JP5107548B2

JP5107548B2 - 循環式流体供給装置

Info

Publication number: JP5107548B2
Application number: JP2006265144A
Authority: JP
Inventors: 秀一小澤; 規一吉田; 浩二佐野
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2008084759A

Description

本発明は、供試体へ流体を供給する流体供給装置係り、特に供給流量に影響されずに流体の流量や温度を高精度に制御可能な循環式流体供給装置に関するものである。

従来より、例えば燃料電池などの供試体に流量や温度が制御された流体（例えば水や不凍液）を供給する流体供給装置が知られている。

図２は、流量供給装置を燃料電池に採用した一例を示した概念図である。図２に示すように、この流体供給装置は、供試体である燃料電池へ供給する流体を貯水した貯水タンクからインバータで駆動制御した循環ポンプを用いて燃料電池に流体を供給し、燃料電池から回収した流体を循環させながら再度燃料電池に供給している。

また、上記流体供給装置とは異なる形態として、図３に示すような背圧弁などで構成される流量調節弁を備え、流量計で測定した流体流量が規定の流量となるように流量調節弁を開閉制御して流量調節を行う流量供給装置も知られている。

さらに、流体供給装置において流体の温度制御を行うため、例えば図４に示すように貯水タンクから供給される流体を設定した温度まで加熱するための加熱手段を流量調節弁の下流側に配設し、この加熱手段を用いて流体を供試体へ供給する手前で設定温度まで加熱することで所望の温度制御を行える流体制御装置が知られている。

なお、上述したような流量供給装置を採用した燃料電池システムとしては、例えば特許文献１に開示されるものが公知である。
特開２００６−１２５６４号公報

しかしながら、図２に示す流量供給装置では、供試体に供給する流体流量を調節する際に循環ポンプの駆動を制御（例えば１０ｒｐｍ→５ｒｐｍに変更）することで流量調節を行なっているが、この調節方法では流量を変えるためにポンプの駆動を変更したとしても、ポンプの回転数と流量とが正確に比例するわけではないため、高精度に流量制御を行うことができなかった。

また、図３に示した流体供給装置では、流量を調節するために、流量計の流量に応じて流量調節弁を閉じることで流量調節を行なっているが、例えば流量を少なくする場合に流量調節弁を閉じることで流量を少なくしているが、循環ポンプからの流量は常に一定の圧力で流体を供給しているため流量調節弁を閉じることで一次側圧力が上がってしまい、その結果、流量が弁開度に比例せず流量が安定しなかった。そのため、この形態では流量調節を行なう際に、その都度循環ポンプや流量調節弁の圧力調整を行わなければならず作業が煩雑あった。

さらに、図４に示した流体供給装置では、加熱手段を用いて流体を加熱することで流体の温度制御を行なってるが、加熱手段は流量の変化に関係なく常に一定の熱量で流体を加熱しているので、例えば供給流量を変化（大流量→小流量）させた場合に供給する流体の温度が設定温度以上に加熱されてしてしまうため、流量変化による流体温度のオーバシュート／アンダーシュートの発生（ハンチング）が避けられなかった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、流量変化に関係なく供給流体の温度と流量を常に安定した状態で供試体へ供給することのできる循環式流体供給装置を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するために、請求項１記載の循環式流体供給装置は、供試体に供給する流体の温度を設定温度に制御するための循環式の温度安定系流路と、前記温度安定系流路の流路分岐点から分岐して前記供試体の流体導入口と接続するとともに、前記供試体の流体導出口と前記温度安定系流路の流路合流点とを接続して前記供試体に供給する前記流体を導入出する供給系流路との２系統を有する循環式流体供給装置であって、
前記温度安定系流路における前記流路分岐点のよりも下流側に配設され、一次側圧力を常時一定に保つ背圧制御手段と、
前記流路分岐点から分岐した前記供給系流路に配設され、前記背圧制御手段で一定の圧力に制御された状態で前記流路分岐点を経由してくる前記流体の流量調節を行う流量調節手段と、
前記供試体の流体導入口近傍に配設され、前記温度安定系流路から分岐した前記供給系流路を流動する前記流体の温度を、前記温度安定系流路を流動する流体を用いて熱交換により前記供試体導入前に設定温度に温度制御する熱交換手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明の循環式流体供給装置によれば、供試体へ供給する流体の温度安定を図るための温度安定系流路と、供試体へ温度制御された流体を供給するための供給系流路とが独立した２系統で構成されているとともに、背圧制御手段の背圧制御により流量調節手段の一次側圧力が常に一定に保たれているため、流量を増減した場合であっても流量が常に安定した状態を保ったまま供試体に供給することができる。また、供試体導入口近傍に熱交換手段を配設したため、供試体供給前に流体の温度を高精度に制御することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明に係る循環式流体供給装置の構成を説明するための概略構成図である。
なお、以下の説明では、本発明の循環式流体供給装置は、供試体である燃料電池に採用した例として説明する。

