの吸気経路に配置されて吸気流量を調整するスロットルバルブの弁開度を検出するスロットルポジションセンサ、エンジンEGの冷却用通路42から流出した冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ(いずれも図示せず)等が設けられている。
また、空調制御用のセンサ群としては、車室内温度を検出する内気温センサ、車室外気温を検出する外気温センサ、車室内の日射量を検出する日射センサ、冷却用熱交換器21から吹き出される送風空気(冷風)の温度を検出する冷風温度センサ、蒸発器34における冷媒蒸発温度に相関を有する温度(本実施形態では、蒸発器34の温度)を検出する蒸発器温度センサ、ヒータ22にて加熱された空調風の温度を検出する空調風温度センサ(いずれも図示せず)等が設けられている。
さらに、システム制御装置の入力側には、車両を起動あるいは停止させるスタートスイッチ、エンジンEGを始動させるイグニションスイッチ等のエンジン操作用のスイッチ群の操作信号が入力されるとともに、車両用空調装置2の作動スイッチ、車両用空調装置2の自動制御を設定あるいは解除するオートスイッチ、車室内の目標温度を設定する目標温度設定手段としての車室内温度設定スイッチ等の空調操作用のスイッチ群の操作信号が入力される。
次に、上記構成における本実施形態の燃料供給システム1の基本的な作動について説明する。まず、イグニションスイッチが投入されてエンジンEGが始動すると、システム制御装置が、その記憶回路に記憶されたエンジン制御プログラムを実行する。このエンジン制御プログラムでは、エンジンの運転状態に応じて、インジェクタ17からエンジンEGへ供給される燃料の供給流量等を決定して、インジェクタ17等の作動を制御する。
まず、エンジン制御プログラムが実行されると、システム制御装置は、所定の制御周期毎にエンジン制御用のセンサ群の各種検出値を読み込み、読み込まれた各種検出値に基づいて、冷却水ポンプ43の冷却水圧送能力、インジェクタ17の開弁時間、開閉弁12の開弁時間等を決定する。
具体的には、冷却水ポンプ43の冷却水圧送能力については、冷却水温度センサの検出温度が80℃以上100℃以下となるように決定する。また、インジェクタ17の開弁時間については、エンジン回転数、アクセル開度信号、スロットルバルブの弁開度等に基づいて、予め記憶回路に記憶されている制御マップを参照して、エンジンEGに要求されている駆動トルクを発生させるために必要な目標燃料供給流量を決定する。
そして、この目標燃料供給流量、エンジン回転数、インジェクタ17入口側の燃料圧力等に基づいて、予め記憶回路に記憶されている制御マップを参照して、インジェクタ17から燃焼室へ供給される供給流量が、目標燃料供給流量となるインジェクタ17の開弁時間を決定する。
ここで、本実施形態のエンジンEGには、燃料気化器13(具体的には、第1燃料気化部14および第2燃料気化部15)にて気化された燃料が供給される。さらに、燃料気化器13にて気化された燃料は、エンジンEGのみならずリフォーマ18にも供給される。そのため、燃料気化器13にて気化される燃料の流量(質量流量)は、インジェクタ17から燃焼室へ供給される燃料の供給流量(質量流量)より多くなっている必要がある。
そこで、システム制御装置では、上述したインジェクタ17の開弁時間と同様に、目標燃料供給流量、高圧タンク11から流出する燃料の圧力等に基づいて、予め記憶回路に記憶されている制御マップを参照して、燃料気化器13へ供給される燃料流量が、目標燃料供給流量よりも所定量多くなるように、開閉弁12の開弁時間を決定する。
そして、システム制御装置は、上述の如く決定された制御状態となるように、出力回路あるいは駆動回路(EDU)から冷却水ポンプ43、インジェクタ17および開閉弁12に対して制御信号を出力する。
その後、スタートスイッチによって車両の停止が要求されるまで、所定の制御周期毎に、上述の検出信号および操作信号の読み込み→冷却水ポンプ43の冷却水圧送能力、インジェクタ17および開閉弁12の開弁時間等の決定→決定された冷却水圧送能力および開弁時間となる制御信号の出力といった制御ルーチンを繰り返す。
この際、燃料気化器13では、第1燃料気化部14の第1燃料流路14aを介して第2燃料流路15aへ流入した液体燃料が、第2熱媒体流路15bを流通する冷却水に加熱されて気化される。一方、第2熱媒体流路15bを流通する冷却水は、第1燃料流路14aを流通する燃料の気化潜熱によって冷却される。
