JP3656320B2 - エゼクタ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば燃料電池発電装置の燃料ガス供給系統等に用いられるエゼクタ装置、特にその駆動流体の流量制御を必要とするエゼクタ装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エゼクタは、高圧の流体をノズルから吹き出させることによって減圧し、圧力の低下によって他の流体を吸い込み、二つの流体を混合して混合流体を得るもので、例えば燃料電池発電装置では、外部より供給される原燃料を改質して燃料電池本体に供給する燃料ガス供給系統において、原燃料と高圧の水蒸気とを混合して改質器へ供給する混合気体を得る場合等に用いられている。
【０００３】
図３は、エゼクタの基本構成を簡略化して示す断面図で、（ａ）は全体の断面図、（ｂ）はノズルの拡大断面図である。
図３（ａ）において、高圧の流体、すなわち駆動流体は、左端の駆動流体供給管１５によりノズル１１へと導入される。ノズル１１は、図３（ｂ）に示したように入口側に比べて出口側の口径が小さく、出口側には狭いノズル喉部１１ａが形成されている。したがって、ノズル１１へ導入された駆動流体は、ノズル喉部１１ａで流速が急激に上昇して、図３（ａ）の混合部１４、ディフューザー１２へと放出されるので、これらの空間の圧力は低下する。このため、混合部１４へ連なる空間に連結された吸引流体供給管１６の連結部は圧力の低い吸引部１３となり、吸引流体が混合部１４へと吸引されて駆動流体と混合される。得られた混合流体は、ディフューザー１２を経て、右端の放出口１７より放出される。
【０００４】
図４は、従来より用いられているエゼクタ装置の駆動流体の流量制御構成の一例を示す模式図である。
本構成は、駆動流体のエゼクタ１の上流側に配した制御バルブ２、駆動流体の上流側の温度と圧力とを測定する温度計４と圧力計３、これらの出力を受けて制御バルブ２に制御信号を送る制御回路５とからなる。
【０００５】
本構成は、エゼクタ１の圧力損失が、その形状と駆動流体の流量ならびに温度によって定まることを用いて流量を測定するもので、駆動流体の流量ならびに温度が変動すると、対応して圧力損失が変動し、これに伴って上流側の圧力が変化するので、例えば温度が一定であれば、圧力計３で得られた駆動流体の圧力とそのときの制御バルブ２の弁の開度とは図５に示したような一義的な関係となる。図４の構成では、この関係に基づいて、圧力計３で得られた駆動流体の圧力と温度計４で得られた駆動流体の温度を制御回路５に送り、圧力を温度補正して流量を算出し、所要の流量となるよう制御バルブ２へ制御信号を送り、弁の開度を所定値に設定して流量を制御している。
【０００６】
また、エゼクタ装置の駆動流体の流量制御構成の他の例としては、図４の温度計４と圧力計３に替えて流量計を組み込み、直接駆動流体の流量を測定して制御バルブ２を制御する構成がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のエゼクタ装置では、駆動流体の圧力と温度を測定して流量を算出し制御バルブを制御する方法、あるいは直接流量を測定し制御バルブを制御する方法により、駆動流体の流量を制御している。したがって、エゼクタ１に不具合が生じないかぎり円滑な制御が行われることとなる。
【０００８】
しかしながら、例えば、燃料電池発電装置の燃料ガス供給系統に備えられる原燃料と高圧の水蒸気の混合用のエゼクタ装置においては、燃料電池本体へ冷却水を供給し排出される高温の二層流を回収して再循環する役割を果たす水蒸気分離器から得られる高圧の水蒸気を駆動流体とし、外部より供給される原燃料を吸引流体として、これらの混合流体を得ているが、水蒸気分離器には不足分を補うために反応生成水や燃焼生成水等の回収水、あるいは外部からの補給水が付加されるので、駆動流体としエゼクタ１に送られる高圧の水蒸気にも、例えばシリカ等の異物が混入する可能性がある。このように駆動流体に異物が混入したり不純物が含まれたりすると、エゼクタ１の流路断面積の極めて小さいノズル喉部１１ａへの異物の詰まりや不純物の堆積が生じて、実効流路断面積が減少する事態に至ることとなる。また、場合によっては、ノズル喉部１１ａが流体により削られて、実効流路断面積が増大することとなる。
