JP2005188312A

JP2005188312A - 排気装置

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Publication number: JP2005188312A
Application number: JP2003427802A
Authority: JP
Inventors: Yohei Toyoshima; 洋平豊島
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2003-12-24
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2005-07-14
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP4291686B2

Abstract

【課題】排気中の凝縮水を有効活用するとともに、排気に起因した騒音の消音効果を格段と向上させることができる排気装置を提供する。
【解決手段】燃料電池スタックを動力源として備える燃料電池自動車に用いられ、上記燃料電池スタックにて発生した水蒸気からなる排気を流通する排気管と、この排気管に接続され上記排気に起因する騒音を低減するマフラー６と、上記マフラー６内に設けられ上記騒音を吸収するための吸音材を充填してなる吸音室１１とを有し、上記排気を大気へと排出する排気装置において、上記排気中に含まれる凝縮水を上記吸音室１１に所定量溜めるための水量調整孔１０を、上記マフラー６内に上記吸音室１１を形成するためのエンドプレート６ａに設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池自動車に使用して好適な排気装置に関し、詳細には、マフラー内に溜まる凝縮水を有効に利用して消音効果を高める技術に関する。

近年、環境問題の観点から有害な排気ガスを生ずることのない燃料電池自動車が注目されてきている。この燃料電池自動車は、水素と酸素の化学反応による電気エネルギによって駆動力を得るもので、前記化学反応によって生じた水蒸気を、排気管を通してマフラーへと送り出し大気中に排出するものである。

このため、このような燃料電池自動車に用いられる前記排気管やマフラー等を有する排気装置では、ガソリン等を燃料とする自動車の排気装置に比べて排気中の凝縮水がマフラー内に溜まり易くなる傾向にある。

このように、排気中に含まれる凝縮水が排気装置内に多量に溜まると、排気装置内にグラスウール等からなる吸音材が充填されている場合、この吸音材が凝縮水を多量に吸水するため、本来吸音材が有するべき空気層の占有面積（つまり、体積）が縮小され、吸音効果を著しく低下させるおそれがある。また、排気装置内に吸音材が充填されていない場合においても、耐腐食性を低下させたり、異音を発生させたり、凝縮水の凝固によって亀裂を発生させたりする問題を引き起こすことが懸念されている。

このような問題を解決する１つの手法として、従来、例えば特許文献１のように、排気管に凝縮水排出用のＵ字型チューブでなるドレン部を設け、このドレン部から凝縮水を排出することにより、排気装置内に凝縮水が溜まったり、それに起因して吸音材に凝縮水が吸水されたりするのを防止するようにした技術が考案されている。

また、他の手法として、前記マフラーにおけるエンドプレートまたは当該マフラー内を仕切るバッフル等に小孔を穿設し、これら小孔から消音の妨げになる凝縮水を排出する技術が考案されている。
特開平１０−３０８１３号公報（第３頁及び第４頁、第１図など参照）

かかる特許文献１の技術では、前記ドレン部は常閉弁手段を備え、当該ドレン部から排気ガスが排出されるのを防止するようになっているとともに、ドレン部に所定量の凝縮水が溜まると、この常閉弁手段が開状態になってドレン部に溜まった凝縮水を排出するようになっている。

ところが、排気管内の排気に起因する騒音は、水を透過してしまう性質を有しているため、この騒音がドレン部から排出される凝縮水を透過し、この凝縮水とともに消音されないまま大気へ放出されてしまう可能性がある。

そして、このような場合、車内騒音および車外騒音を引き起こす原因となるおそれがあり、結果的に排気装置として必要な消音効果を低下させかねない未だ不十分な問題がある。

また、上述した他の手法では、前記エンドプレートまたはバッフルの小孔を多く設け過ぎた場合、これら小孔における気流音発生寄与率が増大してしまうばかりでなく、これら小孔から吸音材が飛散するおそれもあり、上述した問題の解決策としては不十分である。

