JP2022178998A - 水散布冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器に水を散布し、熱交換器の冷却能力を向上させる水散布冷却装置において、熱交換器に均一に水を供給する。【解決手段】予め定められた送風方向Ｗへ流れる空気と内部を流通する冷却水との間で熱交換を行うラジエータ１３に対し、送風方向Ｗの上流側から水を散布する散布装置２０を備え、散布装置２０は、ラジエータ１３に散布される水を供給する複数の供給孔２０６を有する水供給管２０１と、複数の供給孔２０６のそれぞれに対応して設けられるとともに、供給孔２０６から重力方向下側に延びるように形成されて、供給孔２０６から供給される水を誘導するガイド部２０７、２０８と、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向の下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制する乱れ抑制部２０１ａと、を含んでいる。【選択図】図５

Description

本発明は、熱交換器に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散布冷却装置に関する。

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為の熱交換器（例えば、ラジエータ）に水を散布する水散布冷却装置が用いられている。例えば特許文献１に記載された水散布冷却装置は、熱交換器に散布される水を供給する供給孔を有する水供給部と、供給孔から重力方向下側に延びるように形成されるとともに、供給孔から供給される水を誘導するガイド部と、を備えている。そして、供給孔は複数設けられており、ガイド部は複数の供給孔のそれぞれに対応して設けられている。

特開２０２０－５６５６４号公報

しかしながら、従来の水散布冷却装置では、熱交換器を通過する外部流体（例えば、冷却風）が水供給部に当たることによって、外部流体の流れが乱されて一様流れを保てなくなる可能性がある。その結果、供給孔から流出した水滴がガイドから均一に離脱せず、熱交換器の熱交換面に均一に供給されなくなる。

本発明は、上記点に鑑みて、熱交換器に水を散布し、熱交換器の冷却能力を向上させる水散布冷却装置において、熱交換器に均一に水を供給することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の水散布冷却装置は、予め定められた送風方向へ流れる空気と内部を流通する熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１３）に対し、送風方向の上流側から水を散布する散布装置（２０）を備え、
散布装置は、
熱交換器に散布される水を供給する複数の供給孔（２０６）を有する水供給部（２０１）と、
複数の供給孔のそれぞれに対応して設けられるとともに、供給孔から重力方向下側に延びるように形成されて、供給孔から供給される水を誘導するガイド部（２０７、２０８）と、
ガイド部の先端部における送風方向の下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制する乱れ抑制部（２０１ａ、２０７、２０８）と、を含んでいる。

これによれば、乱れ抑制部（２０１ａ、２０７、２０８）を設けることで、水供給部（２０１）の存在によりガイド部（２０７、２０８）の先端部（２０７ａ、２０８ａ）における送風方向（Ｗ）の下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制できる。その結果、ガイド部（２０７、２０８）の先端部（２０７ａ、２０８ａ）から熱交換器（１３）に水を均一に供給することができる。

また、請求項１０に記載の水散布冷却装置は、予め定められた送風方向へ流れる空気と内部を流通する熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１３）に対し、送風方向の上流側から水を散布する散布装置（２０）を備え、
散布装置は、
熱交換器に散布される水を供給する複数の供給孔（２０６）を有する水供給部（２０１）と、
複数の供給孔のそれぞれに対応して設けられるとともに、供給孔から重力方向下側に延びるように形成されて、供給孔から供給される水を誘導するガイド部（２０７、２０８）と、
ガイド部に設けられるとともに、供給孔から供給された水を誘導する溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）と、を備え、
ガイド部の延設方向及び送風方向の双方に直交する方向を、幅方向としたとき、
溝部における幅方向の寸法は、供給孔の直径寸法以上である。

これによれば、ガイド部（２０７、２０８）の溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）における幅方向の寸法（Ｗｇ）を供給孔（２０６）の直径寸法以上とすることで、溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）の体積が大きくなる。このため、溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）から外部に露出する水滴の体積が小さくなる。これにより、ガイド部（２０７、２０８）の先端部（２０７ａ、２０８ａ）における送風方向（Ｗ）の下流側において、乱れた空気流れによって揺らぐ水滴の量を低減できる。その結果、ガイド部（２０７、２０８）の先端部（２０７ａ、２０８ａ）から熱交換器（１３）に水を均一に供給することができる。

また、請求項１１に記載の水散布冷却装置は、予め定められた送風方向へ流れる空気と内部を流通する熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１３）に対し、送風方向の上流側から水を散布する散布装置（２０）を備え、
散布装置は、
熱交換器に散布される水を供給する複数の供給孔（２０６）を有する水供給部（２０１）と、
複数の供給孔のそれぞれに対応して設けられるとともに、供給孔から重力方向下側に延びるように形成されて、供給孔から供給される水を誘導するガイド部（２０７、２０８）と、
ガイド部に設けられるとともに、供給孔から供給された水を誘導する溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）と、を備え、
溝部における送風方向の寸法は、供給孔の半径寸法以上、水供給部の板厚寸法未満である。

これによれば、ガイド部（２０７、２０８）の溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）における送風方向（Ｗ）の寸法（Ｌｇ）を、供給孔（２０６）の半径寸法以上、水供給部（２０１）の板厚寸法未満とすることで、溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）の体積が大きくなる。このため、溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）から外部に露出する水滴の体積が小さくなる。これにより、ガイド部（２０７、２０８）の先端部（２０７ａ、２０８ａ）における送風方向（Ｗ）の下流側において、乱れた空気流れによって揺らぐ水滴の量を低減できる。その結果、ガイド部（２０７、２０８）の先端部（２０７ａ、２０８ａ）から熱交換器（１３）に水を均一に供給することができる。