【０００９】
このようにエゼクタ１に不具合が生じると、上述の駆動流体の圧力と温度を測定して流量を算出し制御バルブを制御する方法を用いているエゼクタ装置では、算出した流量と実流量とに差異が生じ、実効流路断面積が減少した場合には実流量が減少した状態で、また実効流路断面積が増大した場合には実流量が増大した状態で継続して運転されることとなり、吸引流体の流量の変化や、混合流体の流量、混合比等の二次的な変化の観測により、初めて駆動流体の流量の変化、エゼクタ１の不具合の発生が検知されることとなる。
【００１０】
また、上述の駆動流体の流量を直接測定し制御バルブを制御する方法を用いているエゼクタ装置では、上記のようにエゼクタ１に不具合が生じても所定の流量に対応した制御が行われることとなるが、実効流路断面積が過少、あるいは過大になると制御バルブでの流量制御は不可能となり、設定流量と差異を生じた状態で継続して運転されることとなる。
【００１１】
本発明の目的は、上記のごとき従来技術の難点を解消し、エゼクタに異物の詰まり等の不具合が生じても、これが的確に検知され、他の装置に影響を及ぼすことなく安全に運転できるエゼクタ装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
（１）高圧の流体を駆動流体としてノズルから吹き出させ、速度の増加による圧力の低下を起こさせることによって、第二の流体を吸い込み、二つの流体を混合して混合流体を得るエゼクタと、エゼクタの駆動流体供給側に配した制御バルブ、圧力計ならびに温度計と、圧力計で測定される駆動流体の圧力と温度計で測定される駆動流体の温度とを入力して流量を算出し、制御バルブへ制御信号を発する制御装置を備えるエゼクタ装置において、
上記の制御バルブの開度と駆動流体の圧力の特性の測定値を入力し、予め入力した制御バルブの開度と駆動流体の圧力の特性の初期値と比較し、測定値と初期値との差が所定値を越えたとき警報信号、あるいは装置停止信号を出力する異常検出装置を備えることとする。
（２）高圧の流体を駆動流体としてノズルから吹き出させ、速度の増加による圧力の低下を起こさせることによって、第二の流体を吸い込み、二つの流体を混合して混合流体を得るエゼクタと、エゼクタの駆動流体供給側に配した制御バルブ、ならびに流量計と、流量計で測定される駆動流体の流量を入力し、制御バルブへ制御信号を発する制御装置を備えるエゼクタ装置において、
上記の制御バルブの開度と駆動流体の流量の特性の測定値を入力し、予め入力した制御バルブの開度と駆動流体の流量の特性の初期値と比較し、測定値と初期値との差が所定値を越えたとき警報信号、あるいは装置停止信号を出力する異常検出装置を備えることとする。
【００１３】
駆動流体の圧力と温度とを入力して流量を算出し、制御バルブを制御する方法においては、制御バルブの開度を一定に保持していても、エゼクタに不具合が生じて実効流路断面積が減少すると、エゼクタの流体抵抗が増大して圧力損失が増大するので圧力計で測定される圧力は増大する。したがって、制御装置では流量増加を生じたものと判断し、制御バルブの開度を下げる制御が行われる。同様に、実効流路断面積が増大すると圧力が低下し、制御バルブの開度を上げる制御が行われる。すなわち、エゼクタに不具合が生じると、制御バルブの開度に対する圧力値が当初の値より変化し、不具合の度合いが大きいほど当初の値との差異が大きくなる。したがって、上記の（１）のごとく、制御バルブの開度と圧力の特性の測定値を入力し、予め入力した制御バルブの開度と圧力の特性の初期値と比較すれば、エゼクタの不具合の発生の有無が知られるので、測定値と初期値との差が所定値を越えたとき警報信号、あるいは装置停止信号を出力する異常検出装置を備えることとすれば、的確に不具合を検知し、他の装置に影響を及ぼさないよう安全措置を講ずることができる。
