JP2022024908A - 水供給管凍結時破損防止構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】水の凍結に起因した水供給管の破損を防止することができる水供給管凍結時破損防止構造を得る。【解決手段】水供給管凍結時破損防止構造は、外部から水を供給することにより熱交換器を冷却する水供給管40と、水供給管40において、水供給管40内部の水Wの凍結時に最も遅く凍結する部位に設けられた気体層50と、を含んで構成される。これにより、気体層50が最終的に水Wの凍結時の体積の膨張を吸収するので、水Wの凍結に起因した水供給管40の破損を防止することができる。【選択図】図2
Description
本発明は、水供給管凍結時破損防止構造に関する。
従来、燃料電池システム等においては、燃料電池を冷却するための熱交換器(例えば、ラジエータ)に対して水を散布することによって、熱交換器の冷却能力を向上させる水供給装置が使用されている。上記水供給装置においては、熱交換器に対して水を供給する水供給管の内部に残存した水が、冬季等の低温環境での放置時に凍結してしまい、水供給管が破損してしまう虞がある。そこで特許文献1には、樹脂ケース内に複数の流路を形成し、流路を分離する部材に中空部を形成することにより、この中空部を脆弱部として凍結による水の体積変化を吸収させる技術が開示されている。また、特許文献2には、水の出入口が複数設けられたポンプ装置において、水の吐出部を閉止する閉止装置を設け、該閉止装置に、装置内の流路接液部よりも剛性の低い部材で形成された変形部を設けることにより、凍結による水の体積変化を吸収させる技術が開示されている。
一方、水供給装置においては、簡便かつ安価な装置が求められている。そのため、水供給管は一般的に単純な管1本からなる単純管で構成されている。単純管で形成された水供給管においては、特許文献1に記載された上記脆弱部や特許文献2に記載された上記変形部を設けることは困難である。また、水供給装置において、水を供給する水供給孔が複数ある場合、どの部位を変形させることで水の凍結による体積変化を吸収させることができるのか不明である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、水の凍結に起因した水供給管の破損を防止することができる水供給管凍結時破損防止構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の本発明に係る水供給管凍結時破損防止構造は、外部から水を供給することにより熱交換器を冷却する水供給管と、該水供給管において、該水供給管内部の水の凍結時に最も遅く凍結する部位に設けられた気体層と、を含んで構成されることを特徴とする。
請求項1に記載の本発明に係る水供給管凍結時破損防止構造によれば、水供給管において、水供給管内部の水の凍結時に最も遅く凍結する部位に気体層が設けられているので、水の凍結時に最終的に気体層によって水の体積膨張を吸収することができる。そのため、水供給管内部の水の凍結時に、水の凍結に起因した水供給管の破損を防止することができる。
以上説明したように、本発明の水供給管凍結時破損防止構造によれば、水供給管内部の水の凍結時に、水の凍結に起因した水供給管の破損を防止することができる、という優れた効果を有する。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態において、互いに同一である部分には同一符号を付してある。
(第1実施形態)
先ず、本発明の第1実施形態に係る水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40を備える水供給装置30を適用した燃料電池システム10の一例について、図1~図3を用いて説明する。なお、各図において適宜示す矢印UP、矢印FR、矢印RR、及び矢印RHは、車両の上方向、車両の前方向、車両の後方向、車両左右方向(車幅方向)の右側方向をそれぞれ示している。以下、単に前後、左右、上下の方向を用いて説明する場合は、特に断りのない限り、車両前後方向の前後、車両左右方向(車幅方向)の左右、車両上下方向の上下を示すものとする。
先ず、本発明の第1実施形態に係る水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40を備える水供給装置30を適用した燃料電池システム10の一例について、図1~図3を用いて説明する。なお、各図において適宜示す矢印UP、矢印FR、矢印RR、及び矢印RHは、車両の上方向、車両の前方向、車両の後方向、車両左右方向(車幅方向)の右側方向をそれぞれ示している。以下、単に前後、左右、上下の方向を用いて説明する場合は、特に断りのない限り、車両前後方向の前後、車両左右方向(車幅方向)の左右、車両上下方向の上下を示すものとする。
図1には、水供給管40を備える水供給装置30を含む燃料電池システム10の構成が模式的な車両側面視の図で示されている。図1に示される燃料電池システム10は、電気自動車に搭載され、燃料電池12を有している。燃料電池12には、空気通路14を介して酸素を含む空気が供給され、水素通路16を介して水素が供給される。燃料電池12は、出力時(発電の際)に熱を発生すると共に水分を含む排気ガスを生成する。燃料電池システム10には、燃料電池12の温度を所定の許容範囲内に維持するために、冷却水回路18が設けられている。