尚、この欄及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ものである。

第１実施形態における燃料電池システムを示す全体構成図である。 第１実施形態における散布装置を示す正面図である。 第１実施形態における散布装置の一部を拡大した斜視図である。 図２のＩＶ－ＩＶ断面図である。 第１実施形態におけるラジエータ及び散布装置を示す側面図である。 第１実施形態における水供給管の周囲の送風空気流れを説明するための説明図である。 比較例における水供給管の周囲の送風空気流れを説明するための説明図である。 第２実施形態におけるラジエータ及び散布装置を示す側面図である。 第２実施形態における散布装置を示す正面図である。 第２実施形態における水供給管の周囲の送風空気流れを説明するための説明図である。 第３実施形態におけるガイド部を示す断面図である。 比較例におけるガイド部を示す断面図である。 第４実施形態におけるガイド部を示す断面図である。 比較例におけるガイド部を示す断面図である。 第５実施形態におけるガイド部を示す断面図である。 比較例におけるガイド部を示す断面図である。 第６実施形態における散布装置の一部を拡大した正面図である。 比較例における散布装置の一部を拡大した正面図である。 図１８のＸＩＸ－ＸＩＸ断面図である。 比較例におけるラジエータ及び散布装置を示す側面図である。 図１７のＸＸＩ－ＸＸＩ断面図である。 第６実施形態におけるラジエータ及び散布装置を示す側面図である。 他の実施形態（２）における水供給管の周囲の送風空気流れを説明するための説明図である。 他の実施形態（３）におけるガイド部を示す断面図である。 他の実施形態（３）におけるガイド部を示す断面図である。 他の実施形態（４）におけるガイド部を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。尚、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、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本第１実施形態においては、本発明に係る水散布冷却装置を、燃料電池システム１の散布装置２０に適用している。第１実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に搭載されている。そして、第１実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２にて生じた電力を、図示しないインバータを介して、走行用モータ等の車載機器等に供給するように構成されている。

以下の各図における上下、左右、前後を示す矢印は、電気自動車のシートに座った乗員からの視点を基準として示している。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、冷却水回路１０とを有している。燃料電池２は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。燃料電池２は、多数のセルが積層されたスタック構造となっている。各セルは、電解質膜を一対の電極で挟み込んで形成されている。

燃料電池２は、水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生する。具体的に説明すると、燃料電池２には、空気通路３を介して、酸素を含む空気が供給される。空気通路３には、図示しないエアポンプが配置されており、エアポンプの作動によって空気を圧送して、燃料電池２に供給している。また、燃料電池２には、水素通路４を介して水素が供給される。

そして、燃料電池２では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。当該電気化学反応に用いられなかった未反応の酸素及び水素は、排気ガス及び排気水素として燃料電池２から排出される。
（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ
電気化学反応の為には、燃料電池２内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。燃料電池システム１は、燃料電池２に供給される空気及び水素、若しくは何れか一方に加湿を行い、これらの加湿されたガスを燃料電池２に供給することで、燃料電池２内の電解質膜を加湿するように構成されている。

また、燃料電池２では、発電の際の電気化学反応により熱及び水分が発生する。燃料電池２内部で生じた生成水は、排気ガスに含まれた状態で、燃料電池２の外部に排出される。

燃料電池２の発電効率を考慮すると、燃料電池２は、燃料電池システム１が作動している間、一定温度（例えば８０℃程度）に維持されている必要がある。また、燃料電池２内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破壊されてしまう。この為、燃料電池２の温度が許容温度以下となるようにしておく必要がある。

図１に示すように、燃料電池システム１には、燃料電池２の温度を一定の許容範囲内に維持するために、冷却水回路１０が配置されている。燃料電池システム１は、熱媒体としての冷却水を用いて、燃料電池２を冷却して燃料電池２の温度を制御している。

尚、熱媒体である冷却水としては、低温時における凍結を防止する為に、例えば、エチレングリコールと水の混合溶液を用いることができる。

冷却水回路１０は、冷却水循環流路１１と、ウォータポンプ１２と、ラジエータ１３と、送風ファン１４とを有して構成されている。冷却水回路１０は、燃料電池２とラジエータ１３の間で冷却水を循環させることで、燃料電池２で発生した熱を系外へ放出するように構成されている。

冷却水循環流路１１は、熱媒体である冷却水が流れる流路であり、燃料電池２とラジエータ１３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１２は、冷却水循環流路１１に配置されており、冷却水を圧送することで、冷却水循環流路１１の内部において冷却水を循環させている。

ラジエータ１３は、燃料電池２で発生した熱を系外に放熱するように構成されており、本発明における熱交換器として機能する。ラジエータ１３は、熱交換部と、上部タンクと、下部タンクとを有して構成されている。

ラジエータ１３の熱交換部は、冷却水循環流路１１に接続された上部タンク及び下部タンクの間に配置された複数のチューブ及びフィンによって構成されている。ラジエータ１３の熱交換部は、各チューブの内部を流通する冷却水と電気自動車の前方から後方へ向かう送風方向Ｗに流れる空気とを熱交換させる。

燃料電池システム１においては、冷却水回路１０の冷却水は、燃料電池２を流れる過程で、電気化学反応で発生した熱を吸熱して流出し、冷却水循環流路１１を介して、ラジエータ１３へ流入する。ラジエータ１３では、冷却水と送風空気との熱交換が行われ、冷却水の熱が送風空気に放熱される。その後、冷却水は、ラジエータ１３から燃料電池２へ向かって流れ、冷却水回路１０の冷却水循環流路１１を循環する。