【００１４】
駆動流体の流量を直接測定して制御バルブを制御する方法においては、制御バルブの開度を一定に保持していても、エゼクタに不具合が生じて実効流路断面積が減少すると、エゼクタの流体抵抗が増大するので駆動流体の流量が低下する。したがって、制御装置により制御バルブの開度を上げる制御が行われる。同様に、実効流路断面積が増大すると流量が増大し、制御バルブの開度を下げる制御が行われる。すなわち、エゼクタに不具合が生じると、制御バルブの開度に対する流量値が当初の値より変化し、不具合の度合いが大きいほど当初の値との差異が大きくなる。したがって、上記の（２）のごとく、制御バルブの開度と駆動流体の流量の特性の測定値を入力し、予め入力した制御バルブの開度と駆動流体の流量の特性の初期値と比較すれば、エゼクタの不具合の発生の有無が知られるので、測定値と初期値との差が所定値を越えたとき警報信号、あるいは装置停止信号を出力する異常検出装置を備えることとすれば、的確に不具合を検知し、他の装置に影響を及ぼさないよう安全措置を講ずることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるエゼクタ装置の第１の実施例を示す駆動流体の流量制御構成の模式図（ａ）と、制御特性図（ｂ）である。
図１（ａ）において、図４の示した従来例の構成と同一の機能を有する構成部品には同一の符号が付されており、重複する説明は省略する。本構成と従来例の構成との差異は、制御装置５Ａからの測定信号を受けて必要に応じて警報信号、あるいは停止信号を発する異常検知装置６が備えられていることにある。すなわち、異常検知装置６は、圧力計３で得られて駆動流体の圧力と温度計４で得られた駆動流体の温度を入力し流量を算出して制御バルブ２へ弁の開度を調整する制御信号を送る制御装置５Ａより、制御バルブ２の弁の開度と温度補正した圧力の測定値を受け、予め入力した制御バルブ２の弁の開度と温度補正した圧力との初期特性値と比較して、その差が所定値を越えたとき警報信号、あるいは停止信号を発するよう構成されている。
【００１６】
図１（ｂ）は、警報信号、あるいは停止信号を発する制御領域を示す駆動流体圧力と制御バルブ２の弁の開度の特性図で、黒丸で表示した値は初期の測定値、線Ａは初期の測定値より得られた初期特性近似曲線、線▲１▼は初期特性近似曲線より算出された許容上限曲線、線▲２▼は同じく初期特性近似曲線より算出された許容下限曲線である。制御装置５Ａより異常検知装置６へと送られた制御バルブ２の弁の開度と温度補正した圧力の特性値が、線▲１▼と線▲２▼との間の領域を外れると、異常検知装置６が警報信号、あるいは停止信号を発することとなる。
【００１７】
したがって、本エゼクタ装置では、エゼクタに不具合が生ずれば、的確に検知でき、他の装置に影響を及ぼさないよう安全措置を講ずることができる。
図２は、本発明によるエゼクタ装置の第２の実施例を示す駆動流体の流量制御構成の模式図（ａ）と、制御特性図（ｂ）である。
図２（ａ）に見られるように、本エゼクタ装置は、エゼクタ１の駆動流体供給配管に制御バルブ２と流量計７を組み込み、流量計７で測定された流量信号を制御装置５Ｂへ入力し、これを基に制御バルブ２の弁の開度を制御し、駆動流体の流量を制御するエゼクタ装置に異常検出装置６Ａを備えたものである。異常検出装置６Ａは、制御バルブ２の弁の開度と流量の測定値を受け、予め入力した制御バルブ２の弁の開度と流量との初期特性値と比較して、その差が所定値を越えたとき警報信号、あるいは停止信号を発するよう構成されている。
【００１８】
