JP4997901B2 - 気化装置及びその駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、気化装置に係り、特に液体燃料、水を加熱して気化する気化装置及びその駆動制御方法に関する。

近年、ノート型ＰＣや携帯電話等の携帯機器に搭載が期待される発電装置が開発されている。発電装置には、メタノールと水とが混合された燃料を貯留する燃料タンクと、燃料を化学反応させて水素ガスを生成する反応器と、反応器により生成された水素ガスを基に発電を行う発電セル等が設けられている。反応器には、燃料と水とを加熱して気化する気化装置が設けられていて、この気化装置への燃料供給は、気化装置の上流側に設けられた流量センサの検出結果に基づいて制御されるようになっている（例えば特許文献１，２参照）。
特開平７−２２７５３５号公報 特開２００１−３３８６６５号公報

ところで、従来から他の電子機器と同様に発電装置自体も小型化が望まれている。このため、発電装置に備わる各構成部を小型化することが必須であり、気化装置においても同様である。例えば、気化装置であると流量センサを省略すれば小型化は実現できるが、燃料供給量の制御が困難となり、現実的ではないのが現状であった。
本発明の課題は、気化装置への燃料の供給量の制御を可能としながら、小型化、簡略化を図ることができる気化装置及びその駆動制御方法を提供することである。

請求項１記載の発明における気化装置は、
供給された電力に応じて加熱されて液体を気化する加熱部と、
前記加熱部に前記液体を供給する供給部と、
前記加熱部の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの検出値に基づいて所望の設定温度に維持するよう加熱部に電力を供給し、前記設定温度における電力流量テーブルに基づいて液体の流量が所望の設定流量であるときの供給電力を算出し、前記加熱部に供給する電力が前記算出された供給電力の値となるよう前記供給部の動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の気化装置において、
前記電力流量テーブルは、前記加熱部の温度をパラメータとして前記供給電力の値と前記供給流量との関係を記憶していることを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の気化装置において、
前記供給部から供給される前記液体を一端部から吸収し、吸収した前記液体を他端部へ浸透する吸液部をさらに備え、
前記加熱部は、前記吸液部の前記他端部側を加熱する発熱体を有することを特徴としている。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の気化装置において、
前記吸液部の前記他端部側及び前記発熱体を覆う断熱ケースをさらに備えることを特徴としている。

請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の気化装置において、
前記吸液部の前記他端部側に設けられ、前記発熱体の熱を前記吸液部に伝導する熱伝導部をさらに備えることを特徴としている。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の気化装置において、
前記温度センサは、前記熱伝導部に設けられていることを特徴としている。

請求項７記載の発明は、
液体が供給され、供給された電力に応じて加熱されて前記液体を気化する加熱部を有する気化装置の駆動制御方法であって、
前記加熱部の温度を検知する温度センサの検出値に基づいて所望の設定温度に維持するよう加熱部に電力を供給し、前記設定温度における電力流量テーブルに基づいて液体の流量が所望の設定流量であるときの供給電力を算出し、前記加熱部に供給する電力が前記算出された供給電力の値となるよう前記供給部の動作を制御することを特徴としている。

請求項８記載の発明は、請求項７記載の駆動制御方法において、
前記液体の供給流量の制御は、予め記憶された、前記加熱部の温度をパラメータとして前記供給電力の値と前記供給流量との関係を示す前記電力流量テーブルに基づいて行われることを特徴としている。

本発明によれば、加熱部を有する気化装置において、供給部から加熱部へ供給する液体の供給流量を検知する流量センサを省略することができて、気化装置の小型化、簡略化を図ることができる。

以下、本発明の好適な実施形態について図を参照し説明する。図１は、本発明に係わる気化装置における気化部１００の概略構成を表す断面図である。気化部１００は、例えばメタノールからなる液体の燃料と液体の水が混合された液体状の燃料が供給され、これを加熱して気化した燃料ガスを生成するものである。図１に示すように、気化部１００には、吸液部２、収縮性チューブ３、排出部４、弾性チューブ５、加熱部６、断熱ケース７及び温度センサ８が設けられている。気化装置１は、例えば後述する図２に示すポンプ１０から弾性チューブ５を介して吸液部２に燃料が供給され、排出部４において加熱部６の熱により吸液部２内の燃料を加熱し、気化した燃料を排出部４の排出口４２から排出して、図示しない反応器に供給するものである。そして、例えば反応器で水素ガスが生成されて、発電セルに供給される。