即ち、ラジエータ１３は、熱媒体としての冷却水との熱交換によって、燃料電池２の電気化学反応で生じた熱を放熱して、燃料電池２を冷却している。

また、ラジエータ１３の後方側には、送風ファン１４が配置されており、送風方向Ｗへ向かう空気の流れをつくりだしている。従って、送風ファン１４は、ラジエータ１３における熱交換を補助している。送風ファン１４の周囲には、ファンシュラウド１５が配置されており、送風ファン１４の送風性能を向上させている。

尚、ラジエータ１３を通過する送風方向Ｗの空気の流れは、送風ファン１４の作動による流れに限定されるものではなく、電気自動車の走行時に生じる走行風を利用することも可能であるし、両者を併用することもできる。

燃料電池システム１では、冷却水回路１０における冷却水の温度制御は、後述する制御装置３０によって、ウォータポンプ１２による流量制御、送風ファン１４の送風量制御を行うことで実現される。

燃料電池システム１において、燃料電池２による発電の際に発生した生成水は、燃料電池２から空気通路３を介して、空気に含まれた状態（即ち、気液二相状態）で排出される。この為、空気通路３における燃料電池２の下流側には、気液分離器５が配置されている。

気液分離器５は、燃料電池２での発電の際に発生した生成水を、空気通路３から排出された空気と共に回収し、水蒸気と水に分離する。そして、気液分離器５で分離された水蒸気は、燃料電池システム１の外部に排出される。

一方、気液分離器５で分離された水は、凝縮により温度が下げられた状態で気液分離器５の内部に回収されて蓄えられる。気液分離器５の内部に蓄えられた水は、燃料電池２の電解質膜に対する加湿と、ラジエータ１３の冷却に用いられる。

気液分離器５には、加湿用流路１６と散布用流路１７が接続されている。加湿用流路１６は、気液分離器５に蓄えられた水を燃料電池２の電解質膜の加湿に用いる為の流路である。加湿用流路１６は、空気通路３及び水素通路４における燃料電池２の上流側に伸びており、燃料電池２に供給される空気及び水素の加湿に用いられる。

燃料電池システム１は、空気通路３及び水素通路４を介して、燃料電池２の電解質膜を加湿して湿潤状態とすることで、燃料電池２における電気化学反応を安定させることができる。

そして、散布用流路１７は、気液分離器５に蓄えられた水をラジエータ１３の冷却に用いる為の流路である。散布用流路１７は、電気自動車におけるラジエータ１３の前方側まで伸びている。

散布用流路１７には、散布用ポンプ１８と散布装置２０が配置されている。散布装置２０は、ラジエータ１３に対して送風方向Ｗの上流側において、散布用流路１７の先端部に接続されており、気液分離器５に蓄えられた水をラジエータ１３に散布する。即ち、散布装置２０は、水散布冷却装置の散布装置として機能する。

散布装置２０は、電気自動車におけるラジエータ１３の前方側（即ち、送風方向Ｗにおけるラジエータ１３の上流側）に配置されている。ラジエータ１３と散布装置２０との間には、所定の隙間が設けられている。散布装置２０は、ラジエータ１３や図示しない車体等に固定することができる。散布装置２０の具体的な構成については後述する。

散布装置２０による水の散布により、水の蒸発潜熱を利用してラジエータ１３の冷却能力を向上させることができる。そして、ラジエータ１３の冷却能力を向上させることで、燃料電池２による発電能力を向上させることができる。

そして、散布用ポンプ１８は、散布用流路１７にて気液分離器５と散布装置２０との間に配置された電動式ポンプである。散布用ポンプ１８は、気液分離器５内に蓄えられた水を吸込み、散布装置２０へ向かって圧送する。

図１に示すように、燃料電池システム１には、制御装置３０が配置されている。制御装置３０は、燃料電池システム１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。制御装置３０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３０は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムに基づいて、燃料電池システム１の作動を制御することができる。

制御装置３０の入力側には、燃料電池２及び図示しない水温センサが接続されている。従って、制御装置３０は、燃料電池２の出力や水温センサで検出された冷却水温度を取得することができる。また、制御装置３０の出力側には、ウォータポンプ１２、送風ファン１４、散布用ポンプ１８等の各制御対象機器が接続されている。

続いて、第１実施形態に係る散布装置２０の具体的構成について、図２～図６を参照しつつ詳細に説明する。上述したように、散布装置２０は、散布用流路１７の端部に接続されており、ラジエータ１３に対する送風方向Ｗの上流側にて、ラジエータ１３の上部と対向するように配置されている。散布装置２０は、例えば樹脂材料や金属材料によって構成することができる。

図２及び図３に示すように、散布装置２０には、水供給部である水供給管２０１が設けられている。水供給管２０１は、中空状部材として構成されている。

水供給管２０１には、内部に水を流入させる流入口２０５が設けられている。流入口２０５は散布用流路１７の端部に接続されている。流入口２０５から水供給管２０１に流入した水は、水供給管２０１の端部に向かって流れる。

水供給管２０１には、内部の水を外部に供給するための供給孔２０６が設けられている。水供給管２０１には、複数の供給孔２０６が所定間隔で配置されている。供給孔２０６の孔径は、水供給管２０１から水を均一に噴出できる大きさに設定されている。

