JP5610152B2 - ヒータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、流量が可変のガス、液体等の流体の温度を、その流路途中で一定温度に制御するヒータ装置、特に、燃料電池発電評価時に燃料電池に供給する水素やドライエアーのガス温度制御においてガス流量の過渡変化に追従し安定した温度制御が可能なヒータ装置に関するものである。

燃料電池の発電性能は、供給されるガスの温度による影響が大きい。特に、供給されるガスの温度が高くなりすぎると、燃料電池を破壊してしまうこともある。
ところで従来、ガス温度の一定制御において、ガス流量が大の時には、小の時と比較してヒータ発熱量が大きい。このため、ガス流量を大から小に変化させた時には、ヒータをオフしても、そのヒータ及びヒータ周辺の構成部材の熱容量（余熱）によって、ガス温度はオーバシュートする（図３）。逆に、ガス流量を小から大に変化させた時には、ガス温度はアンダシュートする（図４）。いずれにしてもガスの温度は、図３、図４に示すように過渡的に大きく変化する。

そこで従来、このようなガス温度の変化をなくすために、特許文献１に記載の技術が開発されている。
これは、燃料電池に対して試験用ガスを供給するための試験用ガス流路の途中に加熱手段と冷却手段とを設け、冷却手段の制御弁を制御装置によってフィードバック制御することにより、ガス温度を設定温度にしようとするものである。

特開２００９−１２３５９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術では、冷却手段を設けなければならず、構成が複雑かつ大型になり、また高価になった。

本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、構成簡単かつ小型で、安価なヒータ装置を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、流量が可変の流体の温度を、その流路途中で一定温度に制御するためのヒータ装置であって、棒状ヒータと、この棒状ヒータが軸方向に挿通された筒状部を有するヒータ筐体と、このヒータ筐体内の前記棒状ヒータに沿った筒状空間の軸方向の一端側に連通する流体入口配管と、前記ヒータ筐体の、前記筒状空間の軸方向に沿った位置に間隔をおいて複数個配設され、各一端がその配設位置にて前記筒状空間に連通し、各他端は共通に流体出口配管に連通する切換えバルブと、前記筒状空間を軸方向に２分する隔壁と、この隔壁が先端側に取り付けられ、この隔壁を、前記筒状空間の軸方向に移動可能かつ予め定めた位置に位置決め可能な隔壁移動部材とを具備することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のヒータ装置において、前記隔壁が位置決めされた位置に応じて、その隔壁で２分される前記筒状空間のうち、前記流体入口配管が連通する側の筒状空間部分に連通する前記切換えバルブが開弁されることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のヒータ装置において、前記隔壁移動部材は、前記隔壁の中央部に形成された貫通孔に連通する可動筒を備え、前記隔壁の貫通孔及び前記可動筒の中空部に前記棒状ヒータが挿通され、この棒状ヒータに案内されて前記隔壁移動部材及び前記隔壁が移動されることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、可動の隔壁によって流体の流量の増減に応じてヒータの、流体との熱交換面積を増減可能である。したがって、流体温度にオーバシュートやアンダシュートを生じさせずに流体流量を制御できるヒータ装置を、冷却手段を備えることなく、つまり、構成簡単かつ小型で、安価に提供できる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明を、隔壁移動部材による隔壁の移動と複数個の切換えバルブの開弁（開閉弁）によって実現できるという効果を奏する。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明を、コンパクトに構成できるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るヒータ装置を流量大設定時において示す側断面図である。 同上ヒータ装置を流量小設定時において一部切断して示す側面図である。 ガス温度の一定制御において、ガス流量を大から小に変化させた時に生じるガス温度のオーバシュートの説明図である。 同じくガス流量を小から大に変化させた時に生じるガス温度のアンダシュートの説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１、図２は、本発明の一実施形態に係るヒータ装置を示す図で、図１は流量大設定時の側断面図、図２は流量小設定時において一部切断して示す側面図である。
本発明のヒータ装置は、流量が可変の流体の温度を、その流路途中で一定温度に制御するためのヒータ装置であって、本実施形態では、棒状ヒータ１、ヒータ筐体２、流体入口配管３、切換えバルブ４、流体出口配管５、隔壁６、隔壁移動部材７及びバルブ８等を備えてなる。