まず、図１を参照しながら、本例の循環式流体供給装置の構成について詳細に説明する。循環式流体供給装置１は、流体供給手段２と、流体流動手段３と、背圧制御手段４と、流量調節手段５と、熱交換手段６と、冷却手段７と、制御手段８とを備えて概略構成される。

ここで、本例の循環式流体供給装置１の流路系統について説明する。循環式流体供給装置１は、供試体２０に供給する流体（例えば水やエチレングリコール系の不凍液など）を導入出するための供給系流路１０と、供給系流路１０を流動する流体の温度を所望の温度に制御するための温度安定系流路９の２系統を有しており、各流路９、１０内を循環する流体は、流体供給手段２内に貯水された流体を使用し、流体供給手段２内で設定温度に温度制御された状態で流体流動手段３の駆動により流出して各流路９、１０内を循環している。

温度安定系流路９は、図示の通り、流体供給手段２で温度制御された流体を循環するべく、流体供給手段２→流体流動手段３→背圧制御手段４→熱交換手段６→冷却手段７→流体供給手段２→…の順に流体が循環するよう配管接続されている。

供給系流路１０は、図示の通り、温度安定系流路９における背圧制御手段４の手前側の流路分岐点１１から供試体の流体導入口２０ａとの間と、供試体２０の流体導出口２０ｂから温度安定系流路９中に配設された冷却手段７の手前側の流路合流点１２で合流するまでの間に配管接続されている。また、供給系流路１０における供給系流路１０と供試体２０の流体導入口２０ａとの接続箇所近傍と、供給系流路１０と供試体２０の流体導出口２０ｂとの接続箇所近傍には、それぞれ入口側温度計１３と出口側温度計１４とが配設されており、各箇所において測定した流体温度データを制御手段８に出力している。

流体供給手段２は、例えば貯水用のタンクなどで構成され、サイリスタ（ＳＣＲ）を備えた加熱器２ａと、熱電対からなる温度調節計２ｂと、水位計２ｃとを備えている。流体供給手段２は、温度調節計２ｂで測定した流体温度データが設定温度となるように制御手段８の制御により加熱器２ａを駆動して、タンク内の流体温度を制御をしている。また、流体供給手段２は、水位計２ｃによって貯水タンク内の流体水量を測定し、流体の水量を常に一定の水量となるように測定した水位レベルに応じて水量調節している。

流体流動手段３は、例えば循環ポンプなどで構成され、制御手段８の制御により一定流量の流体が各流路９、１０内を循環するように供試体２０へ供給する流体流量や装置の大きさなどに基づいて駆動制御される。なお、流体流動手段３の駆動を供試体２０へ供給する最大流量の５〜１０倍にすることで、循環する流体温度が安定し、且つ、供給流量を増減しても後述する熱交換手段６の能力に影響されることがなくなる。