前述の如く、開閉弁12の開弁時間は、燃料気化器13へ流入させる燃料の流量が目標燃料供給流量よりも多くなるように決定されているとともに、エンジンEGの定常運転時においては、冷却水の第2温度T2が80℃〜100℃の高温となるので、燃料気化器13では、要求されている駆動トルクを発生させるために充分な流量の燃料を気化させることができる。
さらに、本実施形態のシステム制御装置は、エンジンEGの始動に伴って、リフォーマ18に設けられた改質用加熱手段としての電気ヒータ(図示せず)に通電し、改質可能な温度以上となるまで燃料を加熱する。これにより、エンジンEGの燃焼室に水素ガスを補助燃料として供給することができる。
次に、エンジンEGの始動中に、車両用空調装置2の作動スイッチが投入された状態で、オートスイッチが投入されると、システム制御装置が、その記憶回路に記憶された空調制御プログラムを実行する。この空調制御プログラムでは、空調負荷に応じて、システム制御装置の出力側に接続された空調用の制御対象機器の制御状態を決定し、決定された制御状態となるように、制御対象機器の作動を制御する。
具体的には、空調制御プログラムが実行されると、システム制御装置が、予め定めた基準回転数(基準熱媒体圧送能力)となるように、循環水ポンプ21aを作動させる。さらに、システム制御装置は、車室内温度、車室外気温、日射量等に基づいて、各吹出口から車室内に吹き出される送風空気の目標吹出温度TAOを決定する。
そして、この目標吹出温度TAOおよび空調制御用のセンサ群の検出信号に基づいて、制御対象機器の作動を制御する。例えば、送風機24の目標送風量、すなわち送風機24の電動モータに出力する制御電圧については、目標吹出温度TAOに基づいて予め記憶回路に記憶されている制御マップを参照して、目標吹出温度TAOが高温時および低温時に中間温度時よりも高くなるように決定される。
また、冷凍サイクル30の冷媒圧縮機31の冷媒吐出能力については、目標吹出温度TAOに基づいて予め記憶回路に記憶されている制御マップを参照して、目標吹出温度TAOの上昇に伴って上昇するように蒸発器34における目標冷媒蒸発温度TEOを決定し、フィードバック制御手法を用いて目標冷媒蒸発温度TEOと蒸発器温度センサによって検出された検出値との偏差が縮小するように決定される。
また、ヒータ22に出力される制御電圧については、ヒータ22に加熱された空調風の温度と車室内温度設定スイッチによって設定された目標温度との偏差に基づいて、フィードバック制御手法を用いてヒータ22から吹き出される空調風の温度が目標冷風温度TEOに近づくように決定される。
そして、システム制御装置は、出力回路あるいは駆動回路から上記の如く決定された制御信号を制御対象機器に対して出力する。その後、車両用空調装置2の作動停止が要求されるまで、所定の制御周期毎に、上述の検出信号および操作信号の読み込み→制御対象機器の制御状態の決定→決定された制御状態が得られる制御信号の出力といった制御ルーチンを繰り返す。
この際、燃料気化器13では、図5のモリエル線図に示すように、第1燃料気化部14および第2燃料気化部15にて、エンジンEGに要求出力を出力させるために充分な流量の燃料が気化させることができる。つまり、高圧タンク11から流出した液体燃料(図5のa点)は、開閉弁12を通過する際の圧力損失によって減圧され(図5のa点→b点)、第1燃料気化部14の第1燃料流路14aへ流入する。
第1燃料流路14aへ流入した液体燃料は、第1熱媒体流路14bへ流入した第1温度T1(低温始動時を除く定常運転時等では20℃〜40℃)の循環水と熱交換して、そのエンタルピを上昇させる(図5のb点→c点)。これにより、循環水が冷却されるとともに、第1燃料流路14aへ流入した液体燃料の一部が気化されて、二相燃料となって第2燃料気化部15の第2燃料流路15aへ流入する。
第2燃料流路15aへ流入した二相燃料は、第2熱媒体流路15bへ流入した第2温度T2(低温始動時を除く定常運転時等では80℃〜100℃)の冷却水と熱交換して、そのエンタルピをさらに上昇させる(図5のc点→d点)。これにより、冷却水が冷却されるとともに、第2燃料流路15aへ流入した二相燃料がさらに気化されて、気体燃料となって燃料気化器13から流出する。
つまり、燃料気化器13では、低温始動時を除く定常運転時等において、冷却水の第2温度T2が循環水の第1温度T1よりも高くなっていることによって、第2燃料気化部15における燃料の平均的なエンタルピH2が、第1燃料気化部14における燃料の平均的なエンタルピH1よりも高くなる。換言すると、第2燃料気化部15の所定の部位における燃料のエンタルピが、第1燃料気化部14の対応する部位における燃料のエンタルピよりも高くなる。
