JP4819408B2 - 吸気システム - Google Patents

Description

本発明は、概略的には、車両の外部から車両のエンジンなどの動作部に空気を供給する吸気システムに関する。より具体的には、燃料電池車両の空気圧縮機や車両の内燃機関へ車外から空気が吸引されるときに、該圧縮機や内燃機関への水の進入を防止若しくは最小化するように構成された複数の構成部を含む新規なサイド吸気システムに関する。

従来より、燃料電池に関する技術は、自動車を駆動するために通常用いられる伝統的な内燃機関に代わる可能性のある技術として考えられてきた。燃料電池パワープラント（power cell plants）は、内燃機関の最大効率である約30%に比して55%というかなり高い効率を達成できるということが判っている。また、燃料電池パワープラントは、テールパイプからの排出量をゼロにして、中間生成物として熱及び水のみを生成するものである。

一般的に、燃料電池では、電力を発生するために酸素が必要とされる。例えば、陽子交換膜（proton exchange membrane: PEM）で構成された燃料電池において、水素燃料は、水素を電子と陽子とに分離する触媒で被膜された一方の電極へと流れるようになっている。陽子はPEMを越えて他方の電極へと進む一方、電子はPEMを越えて進むことができないので、外部回路を通らなければならない。これにより、自動車に推進力を与える電気モーターを駆動するための電力を発生することができる。酸素は、上記他方の電極へと流れて、そこで、水素と化合して水蒸気を発生し、その水蒸気は車両のテールパイプを介して車外に排出されるようになっている。個々の燃料電池は、より大きな電力を発生するように直列につなぐこともできる。

従って、水素燃料電池動力車両は、電力を発生するのに必要な酸素を得るために大気を必要とする。車両の動作中に、一般的に車両のドライバー側にあるロア・リア・クオーター・パネル（lower-rear quater panel）に設けられている吸入グリルを介して大気が吸引される。大気は、液体が大気と共に吸い込まれると影響を受けやすい容積式空気圧縮機に供給される。

従って、燃料電池又は内燃機関の空気圧縮機などの構成部へ大気と共に吸引される水の量を少なくとも低減することのできる、新規な吸気システムが必要とされる。

本発明は、燃料電池又は内燃機関の空気圧縮機などの動作部へ大気と共に吸引される水の量を少なくとも低減するのに適した新規な吸気システムに関するものである。この吸気システムは、車両の動作部などへの水の浸入を少なくとも低減するために、長い空気流路内に配設された複数の装置の組み合わせを含む。この装置は、空気流路への水の浸入を防ぐために、傾斜したグリル・ルーバーと組み合わせられた吸気口アーム（inlet arm）、上記グリル・ルーバーを越えて進む水を上記空気流路から分離するために上記吸気口アーム内に設けられたスプラッシュ・シールド、上記吸気口アームからの排水を容易にするために上記吸気口アーム内に設けられた逆流面、重力によって上記空気流路を通る水の流れを防止又は低減するために上記吸気口アームと上記空気流路の横断部分との間に規定される鉛直「上部高さ」、吸気アームの下方に位置し分離された水を集める喉室（gullet chamber）、及び、水を吸収して通常動作中に乾燥の行われる標準エア・フィルター、を含む。

本発明は、電力を発生する燃料電池に圧縮空気を供給するための酸素供給源としての容積式空気圧縮機に大気と共に入り込む水の量を少なくとも最小にできるような、特に燃料電池電気自動車での使用に適した新規な吸気システムを実現する。なお、本発明の吸気システムは、水分が実質的に含まれていない状態の空気を供給する必要のある内燃機関などの他のシステムにも、等しく適用可能である。

最初に図１を参照すると、この図１には、燃料電池電気自動車10が後面視で想像線により示されている。該燃料電池電気自動車10は、一般的に、シャシー12とキャビン14とを含む。また、該車両10は、一般的に、一対の互いに離間した車輪16からなる4つの車輪を含む。上記シャシー12は、一般的に、左リア・クオーター・パネル18、右リア・クオーター・パネル19、左フロント・クオーター・パネル（不図示）及び右フロント・クオーター・パネル（不図示）を含む。