背圧制御手段４は、例えば背圧弁で構成され、制御手段８の制御により温度安定系流路９における流体流動手段３から背圧制御手段４までの間の流路内圧力（一次側圧力）を予め設定された圧力に保っている。すなわち、温度安定系流路９内を流動する流体の流量を変化に応じて背圧制御することにより、一次側圧力を一定に維持している。

流量調節手段５は、流量計５ａと、流量調節計５ｂと、流量調節弁５ｃとを備えて構成される。流量調節手段５は、温度安定系流路９から分岐した供給系流路１０における流路分岐点１１と熱交換手段６との間に配設され、流量調節計５ｂが流量計５ａで測定した流量に基づいて所望の流量が得られるように流量調節弁５ｃの開閉を制御して流量の調節を行なっている。

熱交換手段６は、例えば熱交換器などで構成され、供試体２０の流体導入口２０ａ近傍に配設される。熱交換手段６は、制御手段８の制御によって駆動し、温度安定系流路９を流動する流体を用いて供給系流路１０を流動する流体と熱交換を行い、供給系流路１０を流動する流体の温度が設定温度となるように温度制御している。

冷却手段７は、低温水を循環させるチラーなどの水循環冷却装置で構成され、制御手段８の制御により流体を冷却して温度制御するべく駆動している。冷却手段７は、供給系流路１０に配設された入口側温度計１３や出口側温度計１４で測定した流体温度データや流体の設定温度に基づき、必要に応じて駆動している。

制御手段８は、供給系流路１０に配設された入口側温度計１３や出口側温度計１４で測定した流体温度データや流体の設定温度に基づき、流体供給手段２内の流体の温度制御、装置全体の流量設定に応じた流体流動手段３の駆動制御（Ａ）、背圧制御手段４の一次側圧力の圧力制御（Ｂ）、熱交換手段６または冷却手段７の駆動制御（Ｃ）など循環式流体供給装置１を構成する各部の制御を行なっている。

次に、上記構成における循環式流体供給装置１の動作について説明する。ここでは、供試体２０として燃料電池を使用し、設定温度４０℃に制御した流体を供給する際の各流路の動作を例して説明する。

まず、温度安定系流路９に流体を流動させた際の各部の動作について説明する。温度安定系流路９内に流体を循環させる場合、流体供給手段２内の流体が設定温度である４０℃になるよう加熱器２ａを駆動して流体の温度制御を行う。そして、流体流動手段３の駆動により流体が流動され、背圧制御手段４、熱交換手段６、冷却手段７を介して、再び流体供給手段２へ戻りながら流路内を循環する。温度安定系流路９は、供給系流路１０と独立した２系統方式であるため、供試体２０への流体供給量が「０」となった場合でも温度安定系流路９内を循環する流体温度は常に一定温度、すなわち設定温度に制御された状態を維持することができる。

なお、供試体２０の流体導出口２０ｂ側の供給系流路１０から導出された流体と、温度安定系流路９内の流体とが流路合流点１２で合流した際に、供試体２０から導出された流体温度が設定温度よりも高い場合（例えば５０℃）は、必要に応じて冷却手段７を駆動して流体を冷却し、流体温度を設定温度付近になるよう温度制御する場合がある。

次に、供給系流路１０に流体を流動させた際の各部の動作について説明する。供給系流路１０内に流体を循環させる場合、温度安定系流路９内を流動する流体と同様のものを使用し、設定温度である４０℃に温度制御された流体が流体流動手段３の駆動により流動される。そして、温度安定系流路９における背圧制御手段４の手前側の流路分岐点１１で分岐して流量調節手段５、熱交換手段６を経由して供試体２０の流体導入口２０ａから供試体２０へ導入し、供試体２０から供試体２０の流体導出口２０ｂを介して導出し、再度温度安定系流路９と流路合流点１２で合流している。供給系流路１０は、背圧制御手段４の駆動により背圧制御手段４の一次側圧力が常に一定であるため、そこで分岐した供給系流路１０における流量調節手段５の一次側圧力もまた一定となる。