このように、吸音材を充填してなるマフラーにおいて、多量の凝縮水が溜まることに起因した吸音性能低下の防止を図るため、マフラーにおける拡張室容積を拡大することも考えられるが、今現在、拡張室容積および吸音材線径、密度などは設計上固定されていることから、その設計範囲、容積において奏する消音効果には限りがあり、それ以上の消音効果を期待するのは困難な状況にある。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、排気中の凝縮水を有効活用するとともに、排気に起因した騒音の消音効果を格段と向上させることができる排気装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、燃料電池スタックを動力源として備える燃料電池自動車に用いられ、上記燃料電池スタックにて発生した水蒸気からなる排気を流通する排気管と、この排気管に接続され上記排気に起因する騒音を低減するマフラーと、上記マフラー内に設けられ上記騒音を吸収するための吸音材を充填してなる吸音室とを有し、上記排気を大気へと排出する排気装置において、上記排気中に含まれる凝縮水を上記吸音室に所定量溜めるための水量調整孔が、上記マフラー内に上記吸音室を形成するためのエンドプレートまたはバッフルに設けられたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の排気装置であって、上記吸音室に溜める上記凝縮水の所定量が、上記マフラーにおける上記吸音室の体積の１０〔%〕乃至３０〔%〕でなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の排気装置であって、上記マフラーの上記水量調整孔に、上記吸音材の飛散を防止する飛散防止手段を設けたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、排気中に含まれる凝縮水を吸音室に所定量溜めるための水量調整孔が、マフラー内に吸音室を形成するためのエンドプレートまたはバッフルに設けられたことにより、排気とともに吸音室に送り込まれた凝縮水は、前記所定量に達するまで排水されることなく、この所定量を超えると前記水量調整孔から排水される。この吸音室内に溜まった凝縮水は、当該吸音室内に充填された吸音材に吸水され、その後、毛細管現象によって吸音材全体へと行き届き、いわば吸音膜として機能する。そして、この凝縮水による吸音膜が、排気の排出に伴って生じる騒音の高周波成分を吸収するクッションとしての役目を果たすため、凝縮水を積極的に排出していた従来の排気装置に比べ、より効果的に騒音を低減することができ、凝縮水を当該騒音の低減作用に有効的に用いることができる。かくして、本発明によれば、排気中の凝縮水を有効活用するとともに、排気に起因した騒音の消音効果を格段と向上させることができる。

請求項２に記載の発明によれば、吸音室に溜める凝縮水の所定量が、マフラーにおける吸音室の体積の１０〔%〕乃至３０〔%〕でなるようにしたことにより、この凝縮水が吸音室内に蓄積される量が所定範囲内に抑制され、凝縮水によって吸音室内の吸音材に形成される吸音膜を最適化することができるため、吸音材による騒音の吸音作用を劣らせることなく、この騒音を効果的に低減させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、マフラーの水量調整孔に、吸音材の飛散を防止する飛散防止手段を設けたので、この水量調整孔から吸音材が飛散するのを防止することができる。また、本発明によれば、この飛散防止手段が水量調整孔に設けられていることにより、当該水量調整孔を排気が通過することに起因する気流音の発生寄与率を低減することもできる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「排気装置の構成」
図１〜図３は、本発明にかかる排気装置の一実施形態を示し、図１は本発明にかかる排気装置の全体構成図、図２は図１の排気装置における要部（マフラー）を拡大して示す斜視図、図３は図２におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。

図１に示す燃料電池自動車の排気装置１においては、燃料電池のスタック部２に、排気管としての排気チューブ３を介して排水素燃焼器４が接続されている。この排水素燃焼器４には、排気チューブ３を介してフレキシブルチューブ５が接続され、当該フレキシブルチューブ５には、排気チューブ３を介してマフラー６の導入管７が接続されている。このとき、これらスタック部２、排水素燃焼器４およびフレキシブルチューブ５をそれぞれ接続する排気チューブ３同士と、排気チューブ３とマフラー６の導入管７との間には、各々接続用フランジ３ａが介在されている。

そして、この排気装置１では、前記スタック部２にて水素と酸素との化学反応によって生じた水蒸気と排水素とからなる排気を排気チューブ３を介して排水素燃焼器４へと送給し、この排水素燃焼器４にて前記排気中の排水素を燃焼する。