冷却水回路18は、冷却水循環流路20、ウォータポンプ22、熱交換器としてのラジエータ24及び送風ファン26を有している。冷却水循環流路20は、燃料電池12とラジエータ24とを経由して循環するように構成されている。ウォータポンプ22は、冷却水循環流路20に設けられ、冷却水を送り出すことで冷却水を循環させる。
ラジエータ24は、ラジエータコア24Aとラジエータタンク24Bとで構成されている(図3参照)。ラジエータコア24Aは、車両幅方向に延びて内部を通流する冷却水と、電気自動車の車両前方側から車両後方側へ(矢印D方向参照)流れる空気との間で熱交換を行う複数のチューブで構成される。ラジエータ24は、上記熱交換を行うことで、燃料電池12で発生した熱を放出させる。ラジエータ24の車両後方側には、送風ファン26が配置されている。送風ファン26は、車両の走行によって該部位に発生する車両前方側から車両後方側への空気流が上記熱交換の必要量に対して不十分な場合において、これを補助する空気流を生成している。
また、燃料電池システム10には、空気通路14における燃料電池12の下流側に気液分離器(図示しない)設けられている。気液分離器は、燃料電池12の出力時に発生した水分を含む排気ガスを回収したうえでガスと水とに分離する構造を有しており、公知の技術を使用することができる。
また、燃料電池システム10には、ラジエータ24に向けて水Wを散布することによりラジエータ24を冷却する水供給装置30が設けられている。水供給装置30は、ラジエータ24の上部に対して車両前方側に配置され、タンク32(外部)から水を供給し、ラジエータ24に向けて水Wを吐出する水供給管40と、水供給管40に接続されているタンク32と、タンク32から水供給管40に水Wを送るポンプ34とを備えている。水供給管40、タンク32、及びポンプ34は、水供給用流路36に配設されている。
図2は水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管を示す車両後方向側から見た正面図、図3は図2のA-A線における断面図である。水供給管40は、筐体42、供給部43、連通孔44、及び案内部46を有して構成されており、ステンレスやアルミニウム等の金属材料、又は樹脂材料(例えば、ポリアミド系樹脂やポリプロピレン系樹脂等)によって構成されている。
筐体42は、車両幅方向(ラジエータ24の左右方向)に延在されて水が流入可能な筒状に形成されており、車両幅方向の両端は閉塞されている。筐体42は、図2に示されるように、車両幅方向の両端部に配設される第1筐体42Aと、両端部に配設された第1筐体42Aと連通し、車両幅方向の中央部に所定の長さで配設される第2筐体42Bとを有している。なお、上記所定の長さは、筐体42の内径及び長さ等を考慮して決定される長さである。
第1筐体42Aは、図3に示されるように、車両前方側を平坦部とした蒲鉾型(アーチを平行に押し出した形状)に形成されている。第2筐体42Bは、第1筐体42Aよりも長手方向に直交する断面の断面積が大きく形成されている。具体的には、第2筐体42Bは、車両前方側において第1筐体42Aよりも上方向に長く形成された平坦部421と、平坦部421の上端から車両後方側に向かって延設された上端部422と、上端部422の後端から連通孔44まで延びる後端部423とを備えている。第2筐体42Bは、図2に示されるように、第1筐体42Aとの接続部444が傾斜を有しており、第1筐体42Aと滑らかに連結されている。
供給部43は、水供給用流路36から供給される水Wを筐体42の内部に供給するための供給口43Aを有し、第2筐体42Bの上端部422から上方に向かって筒状に延設されている。
連通孔44は、供給口43Aから供給された水Wを筐体42の外部に吐出するための筐体42内部と連通する孔であり、筐体42のラジエータ24の上部側を向く部位に、例えば等間隔で一列に複数配設されている。連通孔44の径は、筐体42の内部から外部に噴射される水量が均一になるように定められている。
案内部46は、図2に示されるように、連通孔44の下端から下方に向けて延設された矩形状の板部材で形成されている。案内部46は、第1案内部46Aと、第1案内部46Aよりも上下方向の長さが短い第2案内部46Bとを備えている。また、案内部46は、図2において図示は省略されているが、図3に示されるように、車両後方側後面に、連通孔44と連通する溝48が下端に至るまで形成されている。第1案内部46A及び第2案内部46Bの長さは、ラジエータ24のサイズや、水供給管40とラジエータ24の水平距離等の種々の条件に応じて決定され、適宜変更することができる。
タンク32は、水供給管40に供給する水Wを貯留する。タンク32の下部には、タンク32に貯留された水Wが流出する流出口34Aが設けられている。また、タンク32の上部には、図示しない注水口が設けられており、この注水口からタンク32内に水Wを補給することができるようになっている。
ポンプ34は、水供給用流路36において、水供給管40とタンク32との間に配置されたポンプであり、一例として電動式ポンプとされる。ポンプ34は、タンク32内に貯留された水Wを、流出口34Aから水供給管40へ向かって圧送する。