水供給管２０１には、ガイド部２０７、２０８が設けられている。ガイド部２０７、２０８は、供給孔２０６から供給される水を供給孔２０６から離れた位置まで誘導する。

ガイド部２０７、２０８は、供給孔２０６から重力が作用する方向の下方に向かって延びるように設けられている。すなわち、ガイド部２０７、２０８は、供給孔２０６から重力方向下側に延びるように形成されている。このため、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａは、供給孔２０６よりも重力方向下方に位置している。ガイド部２０７、２０８は、複数の供給孔２０６のそれぞれに対応して設けられている。

ガイド部２０７、２０８は、ガイド部２０７、２０８の延設方向及び送風方向Ｗの双方に直行する方向である配置方向（即ち、左右方向）に、複数並んで配置されている。複数のガイド部２０７、２０８は互いに交わらないように並列して配置されている。複数のガイド部２０７、２０８は、櫛状に配置されている。

図３に示すように、ガイド部２０７、２０８は、板面が送風方向Ｗに沿って配置された板状部材となっている。図４に示すように、ガイド部２０７、２０８の断面形状は、長方形となっている。

図２及び図３に示すように、ガイド部２０７、２０８には、溝部２０７ｂ、２０８ｂが設けられている。溝部２０７ｂ、２０８ｂは、ガイド部２０７、２０８における送風方向Ｗの下流側に設けられている。

溝部２０７ｂ、２０８ｂの一端側は、供給孔２０６に接続して設けられており、供給孔２０６から供給された水をガイド部２０７、２０８に誘導する。溝部２０７ｂ、２０８ｂの他端側は、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａまで設けられている。つまり、溝部２０７ｂ、２０８ｂは、ガイド部２０７、２０８の最下端まで設けられている。

図４に示すように、本実施形態の溝部２０７ｂ、２０８ｂは、ガイド部２０７、２０８の延設方向に直交する断面形状がＵ字状となっている。ガイド部２０７、２０８の延設方向は、ガイド部２０７、２０８における供給孔２０６との接続部と、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａとを結ぶ方向であり、図４の紙面垂直方向である。

図３に示すように、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａは、鋭利な形状となっている。即ち、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａは、延設方向に交わる断面の面積が先端に向かって小さくなっている。換言すると、ガイド部２０７、２０８は、延設方向に交わる断面の面積が先端部２０７ａ、２０８ａで最も小さくなっている。

本実施形態では、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａにおける送風方向Ｗの下流側の角部が鋭角になっている。このため、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａにおける溝部２０７ｂ、２０８ｂが設けられている側の角が鋭角になっている。また、ガイド部２０７、２０８における溝部２０７ｂ、２０８ｂが設けられている側の角がガイド部２０７、２０８の最下端部になる。つまり、ガイド部２０７、２０８の延設方向に交わる断面の面積は、先端部２０７ａ、２０８ａにおける溝部２０７ｂ、２０８ｂが設けられている部位で最も小さくなっている。

図５に示すように、供給孔２０６から供給される水は、重力と溝部２０７ｂ、２０８ｂによって生じる表面張力によって、ガイド部２０７、２０８を伝って下方に移動し、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａまで誘導される。ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａまで移動した水は、液滴に成長する前に走行風によってガイド部２０７、２０８から離脱し、ラジエータ１３の表面に散布される。

ガイド部２０７、２０８からラジエータ１３の表面に水を均一に散布するためには、隣接するガイド部２０７、２０８をできるだけ近づけて配置することが望ましい。一方、隣接するガイド部２０７、２０８が近すぎると、隣接するガイド部２０７、２０８から散布される水が結合して大きな液滴になりやすい。このため、隣接するガイド部２０７、２０８の間隔は、隣接するガイド部２０７、２０８から供給される水同士が結合しない距離に設定することが望ましい。

本実施形態では、長さが異なる複数種類のガイド部２０７、２０８が設けられている。ガイド部２０７、２０８には、第１ガイド部２０７と、第１ガイド部２０７よりも長い第２ガイド部２０８とが含まれている。

第１ガイド部２０７と第２ガイド部２０８は交互に設けられているため、隣接するガイド部２０７、２０８は長さが異なっている。隣接するガイド部２０７、２０８は長さが異なる構成は、隣接するガイド部２０７、２０８の長さが同じである構成に比べて、隣接するガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａの間隔が大きくなる。このため、隣接するガイド部２０７、２０８が近接配置された場合であっても、隣接するガイド部２０７、２０８から散布される水が結合しにくい。

ここで、図６に示すように、水供給管２０１における送風方向Ｗの上流側の端部を、水供給管２０１の上流端部２０１ａという。

水供給管２０１の上流端部２０１ａは、送風方向Ｗ及びガイド部２０７、２０８の延設方向の双方に垂直な方向（即ち、左右方向）における断面形状が送風方向Ｗの上流側に向かって寸法が小さくなるように形成されている。つまり、水供給管２０１の上流端部２０１ａは、送風方向Ｗの上流側に向かってガイド部２０７、２０８の延設方向（即ち、上下方向）の寸法が小さくなるように形成されている。本実施形態では、水供給管２０１の上流端部２０１ａは、左右方向における断面形状が送風方向Ｗの上流側に向かって膨らんだ円弧状に形成されている。

このように、水供給管２０１の上流端部２０１ａを断面円弧状とすることで、図６の矢印に示すように、水供給管２０１の周囲を流れる送風空気が水供給管２０１の外表面から剥離せず、水供給管２０１の外表面に沿って流れる。これにより、水供給管２０１を設けることに起因してガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制できる。