上記棒状ヒータ１は、通電により発熱する電気式の丸棒状又は角棒状等のヒータである。
ヒータ筐体２は、棒状ヒータ１が軸方向（図中、左右方向）に同軸的に挿通された円筒状又は角筒状等の筒状部を有するヒータ筐体である。図示例では、ヒータ筐体２は有底円筒状に形成されていて、その開口端（図中、左端）は、そこに形成された鍔部２ａに上記棒状ヒータ１の端部に形成された鍔部１ａが密着され密閉状態となっている。このヒータ筐体２は耐熱性材料、例えばアルミニウムや鉄等を含む金属材料からなる。
流体入口配管３は、ヒータ筐体２内の棒状ヒータ１に沿った筒状空間Ｓの軸方向（図中、左右方向）の左端部分に連通して設けられ、途中にバルブ８を備えている。
切換えバルブ４は、ヒータ筐体２の、筒状空間Ｓの軸方向に沿った位置に間隔をおいて複数個、ここでは５個配設されている。切換えバルブ４（４1〜４5）は、各一端がその配設位置にて筒状空間Ｓに連通し、各他端は共通に流体出口配管５に連通している。切換えバルブ４及びバルブ８は、ここでは電磁バルブからなる。

隔壁６は筒状空間Ｓを軸方向に２分する隔壁であって、隔壁移動部材７の先端部に固着されている。この隔壁６は、中央部に角形又は円形等、ここでは円形の貫通孔６ａが穿設された外形状が角形又は円形等、ここでは円形の板状体からなり、耐熱性を有する。
隔壁移動部材７は、筒状空間Ｓの軸方向に移動することによって隔壁６を同筒状空間Ｓの軸方向に移動可能であり、また予め定めた位置、ここでは、切換えバルブ４1，４2、４2，４3、４3，４4、４4，４5の各相互間位置及び切換えバルブ４5の図中右側の位置（全５箇所）に位置決め可能である。

この隔壁移動部材７は、隔壁６の上記貫通孔６ａに連通する角筒状又は円筒状等の筒状、ここでは円筒状の可動筒７ａを備えてなり、耐熱性を有する。図示例では、隔壁移動部材７（可動筒７ａ）の後端部は閉じられている。
また、この隔壁移動部材７（可動筒７ａ）は、筒状空間Ｓの軸方向の最も左端側の位置、つまり切換えバルブ４1，４2相互間位置に隔壁６を位置決めしているときでも、その後端部がヒータ筐体２の底部（図中、左端部）からヒータ筐体２の外部に突出し、図中右方向に引抜き移動することができる長さに設定されている。
隔壁移動部材７及び隔壁６は、隔壁６の貫通孔６ａ及び隔壁移動部材７（可動筒７ａ）の中空部に上記棒状ヒータ１が挿通され、この棒状ヒータ１に案内されて筒状空間Ｓの軸方向に移動可能である。

隔壁６（隔壁移動部材７）は、設定された流体出口配管５からの流体流量に応じて移動される。隔壁６が、図２に示す位置から切換えバルブ４5の右側の位置に向かうに従って
流体流量が大きくなる。
つまり、流体出口配管５からの流体流量は、隔壁６が位置決めされた位置に応じて、その隔壁６で２分される筒状空間Ｓのうち、流体入口配管３が連通する側の筒状空間部分Ｓ1が広くなるほど、大きくなる。
切換えバルブ４（４1〜４5）のうち、少なくとも、流体入口配管３が連通する側の筒状空間部分Ｓ1に連通する切換えバルブ４、図１の例では切換えバルブ４1〜４3、図２の例では切換えバルブ４1は開弁状態となる。

次に、本実施形態の動作について説明する。
図１は、本実施形態に係るヒータ装置を流量大設定時、すなわち、隔壁６が切換えバルブ４3，４4相互間位置に位置決めされ、それに伴い３個の切換えバルブ４1〜４3が開弁されている例を示している。
いま、この例において棒状ヒータ１がオン（発熱）されており、流体入口配管３に備わるバルブ８が開弁状態にあって、ガス、ここでは水素ガスが、ヒータ筐体２内の棒状ヒータ１に沿った筒状空間Ｓに供給され一定温度に加熱されている。そして、隔壁６で２分される筒状空間Ｓのうち、流体入口配管３が連通している側（図中、左側）の筒状空間部分Ｓ1に連通する切換えバルブ４が開弁状態になっているとすると、流体出口配管５からは一定温度の比較的大流量のガスが供給先、ここでは燃料電池に送出される。
隔壁６で２分されている筒状空間Ｓのうち、流体入口配管３が連通していない側（図中、右側）の筒状空間部分Ｓ2に連通する切換えバルブ４の開，閉弁の別は、隔壁６（隔壁移動部材７）の円滑な移動を筒状空間Ｓ2内のガス圧によって妨げられない限り、問わないが、ここでは半開状態又は開状態とされている。