吸液部２は、棒状、具体的には例えば円柱状に形成された多孔質体からなる芯材であり、排出部４の嵌入部４１に挿入されている。吸液部２は、例えば後述する図２に示すポンプ１０から弾性チューブ５を介して供給される液体状の燃料を吸収し、排出部４の排出口４２側へ浸透させるものである。多孔質体としては、例えば、アクリル系繊維等の無機繊維又は有機繊維を結合材（例えばエポキシ樹脂）で固めたものや、無機粉末を焼結したもの、無機粉末を結合材で固めたもの、グラファイトとグラッシーカーボンの混合体、無機繊維又は有機繊維からなる多数本の糸材を束ねて結合材で固めたものなどを適用することができる。また、上記の材料を複数種類混合したものを多孔質体として用いることも可能である。

収縮性チューブ３は、その内部に吸液部２が嵌入されていて、収縮性チューブ３の内周面と吸液部２の外周面とが密着している。収縮性チューブ３の長さは、吸液部２の長さよりも短く、吸液部２の基端部が収縮性チューブ３の基端部から突き出た位置に配置されている。収縮性チューブ３は、加熱前に熱収縮性を有する材料（例えばポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデン等）により形成されている。加熱前に予め収縮性チューブ３内に吸液部２を挿入してから加熱することで、収縮性チューブ３を収縮させ、収縮性チューブ３と吸液部２とを隙間なく密着させている。なお、上記において、吸液部２は円柱状としたが、これに限らず、例えば四角柱、六角柱等の角柱状であってもよい。

排出部４は、吸液部２の基端部側に設けられ、後述する発熱体６１の熱を吸液部２に伝導する本発明に係る熱伝導部である。この排出部４は、例えば金属により形成されていて、吸液部２の収縮性チューブ３により覆われていない部分を覆うように、吸液部２が嵌入されている。この排出部４には、吸液部２が嵌入される嵌入部４１と、嵌入部４１に連なって基端側（他端側）に位置する排出口４２と、嵌入部４１及び排出口４２の継ぎ目外縁から突出したフランジ部４３とが一体的に設けられており、吸液部２の嵌入部４１の基端側へ浸透した燃料が加熱部６によって加熱され、気化されて排出口４２から排出される。嵌入部４１は吸液部２が嵌入されるよう筒状に形成されていている。排出口４２は、嵌入部４１の基端側略中央に形成されており、嵌入部４１の内径よりも小さい直径となっている。フランジ部４３には、温度センサ８が挿入される挿入穴４４が径方向に沿って形成されている。なお、上記において、排出部４は金属により形成されるとしたが、排出部４は嵌入された吸液部２に加熱部６による熱を供給するとともに、挿入穴４４に挿入される温度センサ８に吸液部２の温度を良好に伝熱する役割を有しており、金属の他、熱伝導率が比較的高い材料で形成するようにしてもよい。

弾性チューブ５は、その一端部の内部に排出部４の先端部及び収縮性チューブ３が嵌入されていて、排出部４の先端部及び収縮性チューブ３の外周面と弾性チューブ５の内周面とが密着している。そして、弾性チューブ５の他端部は、収縮性チューブ３の先端部から延出していて、燃料が送出される例えば図２のポンプ１０に連結されている。

加熱部６は、排出部４における嵌入部４１の基端部を覆い、吸液部２の嵌入部４１の基端側へ浸透した燃料を加熱するように配置されている。加熱部６は、例えば加熱コイルからなる発熱体６１と、発熱体６１を被覆する耐熱性の接着剤６２とから構成されている。発熱体６１は嵌入部４１の基端部周囲に巻かれており、接着剤６２によって被覆されている。なお、上記において、加熱部６は加熱コイルからなる発熱体６１と接着剤６２とからなるとしたが、嵌入部４１を加熱して排出部４に嵌入された吸液部２を加熱する機能を有するものであればよく、例えばシート状の発熱体を嵌入部４１に巻き付けた構成を有するものであってもよい。

断熱ケース７は、例えば樹脂からなり、内部の温度を維持するために、弾性チューブ５の基端部及び排出部４の先端側（一端側）を覆って、加熱部６を覆っている。これにより、断熱ケース７の先端部からは弾性チューブ５の先端部が突出していて、断熱ケース７の基端部からは排出部４の排出口４２が露出している。また、断熱ケース７には、フランジ部４３の挿入穴４４と連通する連通口７１が形成されている。

温度センサ８は、熱電対、サーミスタ又は測温抵抗体であり、断熱ケース７の連通口７１を介して排出部４の挿入穴４４に埋め込まれている。これにより温度センサ８は、排出部４のフランジ部４３を介して伝わる吸液部２の先端部分の温度を検出するようになっている。