従って、本実施形態における水供給管２０１の上流端部２０１ａは、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制する乱れ抑制部に相当する。換言すると、本実施形態の水散布冷却装置は、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制する乱れ抑制部として、断面円弧状の上流端部２０１ａを備えている。

続いて、上述のように構成された燃料電池システム１の作動を説明する。まず、空気通路３及び水素通路４を介して、燃料電池２に空気及び水素が供給されることにより、燃料電池２では電気エネルギが発生する。燃料電池２にて発生した電力は、走行用モータ等に供給される。

燃料電池２では、発電に伴って電気化学反応による熱が生じる。燃料電池２にて発生した熱は、冷却水循環流路１１内を循環する冷却水に伝えられ、冷却水はラジエータ１３にて、送風方向Ｗへ流れる空気と熱交換することで冷却される。ラジエータ１３にて冷却された冷却水は、燃料電池２に再循環し、燃料電池２が冷却される。これにより、燃料電池２は発電に適した一定温度（例えば、８０℃程度）に維持される。

図１に示すように、燃料電池２に供給された空気及び水素のうち、電気化学反応に用いられなかった未反応ガスは、排気ガスとして燃料電池２から排出される。燃料電池２内にて電気化学反応で生じた生成水は、排気ガス中に含まれた状態で燃料電池２から排出される。燃料電池２の空気通路３より排出された排気ガスは、気液分離器５に導入される。排気ガス中に含まれる水分は、気液分離器５にて分離されて貯留される。

気液分離器５に貯留された回収水の一部は、加湿用流路１６を介して空気通路３及び水素通路４に供給され、空気及び水素の加湿に用いられる。これにより、燃料電池システム１は、燃料電池２に加湿された空気及び水素を供給することができ、燃料電池２内部の電解質膜を加湿して電気化学反応を促進することができる。

また、気液分離器５に貯蔵された回収水の一部は、散布用ポンプ１８により予め定められた供給圧で圧送され、散布用流路１７を介して散布装置２０に供給される。図５に示すように、散布装置２０では、水供給管２０１の供給孔２０６から供給された水がガイド部２０７、２０８によって誘導され、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａから離脱する。ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａから離脱した水は、落下しながら送風方向Ｗの下流側に移動してラジエータ１３の熱交換部に散布される。

ラジエータ１３に散布された水はラジエータ１３の表面で蒸発し、蒸発潜熱によりラジエータ１３が冷却される。これにより、ラジエータ１３の冷却能力を向上させることができる。

以上説明したように、本実施形態の水散布冷却装置は、供給孔２０６から供給される水を供給孔２０６から離れた位置まで誘導するガイド部２０７、２０８を備えている。これにより、供給孔２０６から供給される水が大きな液滴に成長する前にラジエータ１３に水を散布することができる。

ここで、比較例として、図７に示すように、水供給管２０１の上流端部２０１ａを、送風方向Ｗに垂直な平面状に形成した水散布冷却装置が考えられる。尚、図７に示す水散布冷却装置では、上流端部２０１ａに送風方向の上流側に向けて突出した凸部を２０１ｂ設けている。

比較例の水散布冷却装置では、水供給管２０１の存在により、水供給管２０１の周囲を流れる送風空気が水供給管２０１の外表面から剥離して、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側に巻き込み流れが生じる。このため、ガイド部２０７、２０８の先端部から流出した水滴が巻き込み流れの影響を受け、ラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することができない可能性がある。

一方、本実施形態の水散布冷却装置は、図６に示すように、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制する乱れ抑制部を備えている。具体的には、本実施形態の水散布冷却装置は、乱れ抑制部として、水供給管２０１の上流端部２０１ａを、左右方向における断面形状が送風方向Ｗの上流側に向かって寸法が小さくなるように形成している。

これによれば、水供給管２０１の周囲を流れる送風空気が水供給管２０１の外表面から剥離せず、水供給管２０１の外表面に沿って流れる。このため、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側に生じる巻き込み流れの規模を小さくすることができる。即ち、水供給管２０１の存在によりガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａにおける送風方向Ｗの下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制できる。その結果、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａからラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８～図１０に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、水供給管２０１の配置及び第１ガイド部２０７の延設方向の長さ等を変更している。

図８及び図９に示すように、本実施形態の水散布冷却装置では、水供給管２０１は、ラジエータ１３における熱交換面１３ａの重力方向上方側の端部１３ｂよりも重力方向上方側に配置されている。ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａは、ラジエータ１３における熱交換面１３ａの重力方向上方側の端部１３ｂよりも重力方向下方側に位置している。このとき、第１ガイド部２０７の延設方向の長さＬ１、及び第２ガイド部２０８の延設方向の長さＬ２の各々が２０ｍｍ以上である。

以上説明したように、本実施形態の水散布冷却装置によれば、ガイド部２０７、２０８における延設方向の長さ寸法を長くすることができる。このため、図１０に示すように、水供給管２０１の周囲を流れる送風空気が水供給管２０１の外表面から剥離して巻き込み流れが生じた場合でも、当該巻き込み流れとガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａとの距離を離すことができる。このため、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａを、巻き込み流れの影響を受けない位置に配置することができる。その結果、巻き込み流れの影響を受けない位置から、ラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１１及び図１２に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、ガイド部２０７、２０８の溝部２０７ｂ、２０８ｂの形状を変更している。尚、図１１及び図１２は、第１実施形態で説明した図４に対応する図面である。