つまり、第2燃料気化部15の燃料流入部における燃料のエンタルピは、第1燃料気化部14の燃料流入部における燃料のエンタルピよりも高くなっており、第2燃料気化部15の燃料流出部における燃料のエンタルピは、第1燃料気化部14の燃料流出部における燃料のエンタルピよりも高くなっている。
また、車両用空調装置2の作動時であっても、開閉弁12の開弁時間は、燃料気化器13へ流入させる燃料の流量が、目標燃料供給流量よりも多くなるように決定されているので、燃料気化器13では、要求されている駆動トルクを発生させるために充分な流量の燃料を気化させることができる。
さらに、車両用空調装置2では、送風機24から送風された送風空気が、冷却用熱交換器21および蒸発器34にて冷却され、冷却用熱交換器21にて冷却された冷風は、ヒータ22によって乗員の所望の温度に温度調整されて、各吹出口を介して車室内へ吹き出される。そして、車室内に吹き出される空調風によって、車室内温度が車室外気温より低く冷やされる場合には車室内の冷房が実現され、車室内温度が車室外気温より高く加熱される場合には、車室内の暖房が実現される。
次に、本実施形態の燃料気化器13の主な効果について説明する。
上述の通り、本実施形態の燃料気化器13では、第1燃料気化部14における第1燃料流路14aと第1熱媒体流路14bの両方の流路にインナーフィン50を配置している。同様に、第2燃料気化部15における第2燃料流路15aと第2熱媒体流路15bの両方の流路にインナーフィン50を配置している。
このため、本実施形態では、インナーフィン50によって、各流路14a、14b、15a、15bにインナーフィン50が配置されていない場合と比較して、流路内の単位体積当たりの伝熱面積Aが拡大されている。
また、本実施形態によれば、インナーフィン50によって、各流路14a、14b、15a、15bの内部を複数の流路に分割しているので、インナーフィン50を備えていない場合と比較して、1つの流路における流路断面の相当直径を減少させることができ、これにより、温度境界層を小さくして、燃料と熱媒体との間の熱通過率hを向上させることができる。
ここで、一般的に熱通過率hは次式で示される。
h=(Nu・λ)/d・・・式(1)
Nu:ヌセルト数、d:相当直径、λ:熱伝導率
また、ヌセルト数Nuは次式で示される。
Nu=Re・Pr・C・・・式(2)
Re:レイノルズ数、Pr:プラントル数、C:定数
さらに、レイノルズ数Reは次式で示される。
Re=(ρ・u・d)/μ・・・式(3)
ρ:密度、u:熱流束、d:相当直径
式(1)より、相当直径dが減少すると、熱通過率hが増大することがわかる。なお、相当直径dは式(3)にも含まれているが、式(3)中のdは式(2)に示すように累乗となるので、式(3)中のdが減少することによる熱通過率hへの影響は、式(1)中のdが減少することによる影響よりも小さい。
また、燃料と熱媒体との間の熱交換量Qは、一般的に、熱通過率h、伝熱面積A、燃料と熱媒体との温度差ΔTを用いて次式で示される。
Q=h・A・ΔT・・・式(4)
このため、本実施形態によれば、第1、第2燃料気化部14、15の熱交換コア部の体格が同じであって、インナーフィンを備えていない場合と比較して、第1、第2燃料気化部14、15での熱交換量Qを増大させることができる。すなわち、同じ大きさの熱交換量Qを得るために必要な熱交換コア部の体格を小さくできる。
具体的には、図6に示すように、インナーフィン50を備える本実施形態の燃料気化器13によれば、フィンピッチfpが2.0mm、4.0mm、6.0mmのとき、インナーフィンを備えていない比較例の燃料気化器と比較して、同じ熱出力(目標値)を得るために必要な体格を1/2程度とすることができる。
したがって、本実施形態によれば、低温始動時でも目標熱交換量を満たすように燃料気化器を設計する場合に、単に、第1燃料流路14aと第1熱媒体流路14bの積層数および第2燃料流路15aと第2熱媒体流路15bの積層数を増大させて、必要な伝熱面積を確保する場合と比較して、燃料気化器13の大型化を抑制できる。
(第2実施形態)
本実施形態の燃料気化器13は、図7に示すように、第1実施形態の燃料気化器に対して、燃料と熱交換させる熱媒体としてエンジンEGの冷却水のみを用いるように変更したものである。