上記図１には、本発明に係る吸気システム22が、燃料電池電気自動車10の典型的なパッケージング構成で実線により示されている。該吸気システム22は、細長い空気流路23を含んでおり、それは、吸気口アーム36の設けられた上昇空気吸入部分24、該吸気口アーム36よりも下方に延びるように設けられた喉室（gullet chamber）30、上記空気吸入部分24から略水平方向に延びて、降下部分54にフレキシブル・コネクター52を介して結合される横断部分50、及び、該降下部分54の出口端に設けられて、清浄空気出口64を有するフィルター・ハウジング56、を含む。上記喉室30は、少なくとも約710 ml（24 oz）の保水能力を有する。燃料電池電気車両10において、上記清浄空気出口64は、容積式空気圧縮機66に対して直接又はコネクター・ホース68を介して接続される。該空気圧縮機66は、酸素供給源として燃料電池（不図示）に対して大気を供給するものであり、当業者に知られているように、その酸素は燃料電池電気自動車10を駆動する電力を発生するために用いられる。

更に上記図１に示すように、吸気口グリル20が、シャシー12の右リア・クオーター・パネル18に設けられるのが一般的である。吸気システム22の吸気口アーム36は、上記吸気口グリル20の下流側に位置する。従って、燃料電池電気自動車10の通常動作中には、後述するように、空気が吸気口グリル20、吸気口アーム36そして空気流通路23を通るように吸引され、そして、空気圧縮機66に供給される前に、フィルター・ハウジング56内で濾過されるようになっている。

次に、図２を参照すると、この図２には吸気システム22の断面図が示されている。吸気口アーム36は、複数の細長く並列なルーバー38を含み、それは図３の断面図に示されるように、吸気口アーム36の壁36aから該給気口アーム36内方へ向かって延びるように設けられている。これにより、互いに分離された空気流路40が、グリル・ルーバー38の間に規定される。上記図２に更に示すように、上記吸気口アーム36は、鉛直の空気吸入部分24に対して所定角度で下向き延びるように設けられている。そして、上記グリル・ルーバー38は、吸気口アーム36の長軸に略平行に延びているので、互いに離間したグリル・ルーバー38は、空気吸入部分24に対して下向きに所定角度で配置されることになる。それゆえに、上記空気吸入部分24に対して下向きに所定角度の付いたグリル・ルーバー38は、後述するように、吸気口アーム36内を通って空気流通路23へ空気が吸い込まれるときの、空気圧縮機66（図１）及び／又は車両10の他の動作部への水の浸入に対する最初の障壁となる。

更に上記図２に示すように、スプラッシュ・シールド44は、吸気口アーム36の壁36aの上部分から下向きに延びるように設けられている。また、上記スプラッシュ・シールド44は、空気流路40の下流又は出口端に対して離間するように配置され、吸気口アーム36と空気吸入部分24との間で流体の移動を可能にする。更にまた、上記スプラッシュ・シールド44は、吸気吸入口アーム36を通る空気の流れの方向に対して略直交するように設けられるのが一般的である。上記スプラッシュ・シールド44は、吸気システム22を通って空気が吸引されるときに、空気圧縮機66への水の浸入に対する第２の障壁となる。

上記吸気口アーム36の底部及び側部の内面は、空気流路40の下流又は出口端において逆流面42を規定する。この逆流面42は、吸気口アーム36と空気吸入部分24の内面28との間において空気流路40と開口37との間の隙間部を規定する。従って、水が不意に上記吸気口アーム36に入って、喉室30内に溜まった場合に、上記逆流面42は、該喉室30から空気流路40を介して吸気口アーム36の外へ容易に排水できるようにすることで、「ウォーター・ロック（water lock）」を防止するようになっている。それゆえに、上記逆流面42は、フィルター・ハウジング56及びそれを越える水の浸入に対して第３の障壁となる。