以下、ガイド部２０７、２０８の延設方向及び送風方向Ｗの双方に直交する方向を、幅方向という。幅方向は、左右方向に平行である。また、ガイド部２０７、２０８の溝部２０７ｂ、２０８ｂにおける幅方向の寸法を、溝幅Ｗｇという。また、溝部２０７ｂ、２０８ｂにおける送風方向Ｗの寸法を、溝長さＬｇという。

図１１に示すように、本実施形態の水散布冷却装置では、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇを長くしている。具体的には、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇを、供給孔２０６の直径寸法以上としている。

さらに、本実施形態の水散布冷却装置では、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝長さＬｇを長くしている。具体的には、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝長さＬｇを、供給孔２０６の半径寸法以上、水供給管２０１の板厚寸法未満としている。

ここで、比較例として、図１２に示すように、ガイド部２０７、２０８における溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇ及び溝長さＬｇの双方を短くした水散布冷却装置が考えられる。具体的には、比較例の水散布冷却装置では、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇを、供給孔２０６の直径寸法より短くしている。さらに、比較例の水散布冷却装置では、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝長さＬｇを、供給孔２０６の半径寸法より短くしている。

比較例の水散布冷却装置では、ガイド部２０７、２０８における溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇ及び溝長さＬｇの双方が短いので、溝部２０７ｂ、２０８ｂの体積が小さくなる。このため、溝部２０７ｂ、２０８ｂから外部に露出する水滴の体積が大きくなる。その結果、ガイド部２０７、２０８の周囲を流れる送風空気がガイド部２０７、２０７の外表面から剥離した場合に、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する乱れた空気流れにより水滴が揺らぎやすくなる。これにより、供給孔２０６から供給される水がガイド部２０７、２０８から均一に離脱せず、ラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することが困難となる。

これに対し、本実施形態の水散布冷却装置では、ガイド部２０７、２０８における溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇ及び溝長さＬｇの双方を長くしている。このため、溝部２０７ｂ、２０８ｂの体積が大きくなり、溝部２０７ｂ、２０８ｂから外部に露出する水滴の体積が小さくなる。その結果、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａにおける送風方向Ｗの下流側において、乱れた空気流れによって揺らぐ水滴の量（即ち、水滴の体積）を低減できる。その結果、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａからラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１３及び図１４に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、ガイド部２０７、２０８の形状を変更している。尚、図１３及び図１４は、第１実施形態で説明した図４に対応する図面である。

図１３に示すように、本実施形態の水散布冷却装置では、ガイド部２０７、２０８の送風方向の上流側端部におけるガイド部２０７、２０８の延設方向に垂直な断面形状を、送風方向Ｗの上流側に向かって寸法が小さくなるように形成している。具体的には、ガイド部２０７、２０８の送風方向の上流側端部におけるガイド部２０７、２０８の延設方向に垂直な断面形状を、送風方向Ｗの上流側に向かって膨らんだ円弧状としている。

ここで、比較例の水散布冷却装置では、図１４に示すように、ガイド部２０７、２０８の送風方向の上流側端部におけるガイド部２０７、２０８の延設方向に垂直な断面形状が、長方形状に形成されている。このため、ガイド部２０７、２０８の周囲を流れる送風空気がガイド部２０７、２０７の外表面から剥離して、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する空気流れが乱れてしまう。そして、この乱れた空気流れにより水滴が揺らいでしまい、供給孔２０６から供給される水がガイド部２０７、２０８から均一に離脱せず、ラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することが困難となる。

一方、本実施形態の水散布冷却装置では、図１３に示すように、ガイド部２０７、２０８の送風方向の上流側端部におけるガイド部２０７、２０８の延設方向に垂直な断面形状を、送風方向Ｗの上流側に向かって膨らんだ円弧状としている。これにより、ガイド部２０７、２０８の周囲を流れる送風空気がガイド部２０７、２０７の外表面から剥離することを抑制できる。

このため、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａにおける送風方向Ｗの下流側において空気流れが乱れることを抑制できるので、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａから供給される水滴の揺らぎを抑制できる。その結果、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａからラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することができる。尚、本実施形態におけるガイド部２０７、２０８の送風方向の上流側端部が、剥離抑制部及び乱れ抑制部に相当する。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１５及び図１６に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、ガイド部２０７、２０８の形状を変更している。尚、図１５及び図１６は、第１実施形態で説明した図４に対応する図面である。

図１３に示すように、本実施形態の水散布冷却装置では、ガイド部２０７、２０８における配置方向（即ち、左右方向）の長さＷａを短くしている。具体的には、ガイド部２０７、２０８における配置方向の長さＷａを、ガイドピッチＰｇの１／２以下としている。

ガイドピッチＰｇとは、複数のガイド部２０７、２０８の配置周期である。即ち、ガイドピッチＰｇとは、同一種類のガイド部２０７、２０８同士の繰り返しの周期である。例えば、ガイドピッチＰｇを、任意のガイド部２０７、２０８の配置方向の中央部から隣り合う同一種類のガイド部２０７、２０８における配置方向の中央部までの距離とすることができる。

ここで、比較例の水散布冷却装置では、図１６に示すように、ガイド部２０７、２０８における配置方向の長さＷａが、ガイドピッチＰｇの１／２より長い。このため、ガイド部２０７、２０８の周囲を流れる送風空気がガイド部２０７、２０７の外表面から剥離して、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する空気流れが乱れてしまう。そして、この乱れた空気流れにより水滴が揺らいでしまい、供給孔２０６から供給される水がガイド部２０７、２０８から均一に離脱せず、ラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することが困難となる。