具体的には、燃料気化器13は、第1、第2伝熱プレート13a、13bを順次積層することによって、第1伝熱プレート13aと第2伝熱プレート13bとの間に、高圧タンク11から流出した液体燃料を流通させる燃料流路15a、および、冷却水ポンプ43から圧送された冷却水を流通させる熱媒体流路15bが積層方向に交互に形成されている。
そして、燃料流路15aと熱媒体流路15bの両方の流路の内部に、第1実施形態と同様のインナーフィン50が配置されている。このため、本実施形態によっても、第1実施形態と同様の効果を奏する。
(第3実施形態)
本実施形態の燃料気化器13は、インナーフィンとして、第1、2実施形態のストレートフィン50の壁面52に、図8に示すように、少なくとも1つのルーバ53が形成されたものを用いている。
このルーバ53は、壁面52の一部を切り起こした形状である。ルーバ53が形成されたことによって壁面52には貫通孔54が形成されている。本実施形態では、ルーバ53が流通抵抗となって壁面52に形成された貫通孔54を、燃料等の流体が通過することから、この貫通孔54も実質的に流路を構成している。
したがって、本実施形態によれば、ストレートフィン50の壁面52にルーバ53を形成しない場合と比較して、流路断面の相当直径をさらに減少できる。
(第4実施形態)
本実施形態の燃料気化器13は、インナーフィンとして、図9に示すオフセットフィン60を用いている。その他の構成は第1、第2実施形態と同じである。
このオフセットフィン60は、流体の流れ方向に垂直な断面形状が凸部61を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状であって、各流路の内部を複数の流路に分割する壁面62が流体の流れ方向に沿って千鳥状に配置されたものである。
このオフセットフィン60は、部分的に切り起こされた切り起こし部63を備えており、流体の流れ方向から見たときに、切り起こし部63によって形成される波形状部分が、流体の流れ方向で隣接する波形状部分に対してオフセットしている。
このオフセットフィン60を用いることによっても、第1実施形態と同様の効果を奏する。
(第5実施形態)
本実施形態の燃料気化器13は、インナーフィンとして、図10に示すピンフィン70を用いている。その他の構成は第1、第2実施形態と同じである。
このピンフィン70は、平面部71に設けられた複数本の柱状のピン72を備えるものである。複数本のピン72は複数の列をなして配置されている。なお、複数本のピン72は千鳥状に配置されていても良い。
このピンフィン70を用いることによっても、第1実施形態と同様の効果を奏する。本実施形態によれば、ピン72の流体流れ下流側に渦が形成されることによって、燃料等の流体との熱交換が促進されることから、熱通過率hが大きくなるという効果を奏する。
(他の実施形態)
(1)上述の各実施形態では、燃料気化器を、燃料流路と熱媒体流路とが交互に積層された構成としたが、必ずしも交互に積層された構成としなくても良い。本発明の燃料気化器は、燃料が流れる燃料流路と、この燃料流路と隣り合わせに配置され、熱媒体が流れる熱媒体流路と、燃料流路と熱媒体流路とを区画する区画部とを備える構成であれば良い。
例えば、燃料気化器を、外管の内部に内管が配置された2重管構造の熱交換器で構成しても良い。この場合、外管と内管の間の空間が熱媒体流路を構成し、内管の内部空間が燃料流路を構成し、内管が燃料流路と熱媒体流路とを区画する区画部を構成する。
(2)上述の各実施形態では、燃料流路と熱媒体流路の両方の流路にインナーフィンを配置したが、燃料流路と熱媒体流路の一方の流路にインナーフィンを配置することでも、本発明の効果を奏する。
(3)上述の各実施形態では、インナーフィン50、60、70を用いていたが、一般的にインナーフィンとは呼ばれないものであっても、流体に接する伝熱介在物の伝熱面積を拡大するとともに、流路の内部を実質的に複数の流路に分割する流路分割手段であれば、インナーフィンの替わりに用いることができる。
例えば、ステンレス合金製の金属ワイヤを多数の隙間を有するように丸めたものや、発砲金属からなる多数の隙間を有する多孔体を用いても良い。これらを流体の内部に配置した場合においても、伝熱面積が拡大するとともに、隙間が流体の流路を構成することから、燃料流路や熱媒体流路の内部を実質的に複数の流路に分割しており、流路断面の相当直径が減少していると言える。