燃料電池システム10は、図示は省略するが制御装置を有している。制御装置は、燃料電池システム10を構成する各制御対象機器の作動を制御する制御部である。当該制御装置は、CPU、ROM及びRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。制御装置の入力側には、燃料電池12及び水温センサ(図示せず)が接続されており、燃料電池12の出力及び冷却水循環流路20の冷却水の温度を取得することができるようになっている。
また、制御装置の出力側には、ウォータポンプ22、送風ファン26、ポンプ34等の制御対象機器が接続されている。従って、制御装置は、当該制御装置のROMに記憶されている制御プログラムに基づいて、各制御対象機器の作動を制御することができる。
次に、第1実施形態の作用効果について説明する。以下、図1等に示される水供給装置30の作動を主として説明する。先ずは、水供給装置30の水供給管40から水Wが噴射される場合の一例について説明する。
燃料電池システム10が作動されると、水温センサによって検出される温度が上昇し始める。制御装置は、水温センサによって検出される温度が設定温度Hに達すると、ポンプ34を作動させる。これにより、図1に示されるように、タンク32の流出口32Aから水供給用流路36内へ流出したタンク32内の水Wが、ポンプ34によって水供給管40へ圧送される。
ポンプ34によって水供給管40に送られた水Wは、図2に示されるように、供給口Aから第2筐体42B内部に入り、第1筐体42B内部に送られる。第1筐体42B及び第2筐体42B内部に送られた水Wは、連通孔44から吐出され、図3に示されるように、溝48に案内されて案内部46の下端から吐出される。吐出(噴射ともいう)された水Wが車両前方側から車両後方側へ、すなわち図中の矢印Dの方向へ流れる空気流に乗る等してラジエータ24のラジエータコア24Aにおける放熱面に散布される。散布された水Wは、ラジエータコア24Aの放熱面に付着し、放熱面に付着した水Wは、重力によって放熱面を伝わり、下方に垂れていく。そして、放熱面に付着した水Wは気化し、当該水Wの蒸発潜熱によってラジエータ24の放熱能力が向上する。
次に、制御装置によってポンプ34が停止された際の水供給管40内部の状態の一例について説明する。先ずは、従来の水供給管140について説明する。図7は従来の水供給管140を示す車両後方向側から見た正面図である。一例として図7に示される水供給管140は、筐体142、供給部143、連通孔144、及び案内部146を有して構成されている。なお、供給部143、連通孔144、及び案内部146は、図2の供給部43、連通孔44、及び案内部46と同一であるためここでの説明は省略する。
図7で示される水供給管140は、図2に示される第1実施形態の水供給管40における第2筐体42Bを有しておらず、第1筐体42Aと略同じ断面を有する筒状の筐体142が車両幅方向に延設されることにより形成されている。水供給装置においては、簡便かつ安価な装置が求められているため、水Wが吐出されていないときに、複数の連通孔44を一斉に閉塞する簡便な手段を備えることは困難である。そのため、複数の連通孔44は常に開放された構造となっている。
上記構造の水供給管140においては、ポンプ34が停止されると、筐体142内部には供給口143Aから供給された水Wの一部が残存する。水供給管140の管径及び連通孔44の孔径は比較的小さい径であるため、図7に示されるように、水供給管140内部において、気泡が存在する部位142A~142Dを除く部位は、水Wで満たされてしまう。連通孔44は外気に直接触れているために、冬季等の低温環境においては、連通孔44に残存する水Wは早い段階で容易に凍結してしまう。連通孔44に残存する水Wが凍結すると、連通孔44が閉塞してしまうため、筐体142内部に残存する水Wは密閉された状態となる。この状態において、水Wが凍結すると、水Wで満たされた部位において、水Wの体積が膨張して、筐体142が破損してしまう虞がある。
そこで、図2で示される第1実施形態の水供給管40は、筐体42が第1筐体42Aと第2筐体42Bとにより形成されている。一般的に、筐体42内部においては、外気によって冷やされる管壁に接触する面積が大きい部位から水Wの凍結が開始される。すなわち図2で示される水供給管40内部においては、筐体42の長手方向(車両幅方向)に沿った周壁に加えて、さらに筐体42の両端を閉塞する端壁と接触する水供給管40の両端部から水Wが凍結し始め、図2の矢印Fで示される方向、つまり水供給管40の両端部からそれぞれ供給部43側(中央)に向かって水Wが凍結していく。
第1実施形態の水供給管40においては、最も遅く水Wが凍結する部位、すなわち水供給管40の車両幅方向中央部に第2筐体42Bが設けられている。第2筐体42Bは図3に示されるように、第1筐体42Aよりも上方向に長く形成されている。そのため、第1筐体42A内部が水Wで満たされた場合であっても、第2筐体42B内の上方には空気が存在する気体層50が形成される。気体層50は、第2筐体42Bの内面と第2筐体42B内部に残存する水Wの水面に囲まれる空間に形成されており、水Wの水位に応じて変化する。