上記図２に示すように、空気流通路23の空気吸入部分24は、鉛直上方への空気流を許容する内面28を規定するための略円筒状壁26を含む。ここで、上記空気吸入部分24は、吸気口アーム36の出口端における開口37から、空気流通路23の横断部分50までである。従って、上記空気吸入部分24の長さが、空気がそこを通って横断部分に到達するのに進行しなければならない上部高さ48を規定する。この上部高さ48は、重力又は負上部圧力（negative head pressure）を利用して、空気吸入部分24へ不意に入る殆どの水を喉室30に向かって下向きに流すことになる。それゆえに、空気吸入部分24の上部高さ48は、吸気システム22を越えて侵入する水に対して第４の障壁となる。

テーパー状排水部32が喉室30の底部に設けられている。該排水通路34は、排水部32の下端から延びるように設けても良い。図１に示すように、開端状排水通路34を、車両10のシャシー12の底部で終端とし、上記喉室30から路面（不図示）へと排水することもできる。また、水が喉室30から排出される際に、捕水するように、排水通路34の下端に収集容器（不図示）を設けるようにしてもよい。上記排水部32は、吸気システム22を越えて侵入する水に対して第５の障壁となる。

図２に示すように、フィルター・ハウジング56が、空気流通路23の降下部分54の下流端又は出口端に設けられている。該フィルター・ハウジング56は、フィルター上流空気室58、標準エア・フィルター60及び清浄空気室62、を含む。清浄空気出口64は、上記フィルター・ハウジング56の清浄空気室62から下方に延びるように設けられている。

空気流通路23を通って流れる空気中に降下部分54を過ぎても残留する水は、フィルター60を通過する際に、該フィルター60によって殆ど若しくは全てが取り除かれる。通常動作の間において、エア・フィルター60を通り抜ける空気は、該フィルター60によって捕捉された水分を乾燥させることになる。それゆえに、上記エア・フィルター60は、空気圧縮機66へ吸気システム22を越えて侵入する水に対して第６の障壁となる。

次に、図４及び５を参照すると、吸気システム22の動作中に、濾過される前の外気70が、車両10の吸気グリル20（図１）を介して吸気口アーム36へ吸引され、空気流通路23の空気吸入部24、横断部50及び降下部54を通って、フィルター・ハウジング56内のフィルター60を通過するようになっている。このフィルター60では、埃、泥などの粒子状物質が、濾過前の空気70から除去されるようになっている。そして、濾過された空気70aは、エア・フィルター60から出て、清浄空気室62から清浄空気出口64を通って、最後に空気圧縮機66へ供給される。

上記図４に更に示すように、吸気システム22の動作中、水72が不意に、吸気口グリル20（図１）の中へ跳ね上げられるか若しくは他の方法で入り込んで、濾過前の空気70と共に吸気口アーム36内に入る場合がある。従って、該吸気口アーム36内の平行なグリル・ルーバー38は、吸気システム22を越えて侵入する水72に対して第１の障壁として機能する。それゆえに、上記グリル・ルーバー38は、跳ね上げられた水72の殆どを吸気口アーム36の外に向かって吸気口グリル20を介して排出させるようになっている。

上記水72の一部が空気流路40を介して吸気口アーム36内のグリル・ルーバー38を越えて進む場合に、該吸入口アーム36内のスプラッシュ・シールド44が、水72の殆ど又は全てを喉室30内へ流すように下向きに流れの向きを変えるようになっている。そして、水72は、排水部32から排水通路34を通って排出される。水72の一部がスプラッシュ・シールド44を越えて空気吸入部24の内部28へ侵入した場合には、空気吸入部24の上部高さ48（図２）によって加わる重力により、水72の殆ど又は全てを下向きに流し、喉室30内に溜めて、排水部32及び排水通路34から外に排出する。