(4)上述の各実施形態では、エネルギ出力手段として、車両に搭載されるエンジン(内燃機関)EGを採用した例を説明したが、定置型発電機に用いられる内燃機関を採用しても良い。また、エネルギ出力手段として、例えば、リフォーマ18にて発生させた燃料ガス(水素ガス)と酸化剤ガス(空気)とを電気化学反応させることによって燃料を消費して、電気エネルギを出力する燃料電池を採用しても良い。また、エネルギ出力手段として、燃料を燃焼させて熱エネルギを出力する燃焼炉を採用しても良い。
1 燃料供給システム
13 燃料気化器
13a 第1伝熱プレート(区画部)
13b 第2伝熱プレート(区画部)
14 第1燃料気化部
14a 第1燃料流路(燃料流路)
14b 第1熱媒体流路(熱媒体流路)
15 第2燃料気化部
15a 第2燃料流路(燃料流路)
15b 第2熱媒体流路(熱媒体流路)
50 ストレートフィン(インナーフィン、流路分割手段)
53 ルーバ
60 オフセットフィン(インナーフィン、流路分割手段)
70 ピンフィン(インナーフィン、流路分割手段)

Claims (9)

  1. 気化した燃料を消費してエネルギを出力するエネルギ出力手段に対して、気化させた燃料を供給する燃料気化器(13)であって、
    燃料が流れる燃料流路(14a、15a)と、
    前記燃料流路と隣り合わせに配置され、熱媒体が流れる熱媒体流路(14b、15b)と、
    前記燃料流路と前記熱媒体流路とを区画する区画部(13a、13b)とを備え、
    前記区画部を伝熱介在物として燃料と熱媒体とを熱交換させることによって、燃料を加熱して気化させるように構成されており、
    前記燃料流路と前記熱媒体流路の少なくとも一方の流路に配置され、流体に接する伝熱介在物の伝熱面積を拡大するとともに、前記流路の内部を実質的に複数の流路に分割する流路分割手段(50、60、70)を備えることを特徴とする燃料気化器。
  2. 前記流路分割手段は、インナ−フィン(50、60、70)であることを特徴とする請求項1に記載の燃料気化器。
  3. 前記インナーフィンは、流体の流れ方向に垂直な断面形状が凸部(51)を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状であって、前記流路の内部を複数の流路に分割する壁面(52)が流体の流れ方向に直線状に延びているストレートフィン(50)であることを特徴とする請求項2に記載の燃料気化器。
  4. 前記ストレートフィンは、前記壁面に少なくとも1つのルーバ(53)が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の燃料気化器。
  5. 前記断面形状にて、一方側と他方側のうちの同一側で隣り合う凸部の中心同士の距離をフィンピッチ(fp)としたとき、前記フィンピッチが2〜6mmであることを特徴とする請求項3または4に記載の燃料気化器。
  6. 前記インナーフィンは、流体の流れ方向に垂直な断面形状が凸部(61)を一方側と他方側に交互に位置させて曲折する波形状であって、前記流路の内部を複数の流路に分割する壁面(62)が流体の流れ方向に沿って千鳥状に配置されているオフセットフィン(60)であることを特徴とする請求項2に記載の燃料気化器。
  7. 前記インナーフィンは、複数本の柱状のピンを備えるピンフィン(70)であることを特徴とする請求項2に記載の燃料気化器。
  8. 前記燃料流路と前記熱媒体流路とが交互に積層されていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1つに記載の燃料気化器。
  9. 前記燃料気化器は、燃料を気化させる第1燃料気化部(14)と、前記第1燃料気化部から流出した燃料を気化させる第2燃料気化部(15)とを一体的に構成したものであり、
    前記第1燃料気化部は、前記燃料流路としての第1燃料流路(14a)と、前記熱媒体流路としての第1熱媒体流路(14b)とを備え、前記第1燃料流路を流れる燃料と前記第1熱媒体流路を流れる第1熱媒体とを熱交換させることによって、燃料を加熱して気化させるように構成され、
    前記第2燃料気化部は、前記燃料流路としての第2燃料流路(15a)と、前記熱媒体流路としての第2熱媒体流路(15b)とを備え、前記第2燃料流路を流れる燃料と前記第2熱媒体流路を流れる前記第1熱媒体とは異なる第2熱媒体とを熱交換させることによって、燃料を加熱して気化させるように構成されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1つに記載の燃料気化器。
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