JP2022024908A - 水供給管凍結時破損防止構造 - Google Patents

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。

特開２０１４－０７０７８０号公報 特開２０１８－１７８７４２号公報

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。

第１実施形態に係る水供給管を備える水供給装置を含む燃料電池システムの構成を模式的に車両側面視で示す図である。 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を示す車両後方向側から見た正面図である。 図２のＡ－Ａ線における断面図である。 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を示す車両後方向側から見た正面図である。 従来の水供給管を示す車両後方向側から見た正面図である。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (1)

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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