上記図５に示すように、状況によっては、排水部32及び／又は排水通路34は、埃や泥等によって詰まる場合がある。その場合に、スプラッシュ・シールド44によって流れの向きが変わり空気吸入部24から重力によって集められた水72が、喉室30内に溜まる場合がある。溜まった水72aが吸気口アーム36における開口37のレベルに達すると、水72は、吸気口アーム36内部の逆流面42を下がり、空気流路40を通って吸気口アーム36から外へ排出される。

濾過前の空気70が、空気流通路23を流れるときに、水72が小さな水滴程度であると、該濾過前の空気70によって、空気吸入部分24を通って上方に、横断部50を通り水平に、そして降下部54を通ってフィルター・ハウジング56まで運ばれることがあり得る。この場合には、フィルター60によって、濾過前の空気70から残留する水72の殆ど又は全てが除去されることになる。それゆれに、濾過された空気70aは、ほぼ乾燥して水分を含まない状態でエア・フィルター60から出て、清浄空気室62へと入る。従って、水が浸入して、空気圧縮機66及び／又は車両1の他の動作部の作動に影響を与えることは、実質的に不可能である。

上述のように、本発明の好ましい実施形態について述べてきたが、本発明において様々な変更を行うことは可能であり、本発明の思想及び範囲から逸脱することなしに、そのような変更を全て包含していることは、請求項の記載から明らかである。

本発明の実施形態に係る吸気システム（実線で示される）の車両内での収容位置を示す、燃料電池電気自動車（想像線で示される）の一部概略図である。 本発明の実施形態に係る吸気システムの長手方向の断面図である。 図２における3-3線断面図である。 吸気システム内を通る空気の流れ（実線の矢印）及び該システム内での水の溜まり方又は水の流れる向きを示す、図２相当図である。 喉室に水が溜まった場合に、吸気口アームを通って喉室から水が排出される様子を示す、吸気システムの喉室部分の長手方向断面図である。

符号の説明

23 空気流通路
24 空気流入部
30 喉室
36 吸気口アーム
38 ルーバー
40 空気流路
42 逆流面
44 スプラッシュ・シールド
50 横断部
54 降下部
62 フィルター・ハウジング

Claims (4)

1. 略鉛直方向に延びる空気吸入部を有する細長い空気流通路と、
   上記空気吸入部に対して流体の移動が可能になるように連通し、該空気吸入部から所定角度で下方に向かって延びるように設けられた吸気口アームと、
   上記吸気口アーム内に設けられていて、該吸気口アーム内に複数の空気流路を規定するための複数のグリル・ルーバーと、
   上記吸気口アーム内に設けられていて、上記グリル・ルーバーの複数の空気流路から空気と共に流れてくる水の流れの向きを変更するためのスプラッシュ・シールドと、
   上記空気流通路を流れる空気に対してその移動を許容するフィルターの設けられたフィルター・ハウジングと、
   を備え、
   上記スプラッシュ・シールドは、上記吸気口アームの下流端の開口の上側寄りの部分のみを閉塞するように形成されている、吸気システム。
2. 上記吸気口アーム内の上記複数のグリル・ルーバーと上記空気吸入部との間に形成された隙間部と、
   上記吸気口アームから水が流れ出るように上記隙間部に対応して該吸気口アーム内に形成された逆流面と、をさらに備えている、請求項１に記載の吸気システム。
3. 上記空気吸入部から上記吸気口アームよりも下方に向かって延びるように設けられた喉室と、
   上記喉室に設けられた排水部と、をさらに備えている、請求項１又は２に記載の吸気システム。
4. 上記空気流通路はさらに、
   上記空気吸入部から略水平方向に延びる横断部と、
   上記横断部から下方に向かって延びる降下部と、を備えており、
   上記吸気口アームと上記横断部との間隔が上部高さとなる、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の吸気システム。

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