この後、排気は、排気チューブ３を介してフレキシブルチューブ５を通り、導入管７を経てマフラー６内へと導かれ、当該マフラー６において凝縮水からなる液体と気体とに気液分離される。そして、気体部分はマフラー６の排出管８を介して大気中に放出され、液体部分、すなわち凝縮水はマフラー６内に所定量貯蔵され、当該所定量を超えた分は、後述する水量調整孔１０（図２および図３参照）を介して外部に排出されるようになっている。

ここで、このマフラー６は、図２および図３に示すように、上流の排気チューブ３と接続され送給される排気（水蒸気）を導入するための導入管７が設けられた一端側の端板６ａ（以下、これをエンドプレート６ａと称する）と、マフラー６内に導入した排気を大気中に放出するための排出管８が設けられた他端側の端板６ｂと、これらエンドプレート６ａ、端板６ｂによって両端部を閉塞された円筒形状のいわゆる砲弾型でなるシェル６ｃとを有し、これらエンドプレート６ａ、端板６ｂおよびシェル６ｃと、前記導入管７および排出管８とがそれぞれ嵌合溶接によって接合されている。

また、シェル６ｃの外周における所定位置には、マフラー６を図外の車体へと取り付けるための取付用フック９が溶接法等の手法を用いて固定されているとともに、このマフラー６の内部には、図示を省略する吸音材が充填されてなる吸音室１１が形成されている。さらに、導入管７と排気管８とを連通する排気チューブには、排気中の凝縮水を吸音室１１内へ放出するための複数の放出孔７ａが設けられている。

本実施形態の場合、マフラー６のエンドプレート６ａには、マフラー６内に貯蔵された所定量を超える凝縮水を排出するための水量調整孔１０が、例えば円形状で設けられている。また、水量調整孔１０には、吸音室１１内に充填された吸音材が飛散するのを防止するための飛散防止手段である飛散防止メッシュ、発泡金属またはステンレスワイヤ等でなる蓋Ｍが設けられている。但し、この蓋Ｍは、水量調整孔１０を完全に密封するものではなく、凝縮水や排気を流通しつつ、吸音材の飛散を防止するものである。

［実験による考察］
ここで、実際に本実施形態による排気装置１を使用したときの排気の流れを調べてみた。

排気とともに吸音室１１に送り込まれた凝縮水は、所定量に達するまで排水されることなく吸音室１１内に貯水され、所定量を超えると前記水量調整孔１０から排水される。このとき、このマフラー６内に貯蔵される凝縮水の水量は、吸音室１１内の吸音材による凝縮水の吸水量と平均音響パワー密度との関係を示す図４（ａ）および（ｂ）から見てわかるように、排気の排出に起因する騒音の周波数が２００〔Hz〕〜１１００〔Hz〕の領域では、消音効果は見受けられないものの、前記周波数が１１００〔Hz〕〜２０００〔Hz〕の領域では、前記吸水量が２００〔cc〕〜５００〔cc〕の範囲において、５〔dB〕〜１０〔dB〕の消音効果が見受けられる。

但し、実際には抑制する騒音周波数にもよるが、通常、対象となる騒音が気流音であれば、排気チューブ３内を流れる排気の流量は約５〔m^３〕以下となるので、マフラー６において発生する気流音のピーク値となる１１００〔Hz〕〜２０００〔Hz〕程度の範囲を消音することをねらいとすればよい。なお、ここで言う平均音響パワー密度とは、ある周波数範囲の音の平均値を表すもので、各周波数の音のエネルギーレベルを平均化処理して得られる値のことである。

このように、マフラー６内の吸音室１１に２００〔cc〕〜５００〔cc〕（すなわち、マフラー６における吸音室１１の体積の１０〔%〕〜３０〔%〕分）の凝縮水が溜まるようにすることにより、騒音の周波数と挿入損失との関係を表す図５から見てわかるように、実線で示される吸音室１１内における凝縮水の貯水量（以下、これを吸水量と称する）が０〔cc〕である場合と比較して、破線で示される吸水量が３０５〔cc〕の場合や、一点鎖線で示される吸水量が４２９〔cc〕の場合および二点鎖線で示される吸水量４５７〔cc〕の場合では、マフラー６において排気の排出に伴って生じる騒音の消音効果を格段と向上させることができる。
なお、ここで言う挿入損失とは、排気の入り口側における騒音レベルと出口側における騒音レベルとの差であり、前記図５の場合、プラス側は入力音のレベルが減衰されるレベル、マイナス側は入力音のレベルが増加されることを示す。