水供給管40の両端部から水Wが凍結し始め、供給部43側(中央)に向かって水Wの凍結が進んでも、第2筐体42において、水Wの凍結時の体積の膨張が気体層50によって吸収される。第2筐体42B内部においては、水供給管40の両端部から供給部43側(中央)に向かって水Wの凍結が進むことに加えて、図3に示されるように、外気によって冷やされる管壁に接触する水Wから凍結していく。すなわち、気体層50と接触する水Wは最も遅く凍結するため、図中黒矢印で示されるように、第2筐体42B内部においては、気体層50と接触する内面を除く面側から徐々に水Wの凍結が進む。そのため、水Wが凍結する際に、水Wの体積が膨張したとしても、膨張部分は気体層50に吸収されるので、筐体42が破損するのを防止することができる。従って、水Wの凍結に起因した水供給管40の破損を防止することができる。
なお、第1実施形態の水供給管凍結時破損防止構造は、水供給管40と気体層50とを含んで構成される。
以上のように第1実施形態の水供給管凍結時破損防止構造は、タンク32(外部)から水Wを供給することによりラジエータ(熱交換器)24を冷却する水供給管40と、水供給管40において、水供給管40内部の水Wの凍結時に最も遅く凍結する部位に設けられた気体層50と、を含んで構成される。これにより、気体層50が最終的に水Wの凍結時の体積の膨張を吸収するので、水Wの凍結に起因した水供給管40の破損を防止することができる。
なお、第1実施形態においては、気体層50を車両幅方向の中央部に形成しているが、本発明はこれに限定されない。気体層50は筐体42の車両幅方向においていずれの位置に設けてもよいし、1つに限らず、複数設けてもよい。また、気体層50の車両幅方向の長さについても適宜変更することができる。気体層50の長さが長いほど、水供給管40内部において、水Wで満たされた部位が発生するのを防止することができる。そのため、水Wが凍結する際に、水供給管40内部での局部的な内圧の上昇を回避することができるので、水Wの凍結に起因した水供給管40の破損をより防止することができる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Aについて説明する。図4は水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Aを示す車両後方向側から見た正面図である。
次に、本発明の第2実施形態に係る水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Aについて説明する。図4は水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Aを示す車両後方向側から見た正面図である。
第2実施形態の水供給管40Aは、図4に示されるように、図2で示される上記第1実施形態の水供給管40に対してさらに、車両幅方向の両端部に気体層50を備えている。本実施形態において、気体層50は、第3筐体42Cの内面と第3筐体42C内部に残存する水Wの水面に囲まれる空間に形成されており、水Wの水位に応じて変化する。
第3筐体42Cは、車両幅方向の両端部に所定の長さで配設されており、一端は第1筐体42Aと連通し、他端は平坦に閉塞されている。なお、上記所定の長さは、筐体42の内径及び長さ等を考慮して決定される長さである。第3筐体42Cは、第1筐体42Aよりも長手方向に直交する断面の断面積が大きく形成されており、本実施形態においては、第2筐体42Bと略同じ形状の断面に形成されている。第3筐体42Cは、図4に示されるように、第1筐体42Aとの接続部445が傾斜を有しており、第1筐体42Aと滑らかに連結されている。
なお、第2実施形態の水供給管凍結時破損防止構造は、水供給管40Aと気体層50とを含んで構成される。
次に、第2実施形態の作用効果について説明する。上述したように、水供給管40A内部においては、筐体42の長手方向(車両幅方向)に沿った管壁に加えて、さらに筐体42の両端を閉塞する端壁と接触する水供給管40の両端部から水Wが凍結し始め、図4の矢印Fで示される方向、つまり水供給管40Aの両端部からそれぞれ供給部43側(中央)に向かって水Wが凍結していく。
第2実施形態の水供給管40Aにおいては、初期段階で水Wが凍結する水供給管40Aの両端部において気体層50が形成されている。そのため、水供給管40A内部において水Wが凍結する初期段階で、水Wの凍結による体積膨張部分を気体層50によって吸収することができる。これにより、その後、水Wの凍結が進行する際の体積膨張による水供給管40A内の内圧上昇を抑制する効果が得られる。
なお、第2実施形態においては、第2筐体42Bと第3筐体42Cとは、長手方向に直交する断面を略同じ形状の断面としたが、本発明はこれに限られない。気体層50を形成可能な大きさであれば、例えば第2筐体42Bが第3筐体42Cよりも大きい断面であってもよいし、小さい断面であってもよい。また、両端の第3筐体42Cが各々異なる形状の断面であってもよいし、異なる大きさの断面であってもよいし、適宜変更することができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に係る水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Bについて説明する。図5は水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Bを示す車両後方向側から見た正面図である。