また、流量調節手段５において、流体流量を大流量→小流量または小流量→大流量に変化させたとしても、流量調節手段５の一次側圧力が常に一定であるため高精度に流量調節が行うことができる。さらに、供給系流路１０は、温度安定系流路９と独立した２系統であるとともに供試体２０の流体導入口２０ａ近傍に熱交換手段６が配設されているため、流体流量を大流量→小流量または小流量→大流量に変化させたとしても、供試体２０供給前に流体温度を設定温度に温度制御して供給することができる。

このように、上述した循環式流体供給装置１は、供試体２０へ供給する流体の温度制御を行うための温度安定系流路９と、供試体２０へ供給する流体を供給するための供給系流路１０の２系統を有し、温度安定系流路９に配設された背圧制御手段４の駆動により背圧制御手段４の一次側圧力が一定に制御されているとともに、供試体２０の流体導入口２０ａ近傍に熱交換手段６が配設されている。これにより、温度安定系流路９の流路分岐点１１から分岐した供給系流路１０に配設された流量調節手段５の一次側圧力が背圧制御手段４の一次側圧力と同様に圧力が安定するため、供試体２０への供給流量を変化させた場合であっても高精度に流量制御（流量安定性が±０．５％に向上）することができる。

また、供試体２０の流体導入口２０ａ近傍に熱交換手段６を配置したことにより、流量が変化しても供給前に流体温度を設定温度に制御することができるので、流量変化に伴って供給する流体温度がオーバシュートしたりアンダーシュートすることなく温度が安定した状態（±０．５℃で温度制御）で流体供給することができる。

なお、流体流動手段３の流量は、供試体２０へ供給する最大流量の５〜１０倍の流量を流すことで循環する流体温度が安定するし、且つ、供給流量を増減しても循環圧力、熱交換手段６の能力に影響されることがなくなる。

ところで、上述した形態では、燃料電池に流体を供給するための循環式流体供給装置１として説明したが、供試体２０に供給する流体の温度安定と流量制御が同時に必要な例えば触媒反応装置など幅広く使用することができる。

以上、本願発明における最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

本発明に係る循環式流体供給装置の概略構成を説明するための概略説明図である。従来の循環式流体供給装置を説明するための概略説明図である。従来の循環式流体供給装置の他の形態を説明するための概略説明図である。従来の循環式流体供給装置の他の形態を説明するための概略説明図である。

符号の説明

１循環式流体供給装置
２流体供給手段
２ａ加熱器
２ｂ温度調節計
２ｃ水位計
３流体流動手段
４背圧制御手段
５流量調節手段
５ａ流量計
５ｂ流量調節計
５ｃ流量調節弁
６熱交換手段
７冷却手段
８制御手段
９温度安定系流路
１０供給系流路
１１流路分岐点
１２流路合流点
１３入口側温度計
１４出口側温度計
２０供試体

Claims

供試体に供給する流体の温度を設定温度に制御するための循環式の温度安定系流路と、前記温度安定系流路の流路分岐点から分岐して前記供試体の流体導入口と接続するとともに、前記供試体の流体導出口と前記温度安定系流路の流路合流点とを接続して前記供試体に供給する前記流体を導入出する供給系流路との２系統を有する循環式流体供給装置であって、
前記温度安定系流路における前記流路分岐点のよりも下流側に配設され、一次側圧力を常時一定に保つ背圧制御手段と、
前記流路分岐点から分岐した前記供給系流路に配設され、前記背圧制御手段で一定の圧力に制御された状態で前記流路分岐点を経由してくる前記流体の流量調節を行う流量調節手段と、
前記供試体の流体導入口近傍に配設され、前記温度安定系流路から分岐した前記供給系流路を流動する前記流体の温度を、前記温度安定系流路を流動する流体を用いて熱交換により前記供試体導入前に設定温度に温度制御する熱交換手段と、
を備えたことを特徴とする循環式流体供給装置。