このような図１に示す流量大設定時から、図２に示す流量最小設定にガス流量を制御した場合の作用について説明する。
このようにガス流量が大から小に低減されると、従来は、ヒータをオフしても、そのヒータ及びヒータ周辺の構成部材の熱容量（余熱）によって、ガス温度は図３に示すようにオーバシュートした。

本実施形態では、ガス流量が低減して、つまり、隔壁６が図１に示す位置から移動して図２に示す切換えバルブ４1，４2相互間位置に位置決めされても（この際、切換えバルブ４は４1のみが開弁していればよい）、ガス温度はオーバシュートしない。
すなわち、隔壁６が図２に示す切換えバルブ４1，４2相互間位置に位置決めされると、それに伴って、流体入口配管３からのガス（供給ガス）の加熱に大きく作用する棒状ヒータ１部分、すなわち供給ガスとの間で熱交換される棒状ヒータ１の表面積部分は減少し、供給ガスへの発熱量は瞬時に低下する。また、上記供給ガスの加熱に作用する筒状空間Ｓ及びその周壁部分も減少する。
その結果、棒状ヒータ１のオン、オフに拘わらず（オフすれば特に）、流体出口配管５からのガス温度において、図３に示すようなオーバシュートは防止あるいは緩和される。

逆の場合、すなわちガス流量が増加しても、例えば、隔壁６が図２に示す位置から移動して図１に示す切換えバルブ４3，４4相互間位置に位置決めされても（この際、切換えバルブ４は４1〜４3が開弁している）、ガス温度はアンダシュートしない。
すなわち、隔壁６が図１に示す切換えバルブ４3，４4相互間位置に位置決めされると、それに伴って、流体入口配管３からのガス（供給ガス）の加熱に大きく作用する棒状ヒータ１部分、すなわち供給ガスとの間で熱交換される棒状ヒータ１の表面積部分は増加し、供給ガスへの発熱量は瞬時に上昇する。また、上記供給ガスの加熱に作用する筒状空間Ｓ及びその周壁部分も増加する。
また、筒状空間部分Ｓ2においては、それまでガス加熱に直接作用してはいないが、ここに挿通されている棒状ヒータ１は、この間、継続してオンになっているので、この筒状空間部分Ｓ2内は加熱されている。
その結果、流体出口配管５からのガス温度における図４に示すようなアンダシュートも防止あるいは緩和される。

１：棒状ヒータ、２：ヒータ筐体、３：流体入口配管、４（４1〜４5）：切換えバルブ、５：流体出口配管、６：隔壁、７：隔壁移動部材、７ａ：可動筒、Ｓ：筒状空間。

Claims (3)

1. 流量が可変の流体の温度を、その流路途中で一定温度に制御するためのヒータ装置であって、
   棒状ヒータと、
   この棒状ヒータが軸方向に挿通された筒状部を有するヒータ筐体と、
   このヒータ筐体内の前記棒状ヒータに沿った筒状空間の軸方向の一端側に連通する流体入口配管と、
   前記ヒータ筐体の、前記筒状空間の軸方向に沿った位置に間隔をおいて複数個配設され、各一端がその配設位置にて前記筒状空間に連通し、各他端は共通に流体出口配管に連通する切換えバルブと、
   前記筒状空間を軸方向に２分する隔壁と、
   この隔壁が先端側に取り付けられ、この隔壁を、前記筒状空間の軸方向に移動可能かつ予め定めた位置に位置決め可能な隔壁移動部材とを具備することを特徴とするヒータ装置。
2. 前記隔壁が位置決めされた位置に応じて、その隔壁で２分される前記筒状空間のうち、前記流体入口配管が連通する側の筒状空間部分に連通する前記切換えバルブが開弁されることを特徴とする請求項１に記載のヒータ装置。
3. 前記隔壁移動部材は、前記隔壁の中央部に形成された貫通孔に連通する可動筒を備え、前記隔壁の貫通孔及び前記可動筒の中空部に前記棒状ヒータが挿通され、この棒状ヒータに案内されて前記隔壁移動部材及び前記隔壁が移動されることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒータ装置。