これに対し、本実施形態の水散布冷却装置では、図１５に示すように、ガイド部２０７、２０８における配置方向の長さＷａを、ガイドピッチＰｇの１／２以下としている。これにより、ガイド部２０７、２０８の周囲を流れる送風空気がガイド部２０７、２０７の外表面から剥離することを抑制できる。

このため、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａにおける送風方向Ｗの下流側において空気流れが乱れることを抑制できるので、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａから供給される水滴の揺らぎを抑制できる。その結果、ガイド部２０７、２０８の先端部２０７ａ、２０８ａからラジエータ１３の熱交換部に水を均一に散布することができる。尚、本実施形態におけるガイド部２０７、２０８が、剥離抑制部及び乱れ抑制部に相当する。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１７～図２２に基づいて説明する。本実施形態では、第１実施形態に対して、ガイド部２０７、２０８の構成を変更している。

図１７に示すように、本実施形態の水散布冷却装置では、複数のガイド部２０７、２０８における延設方向の長さを互いに等しくしている。即ち、水供給管２０１に接続される全てのガイド部２０７、２０８は、延設方向の長さが互いに等しい。

ここで、比較例の水散布冷却装置では、図１８に示すように、隣り合うガイド部２０７、２０８における延設方向の長さが互いに異なっている。このため、図１９に示すように、延設方向の長さ寸法が長い第２ガイド部２０８の存在により、第１ガイド部２０７の周囲を流れる送風空気の風速が増加してしまう。そして、第１ガイド部２０７の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する空気の流れが乱れてしまう。このため、図２０に示すように、第１ガイド部２０７の先端部からラジエータ１３の熱交換面１３ａに供給される水滴の濡れ面積が小さくなる可能性がある。

これに対し、本実施形態の水散布冷却装置では、複数のガイド部２０７、２０８における延設方向の長さを互いに等しくしている。このため、図２１に示すように、第２ガイド部２０８の周囲を流れる送風空気の風速が増加することを抑制できる。これにより、ガイド部２０７、２０８の先端部における送風方向Ｗの下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制でできる。そして、図２２に示すように、ガイド部２０７、２０８の先端部からラジエータ１３の熱交換面１３ａに供給される水滴の濡れ面積を増大することができる。尚、本実施形態におけるガイド部２０７、２０８が、隣り合うガイド部２０７、２０８間を通過する空気の流速を低減する流速低減部、及び乱れ抑制部に相当する。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（１）上記各実施形態では、本発明の水散布冷却装置を燃料電池用のラジエータ１３に水を散布する散布装置２０に適用した例について説明したが、本発明の水散布冷却装置を他の用途に用いてもよい。本発明の水散布冷却装置は、例えば内燃機関冷却用のラジエータに水を散布する用途に用いてもよく、あるいは冷凍サイクル装置の凝縮器に水を散布する用途に用いてもよい。

（２）上記第１実施形態では、水供給管２０１の上流端部２０１ａを、左右方向における断面形状が送風方向Ｗの上流側に向かって膨らんだ円弧状となるように形成した例について説明した。しかしながら、水供給管２０１の上流端部２０１ａの形状はこの態様に限定されない。例えば、図２３に示すように、水供給管２０１の上流端部２０１ａを、左右方向における断面形状が三角形状となるように形成してもよい。

（３）上記第３実施形態では、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇを供給孔２０６の直径寸法以上とするとともに、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝長さＬｇを供給孔２０６の半径寸法以上、水供給管２０１の板厚寸法未満とした例について説明した。しかしながら、溝部２０７ｂ、２０８ｂの形状はこの態様に限定されない。

例えば、図２４に示すように、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇを供給孔２０６の直径寸法以上とするとともに、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝長さＬｇを供給孔２０６の半径寸法より小さくしてもよい。また、図２５に示すように、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝幅Ｗｇを供給孔２０６の直径寸法より小さくするとともに、溝部２０７ｂ、２０８ｂの溝長さＬｇを供給孔２０６の半径寸法以上、水供給管２０１の板厚寸法未満としてもよい。

（４）上記第４実施形態では、ガイド部２０７、２０８の送風方向の上流側端部におけるガイド部２０７、２０８の延設方向に垂直な断面形状を、送風方向Ｗの上流側に向かって膨らんだ円弧状とした例について説明した。しかしながら、ガイド部２０７、２０８の形状はこの態様に限定されない。例えば、図２６に示すように、ガイド部２０７、２０８の送風方向の上流側端部におけるガイド部２０７、２０８の延設方向に垂直な断面形状を、三角形状としてもよい。

（５）上記第６実施形態では、流速低減部として、延設方向の長さを互いに等しくした複数のガイド部２０７、２０８を採用した例について説明したが、この態様に限定されない。例えば、ガイド部２０７、２０８のガイドピッチＰｇを大きくすることで、隣り合うガイド部２０７、２０８間を通過する空気の流速を低減させてもよい。

（６）上記各実施形態では、水供給管２０１、２０２のガイド部２０７、２０８を重力方向に平行となるように設けたが、これに限らず、ガイド部２０７、２０８は重力方向に対して傾斜していてもよい。複数のガイド部２０７、２０８の重力方向に対する角度は同一でもよく、異なっていてもよい。

（７）上記各実施形態では、散布装置２０に１本の水供給管２０１を設けた例について説明したが、これに限らず、散布装置２０に２本以上の水供給管を設けてもよい。

（８）上記第１～第５実施形態では、散布装置２０に長さが異なる２種類のガイド部２０７、２０８を設けたが、同一の長さの１種類のガイド部を設けてもよく、あるいは長さが異なる３種類以上のガイド部を設けてもよい。