次に、本発明の第3実施形態に係る水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Bについて説明する。図5は水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Bを示す車両後方向側から見た正面図である。
第3実施形態の水供給管40Bは、図5に示されるように、図2で示される上記第1実施形態の水供給管40とは異なる形状の筐体42Mを備えている。筐体42Mは、車両幅方向の中央部の高さが両端部よりも高くなるように第1筐体42A及び第2筐体42Bが傾斜して形成されている。
次に、第3実施形態の作用効果について説明する。筐体42Mは、車両幅方向の中央部の高さが両端部よりも高く形成されているため、気泡が車両幅方向の中央部、すなわち第2筐体42B内に集まる。これにより、第2筐体42B内において、気泡の上昇により気体層50が増えるので、水Wの凍結による体積膨張をより吸収できる。このため、水Wの凍結に起因した水供給管40Bの破損をより安定して防止することができる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に係る水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Cについて説明する。図6は水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Cを示す車両後方向側から見た正面図である。
次に、本発明の第4実施形態に係る水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Cについて説明する。図6は水供給管凍結時破損防止構造に含まれる水供給管40Cを示す車両後方向側から見た正面図である。
第4実施形態の水供給管40Cは、図6に示されるように、図4で示される上記第2実施形態の水供給管40Aとは異なる形状の筐体42Nを備えている。筐体42Nは、車両幅方向の中央部の高さが両端部よりも高くなるように第1筐体42A、第2筐体42B、及び第3筐体42Cが傾斜して形成されている。
次に、第4実施形態の作用効果について説明する。第4実施形態の水供給管40Cにおいては、第2実施形態の水供給管40Aと同様に、初期段階で凍結する水供給管40Aの両端部において気体層50が形成されている。そのため、水供給管40C内部の水Wが凍結する初期段階で、水Wの凍結による体積膨張部分を気体層50によって吸収することができる。これにより、その後、水Wの凍結が進行する際の体積膨張による水供給管40C内の内圧上昇を抑制する効果が得られる。
また、第4実施形態の水供給管40Cにおいては、第3実施形態の水供給管40Bと同様に、筐体42Nが、車両幅方向の中央部の高さが両端部よりも高く形成されているため、気泡が車両幅方向の中央部、すなわち第2筐体42B内に集まる。これにより、第2筐体42B内において、気泡の上昇により気体層50が増えるので、水Wの凍結による体積膨張をより吸収できる。このため、水Wの凍結に起因した水供給管40Cの破損をより安定して防止することができる。
なお、上記実施形態においては、水供給管40、40A、40B、40Cは、長手方向に直交する断面の形状を図3に示す形状としたが、本発明はこれに限られない。気体層50を形成可能であればよく、例えば各筐体の断面を円形状にしてもよいし、多角形状に形成してもよいし、適宜変更することができる。
以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
24 ラジエータ(熱交換器)
30 水供給装置
40 水供給管
40A 水供給管
40B 水供給管
40C 水供給管
50 気体層
W 水
30 水供給装置
40 水供給管
40A 水供給管
40B 水供給管
40C 水供給管
50 気体層
W 水
Claims (1)
- 外部から水を供給することにより熱交換器を冷却する水供給管と、
該水供給管において、該水供給管内部の水の凍結時に最も遅く凍結する部位に設けられた気体層と、
を含んで構成されることを特徴とする水供給管凍結時破損防止構造。
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JP (1) | JP2022024908A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20210207891A1 (en) * | 2018-09-28 | 2021-07-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Water-spraying cooling device |
DE102023101444A1 (de) | 2022-02-21 | 2023-08-24 | Shimano Inc. | Steuervorrichtung für ein muskelkraftbetriebenes fahrzeug |
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2020
- 2020-07-28 JP JP2020127741A patent/JP2022024908A/ja active Pending
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