図２（ｂ）は、警報信号、あるいは停止信号を発する制御領域を示す駆動流体流量と制御バルブ２の弁の開度の特性図で、黒丸で表示した値は初期の測定値、線Ｂは初期の測定値より得られた初期特性近似曲線、線▲３▼は初期特性近似曲線より算出された許容上限曲線、線▲４▼は同じく初期特性近似曲線より算出された許容下限曲線である。制御装置５Ｂより異常検知装置６Ａへと送られた制御バルブ２の弁の開度と流量の特性値が、線▲３▼と線▲４▼との間の領域を外れると、異常検知装置６Ａが警報信号、あるいは停止信号を発することとなる。
【００１９】
本エゼクタ装置においても、第１の実施例の装置と同様に、エゼクタに不具合が生ずれば、的確に検知でき、他の装置に影響を及ぼさないよう安全措置を講ずることができる。
【００２０】
【発明の効果】
上述のように、本発明においては、
（１）エゼクタ装置を、請求項１に記載のごとく構成することとしたので、エゼクタに異物の詰まり等の不具合が生じても、これが的確に検知され、下流側の装置など他の装置に影響を及ぼすことなく安全に運転できるエゼクタ装置が得られることとなった。
【００２１】
（２）また、エゼクタ装置を、請求項２に記載のごとく構成することとすれば、エゼクタに不具合が生ずれば的確に検知され、他の装置に影響を及ぼすことなく安全に運転できるので、エゼクタ装置として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエゼクタ装置の第１の実施例を示す説明図で、（ａ）は駆動流体の流量制御構成の模式図、（ｂ）は制御特性図
【図２】本発明によるエゼクタ装置の第２の実施例を示す説明図で、（ａ）は駆動流体の流量制御構成の模式図、（ｂ）は制御特性図
【図３】エゼクタの基本構成を簡略化して示す断面図で、（ａ）は全体断面図、（ｂ）はノズルの拡大断面図
【図４】従来のエゼクタ装置の駆動流体の流量制御構成の一例を示す模式図
【図５】図４のエゼクタ装置の駆動流体の流量制御構成における駆動流体の圧力とそのときの制御バルブ２弁の開度との関係を示す特性図
【符号の説明】
１ エゼクタ
２ 制御バルブ
３ 圧力計
４ 温度計
５ 制御装置
５Ａ 制御装置
５Ｂ 制御装置
６ 異常検出装置
６Ａ 異常検出装置
７ 流量計
１１ ノズル
１１ａ ノズル喉部
１２ ディフューザー
１４ 混合部

Claims (2)

1. 高圧の流体を駆動流体としてノズルから吹き出させ、速度の増加による圧力の低下を起こさせることによって、第二の流体を吸い込み、二つの流体を混合して混合流体を得るエゼクタと、
   エゼクタの駆動流体供給側に配した制御バルブ、圧力計ならびに温度計と、
   圧力計で測定される駆動流体の圧力と温度計で測定される駆動流体の温度とを入力して流量を算出し、制御バルブへ制御信号を発する制御装置
   を備えるエゼクタ装置において、
   制御バルブの開度と駆動流体の圧力の特性の測定値を入力し、予め入力した制御バルブの開度と駆動流体の圧力の特性の初期値と比較し、測定値と初期値との差が所定値を越えたとき警報信号、あるいは装置停止信号を出力する異常検出装置を備えたことを特徴とするエゼクタ装置。
2. 高圧の流体を駆動流体としてノズルから吹き出させ、速度の増加による圧力の低下を起こさせることによって、第二の流体を吸い込み、二つの流体を混合して混合流体を得るエゼクタと、
   エゼクタの駆動流体供給側に配した制御バルブ、ならびに流量計と、
   流量計で測定される駆動流体の流量を入力し、制御バルブへ制御信号を発する制御装置
   を備えるエゼクタ装置において、
   制御バルブの開度と駆動流体の流量の特性の測定値を入力し、予め入力した制御バルブの開度と駆動流体の流量の特性の初期値と比較し、測定値と初期値との差が所定値を越えたとき警報信号、あるいは装置停止信号を出力する異常検出装置を備えたことを特徴とするエゼクタ装置。

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