（９）上記各実施形態では、複数の供給孔２０６のすべてにガイド部２０７、２０８を設けたが、これに限らず、少なくとも一部の供給孔２０６にガイド部２０７、２０８が設けられていればよい。つまり、ガイド部２０７、２０８が設けられていない供給孔２０６が存在してもよい。

１３ ラジエータ（熱交換器）
２０ 散布装置
２０１ 水供給管（水供給部）
２０１ａ 上流端部（乱れ抑制部）
２０６ 供給孔
２０７ 第１ガイド部（ガイド部）
２０８ 第２ガイド部（ガイド部）

Claims (11)

1. 予め定められた送風方向へ流れる空気と内部を流通する熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１３）に対し、前記送風方向の上流側から水を散布する散布装置（２０）を備え、
   前記散布装置は、
   前記熱交換器に散布される水を供給する複数の供給孔（２０６）を有する水供給部（２０１）と、
   前記複数の供給孔のそれぞれに対応して設けられるとともに、前記供給孔から重力方向下側に延びるように形成されて、前記供給孔から供給される水を誘導するガイド部（２０７、２０８）と、
   前記ガイド部の先端部における前記送風方向の下流側を通過する空気の流れが乱れることを抑制する乱れ抑制部（２０１ａ、２０７、２０８）と、を含んでいる水散布冷却装置。
2. 前記水供給部は、前記熱交換器における熱交換面（１３ａ）の重力方向上方側の端部（１３ｂ）よりも重力方向上方側に配置されており、
   前記ガイド部の先端部（２０７ａ、２０８ａ）は、前記熱交換面の重力方向上方側の端部よりも重力方向下方側に位置しており、
   前記乱れ抑制部は、前記ガイド部を含む請求項１に記載の水散布冷却装置。
3. 前記水供給部における前記送風方向の上流側の端部（２０１ａ）は、前記送風方向の上流側に向かって前記ガイド部の延設方向の寸法が小さくなるように形成されており、
   前記乱れ抑制部は、前記水供給部の前記上流側の端部を含む請求項１に記載の水散布冷却装置。
4. 前記ガイド部の延設方向の長さが２０ｍｍ以上であり、
   前記乱れ抑制部は、前記ガイド部を含む請求項１ないし３のいずれか１つに記載の水散布冷却装置。
5. 前記散布装置は、前記ガイド部における空気流れの剥離の発生を抑制する剥離抑制部（２０７、２０８）を含んでおり、
   前記乱れ抑制部は、前記剥離抑制部を含む請求項１に記載の水散布冷却装置。
6. 前記ガイド部の前記送風方向の上流側端部における前記ガイド部の延設方向に垂直な断面形状は、前記送風方向の上流側に向かって寸法が小さくなるように形成されており、
   前記剥離抑制部は、前記ガイド部を含む請求項５に記載の水散布冷却装置。
7. 前記ガイド部は、前記ガイド部の延設方向及び前記送風方向の双方に直行する方向である配置方向に、複数並んで配置されており、
   前記ガイド部における前記配置方向の長さ（Ｗａ）は、複数の前記ガイド部の配置周期であるガイドピッチ（Ｐｇ）の１／２以下であり、
   前記剥離抑制部は、前記ガイド部を含む請求項５に記載の水散布冷却装置。
8. 前記散布装置は、隣り合う前記ガイド部間を通過する空気の流速を低減する流速低減部（２０７、２０８）を含んでおり、
   前記乱れ抑制部は、前記流速低減部を含む請求項１に記載の水散布冷却装置。
9. 複数の前記ガイド部は、延設方向の長さが互いに等しく、
   前記流速低減部は、前記ガイド部を含む請求項８に記載の水散布冷却装置。
10. 予め定められた送風方向へ流れる空気と内部を流通する熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１３）に対し、前記送風方向の上流側から水を散布する散布装置（２０）を備え、
    前記散布装置は、
    前記熱交換器に散布される水を供給する複数の供給孔（２０６）を有する水供給部（２０１）と、
    前記複数の供給孔のそれぞれに対応して設けられるとともに、前記供給孔から重力方向下側に延びるように形成されて、前記供給孔から供給される水を誘導するガイド部（２０７、２０８）と、
    前記ガイド部に設けられるとともに、前記供給孔から供給された水を誘導する溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）と、を備え、
    前記ガイド部の延設方向及び前記送風方向の双方に直交する方向を、幅方向としたとき、
    前記溝部における幅方向の寸法（Ｗｇ）は、前記供給孔の直径寸法以上である水散布冷却装置。
11. 予め定められた送風方向へ流れる空気と内部を流通する熱媒体との間で熱交換を行う熱交換器（１３）に対し、前記送風方向の上流側から水を散布する散布装置（２０）を備え、
    前記散布装置は、
    前記熱交換器に散布される水を供給する複数の供給孔（２０６）を有する水供給部（２０１）と、
    前記複数の供給孔のそれぞれに対応して設けられるとともに、前記供給孔から重力方向下側に延びるように形成されて、前記供給孔から供給される水を誘導するガイド部（２０７、２０８）と、
    前記ガイド部に設けられるとともに、前記供給孔から供給された水を誘導する溝部（２０７ｂ、２０８ｂ）と、を備え、
    前記溝部における前記送風方向の寸法（Ｌｇ）は、前記供給孔の半径寸法以上、前記水供給部の板厚寸法未満である水散布冷却装置。

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