また、本実施形態では、マフラー６内の吸音室１１に２００〔cc〕〜５００〔cc〕（吸音室１１の体積の１０〔%〕〜３０〔%〕分）の凝縮水が溜まるように、エンドプレート６ａに水量調整孔１０を穿設すればよいので、その穿設位置Ｌは、マフラー容積（形状や大きさ）によって異なるが、例えばφ１３０〔mm〕で長さ１５０〔mm〕でなるマフラー６の場合、水量調整孔位置とマフラー内貯水量との関係を表す図６に示すように、エンドプレート６ａにおけるシェル６ｃの底部より約１５〔mm〕〜３５〔mm〕程度の位置に穿設するのが好ましい。

また、具体的にこの水量調整孔１０の大きさは、当該水量調整孔１０を流通する排気に起因する気流音等を考慮するとφ４〔mm〕以下、望ましくはφ２〔mm〕〜φ３〔mm〕程度の範囲で設定するのが好ましい。但し、この大きさは、水量調整孔１０の形状に応じてφ４〔mm〕以下の範囲で適宜変更可能である。

以上述べたように、本実施形態の排気装置１によれば、燃料電池自動車が排出する水蒸気等で構成された排気中に含まれる凝縮水を、吸音室１１に所定量溜めるための水量調整孔１０が、マフラー６内に吸音室１１を形成するためのエンドプレート６ａに設けられたことにより、排気とともに吸音室１１に送り込まれた凝縮水は、前記所定量（すなわち、マフラー６における吸音室１１の体積の１０〔%〕〜３０〔%〕分）に達するまで排水されることなく、この所定量を超えると前記水量調整孔１０から排水される。

この吸音室１１内に溜まった凝縮水は、当該吸音室１１内に充填された吸音材に吸水され、その後、毛細管現象によって吸音材全体へと行き届き、いわば吸音膜として機能する。そして、この凝縮水による吸音膜が、排気の排出に伴って生じる騒音の高周波成分を吸収するクッションとしての役目を果たすため、凝縮水を積極的に排出していた従来の排気装置に比べ、より効果的に騒音を低減することができ、凝縮水を当該騒音の低減作用に有効的に用いることができる。

かくして、本発明によれば、排気中の凝縮水を有効活用するとともに、排気に起因した騒音の消音効果を格段と向上させることができる。

また、本実施形態によれば、吸音室１１に溜める凝縮水の前記所定量が、マフラー６における吸音室１１の体積の１０〔%〕乃至３０〔%〕でなるようにしたことにより、この凝縮水が吸音室内に蓄積される量が所定範囲内に抑制され、凝縮水が毛細管現象によって吸音材全体に染み込むことにより形成される吸音膜を最適化することができるため、当該吸音材による騒音の吸音作用を劣らせることなく、この騒音を効果的に低減させることができる。

さらに、本実施形態によれば、マフラー６の水量調整孔１０に、吸音材の飛散を防止する蓋Ｍを設けたので、この水量調整孔１０から吸音材が飛散するのを防止することができる。また、本発明によれば、この蓋Ｍが水量調整孔１０に設けられていることにより、当該水量調整孔１０を排気が通過することに起因する気流音の発生寄与率を低減することもできる。

「その他の実施形態」
以上、本発明を適用した具体的な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

例えば、図３との対応部分に同一符号を付して示す図７に示すように、エンドプレート２０ａと端板２０ｂとの間のシェル２０ｃ内に、吸音室１１を区画するためのバッフル２０ｄが設けられたマフラー２０に適用することも可能である。

この場合、シェル２０ｃ内がバッフル２０ｄによって仕切られることにより、吸音室１１より上流側に第１室２１が形成されるため、前記水量調整孔１０は、バッフル２０ｄに穿設される。