図２は、本実施形態における気化部１００を備えた気化装置１の制御を行うための構成を表すブロック図であり、図３は、本実施形態における気化装置１の制御部で用いられる電力流量テーブルの一例を表す図である。図２に示すように、気化装置１には、燃料タンク９から気化部１００の弾性チューブ５を介して気化部１００の吸液部２に燃料を供給するポンプ（供給部）１０と、ポンプ１０と気化部１００における発熱体６１とを温度センサ８の検出結果に基づいて制御する制御部１１とが備えられている。制御部１１には、ＣＰＵ１２と、各種制御プログラムや制御データを格納するＲＯＭ１３と、ＣＰＵ１２によりＲＯＭ１３内の制御プログラムが実行される際に、展開されるＲＡＭ１４とが備えられている。また、制御部１１には、ＣＰＵ１２の制御に基づき発熱体６１の温度調節をするヒータドライバ１５と、ＣＰＵ１２の制御に基づきポンプ１０の流量調節をするポンプドライバ１６とが備えられている。ここで、図２においては、燃料を供給する機構としてポンプ１０を備え、制御部１１がポンプ１０の動作を制御することによってポンプ１０から供給される燃料の流量を制御するものとしたが、これに限らず、例えばポンプとバルブを備え、制御部１１がポンプとバルブの双方又は一方を制御して、燃料の流量を制御するものであってもよい。

ここで、制御データには、図３に示すような、加熱部６の温度をパラメータとして、発熱体６１に対する供給電力と、ポンプ１０の流量との関係を表す電力流量テーブルが含まれている。この電力流量テーブルは、気化部１００の吸液部２において、発熱体６１により燃料を加熱して、吸液部２を所望の設定温度に設定するようにしたとき、ポンプ１０から供給される燃料の流量が増加すると燃料を設定温度に維持するために発熱体６１から供給しなければならない発熱量が増加し、発熱体６１に供給しなければならない供給電力の量が増加するという相関関係を示したものである。なお、図３の電力流量テーブルは、室温２６．３〜２６．４℃の室内でメタノール６０重量％、水４０重量％の燃料を気化装置１によって１６０℃（設定温度）に加熱する際の消費電力と流量との関係を表している。加熱温度を一定温度としたとき、発熱体６１の消費電力とポンプ１０から供給される燃料の流量とは一定の相関関係を有しており、図３は加熱温度を１６０℃としたときの消費電力と流量との相関関係を示しているが、加熱温度が異なると、この相関関係も異なるため、加熱温度の複数の設定条件について、予め実験若しくはシミュレーション等を行って、各条件に対応する電力流量テーブルを作成し、制御データとしてＲＯＭ１３内に格納しておく。

そして、制御部１１は、温度センサ８の検出結果を基に発熱体６１の温度を所望の設定温度に維持するようにヒータドライバ１５から発熱体６１に電力を供給し、発熱体６１に供給する供給電力の値が、対応する電力流量テーブルより算出される、所望の設定温度においてポンプ１０から供給する燃料の流量が所望の設定流量であるときの供給電力の値に近づくように、ポンプ１０から供給する燃料の流量を制御する。

なお、本実施形態では、燃料としてメタノール６０重量％、水４０重量％の混合液を例示して説明したが、混合比はこれに限定されるものではない。また、エタノール、ギ酸、ヒドラジン、エチレングリコールなどの液体燃料も適用できる。

次に、気化装置１の駆動制御方法について説明する。
制御部１１は、燃料供給開始タイミングになると、ポンプドライバ１６によりポンプ１０を制御して燃料の供給を開始する。この際、制御部１１は、温度センサ８の検出結果に基づいて、発熱体６１に電力を供給して、加熱部６内を通過する燃料の温度が予め設定された設定温度となるように温度調節を実行する。

燃料供給時においては、制御部１１は、この設定温度に対応する電力流量テーブルに基づいて、ポンプ１０から供給する燃料の流量を所望の設定流量に設定したときに発熱体６１に供給するべき供給電力を算出し、発熱体６１に対する供給電力が算出された供給電力の値になるようにポンプ１０の動作を制御する。これにより、気化部１００への燃料の供給量を制御することができるとともに、気化部１００に供給された燃料を所望の温度に加熱することができる。