そして、吸音室１１から排出される凝縮水は、水量調整孔１０を介して第１室２１へと排出された後、エンドプレート２０ａに設けられた排水孔２２から外部へと放出されるようになっている。なお、この場合、凝縮水を外部へと排出する排水孔２２の形成位置はエンドプレート２０ａのみに限らず、図７との対応部分に同一符号を付した図８に示すように、シェル２０ｃにおける第１室２１周辺の外周部下方に穿設するようにしてもよい。

また、導入管７および排出管８は排気チューブによって連通され直線状に設けられる必要はなく、例えば図７との対応部分に同一符号を付した図９に示すように、これら導入管７と排出管８とが、それぞれ分離されて、かつ前記排気の流通方向においてずらした状態に配設されてなるマフラー３０においても適用することができる。この場合、エンドプレート３０ａには導入管７が嵌合溶接され、端板３０ｂとバッフル３０ｄには排出管８が嵌合溶接されてなる。

図８に示したマフラー２０を有する排気装置では、上述の排気装置１と同様の効果を得られることは勿論、マフラー２０において内部にバッフル２０ｄが形成されることにより、このマフラー２０内を貫通するように設けられる導入管７および排出管８を連通する排気チューブを、エンドプレート２０ａと端板２０ｂとの間で支えるため、この排気チューブを安定して支持することができる利点を得ることができる。

さらに、上述した実施形態では、マフラー６のエンドプレート６ａに円形状の水量調整孔１０が設けられる場合について述べたが、本発明はこれに限ることなく、この水量調整孔１０を星形や楕円形もしくは、図１０に示すような円周方向に伸びた長孔のスリット１２等の形状で設けてもよく、またこの水量調整孔１０を複数設けるようにしてもよい。

本発明による排気装置の一実施形態における構成を概略的に示す全体構成図である。図１におけるマフラーを拡大して示す斜視図である。図１におけるマフラーを拡大して示す断面図である。吸音材の吸水量と平均音響パワー密度との関係を示すグラフであり、（ａ）はこの排気装置における騒音の周波数が２００〔Hz〕〜１１００〔Hz〕の領域である場合のグラフ、（ｂ）は前記騒音の周波数が１１００〔Hz〕〜２０００〔Hz〕の領域である場合のグラフである。騒音の周波数と挿入損失との関係を示すグラフである。水量調整孔の配置位置と凝縮水の貯水量との関係を示すグラフである。他の実施形態によるマフラーを示す断面図である。他の実施形態によるマフラーを示す断面図である。他の実施形態によるマフラーを示す断面図である。他の実施形態によるエンドプレートを示す平面図である。

符号の説明

１…排気装置
３…排気チューブ（排気管）
６、２０、３０…マフラー
６ａ、２０ａ、３０ａ…エンドプレート
１０…水量調整孔
１１…吸音室
２０ｄ、３０ｄ…バッフル
２２、３２…排水孔
Ｌ…穿設位置

Claims

燃料電池スタック（２）を動力源として備える燃料電池自動車に用いられ、上記燃料電池スタック（２）にて発生した水蒸気からなる排気を流通する排気管（３）と、この排気管（３）に接続され上記排気に起因する騒音を低減するマフラー（６）と、上記マフラー（６）内に設けられ上記騒音を吸収するための吸音材を充填してなる吸音室（１１）とを有し、上記排気を大気へと排出する排気装置において、
上記排気中に含まれる凝縮水を上記吸音室（１１）に所定量溜めるための水量調整孔（１０）が、上記マフラー（６）内に上記吸音室（１１）を形成するためのエンドプレート（６ａ）またはバッフル（２０ｄ）に設けられた
ことを特徴とする排気装置。
請求項１に記載の排気装置（１）であって、
上記吸音室（１１）に溜める上記凝縮水の所定量が、上記マフラー（６）における上記吸音室（１１）の体積の１０〔%〕乃至３０〔%〕でなる
ことを特徴とする排気装置。
請求項１または２に記載の排気装置（１）であって、
上記マフラー（６）の上記水量調整孔（１０）に、上記吸音材の飛散を防止する飛散防止手段を設けた
ことを特徴とする排気装置。