以上のように、本実施形態によれば、制御部１１が温度センサ８の検出結果を基に発熱体６１に電力を供給して発熱体６１の温度を所望の設定温度に設定する際に、供給される燃料の流量を所望の設定流量としたときに発熱体６１に供給するべき供給電力を算出し、発熱体６１に供給する供給電力が算出された供給電力の値に近づくようにポンプ１０における流量を制御しているので、温度センサ８が実質的に流量センサとして使用されることになる。これにより、流量センサを省略することができ、気化装置１自体の小型化を向上させることができる。そして、流量センサを省略できると、システム自体が簡略化されるので、消費電力を低減することができる。
ここで、本実施形態では、燃料が液体で存在する温度範囲の環境に気化装置１がおかれている場合を前提としている。このため、燃料の温度状態に依存する顕熱や、外気温の変化に依存する断熱ケース７からの放熱量の変化は、燃料の気化熱に比して微小であるため、気化熱を補う発熱体６１の消費電力に依存した燃料流量制御が可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、発熱体６１に供給する電力が温度センサ８の検出結果に基づいて算出された供給電力となるように、制御部１１がポンプ１０を制御する場合を例示して説明したが、これ以外の方式で流量調整を行うことも可能である。例えば、制御部１１は、電力流量テーブルを基にして、所望の設定流量に対応する供給電力を決定し、当該供給電力により発熱体６１を制御し、その後、温度センサ８の検出結果が所望の設定温度に近づくようにポンプ１０の流量を制御する場合が挙げられる。このような方式においても流量センサを省略することが可能である。

本発明に係る気化装置における気化部の概略構成を表す断面図である。 本実施形態における気化部を備えた気化装置の制御を行うための構成を表すブロック図である。 本実施形態における気化装置の制御部で用いられる電力流量テーブルの一例を表す図である。

符号の説明

１ 気化装置
２ 吸液部
３ 収縮性チューブ
４ 排出部（熱伝導部）
５ 弾性チューブ
６ 加熱部
７ 断熱ケース
８ 温度センサ
９ 燃料タンク
１０ ポンプ（供給部）
１１ 制御部
１５ ヒータドライバ
１６ ポンプドライバ
４１ 嵌入部
４２ 排出口
４３ フランジ部
４４ 挿入穴
６１ 発熱体
６２ 接着剤
７１ 連通口
１００ 気化部

Claims (8)

1. 供給された電力に応じて加熱されて液体を気化する加熱部と、
   前記加熱部に前記液体を供給する供給部と、
   前記加熱部の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出値に基づいて所望の設定温度に維持するよう加熱部に電力を供給し、前記設定温度における電力流量テーブルに基づいて液体の流量が所望の設定流量であるときの供給電力を算出し、前記加熱部に供給する電力が前記算出された供給電力の値となるよう前記供給部の動作を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする気化装置。
2. 請求項１記載の気化装置において、
   前記電力流量テーブルは、前記加熱部の温度をパラメータとして前記供給電力の値と前記供給流量との関係を記憶していることを特徴とする気化装置。
3. 請求項１又は２に記載の気化装置において、
   前記供給部から供給される前記液体を一端部から吸収し、吸収した前記液体を他端部へ浸透する吸液部をさらに備え、
   前記加熱部は、前記吸液部の前記他端部側を加熱する発熱体を有することを特徴とする気化装置。
4. 請求項３記載の気化装置において、
   前記吸液部の前記他端部側及び前記発熱体を覆う断熱ケースをさらに備えることを特徴とする気化装置。
5. 請求項３又は４記載の気化装置において、
   前記吸液部の前記他端部側に設けられ、前記発熱体の熱を前記吸液部に伝導する熱伝導部をさらに備えることを特徴とする気化装置。
6. 請求項５記載の気化装置において、
   前記温度センサは、前記熱伝導部に設けられていることを特徴とする気化装置。
7. 液体が供給され、供給された電力に応じて加熱されて前記液体を気化する加熱部を有する気化装置の駆動制御方法であって、
   前記加熱部の温度を検知する温度センサの検出値に基づいて所望の設定温度に維持するよう加熱部に電力を供給し、前記設定温度における電力流量テーブルに基づいて液体の流量が所望の設定流量であるときの供給電力を算出し、前記加熱部に供給する電力が前記算出された供給電力の値となるよう前記供給部の動作を制御することを特徴とする駆動制御方法。
8. 請求項７記載の駆動制御方法において、
   前記液体の供給流量の制御は、予め記憶された、前記加熱部の温度をパラメータとして前記供給電力の値と前記供給流量との関係を示す前記電力流量テーブルに基づいて行われることを特徴とする駆動制御方法。

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