JP2009301951A - Fuel-cell ejector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに組み込まれる燃料電池用エゼクタに関する。 The present invention relates to a fuel cell ejector incorporated in a fuel cell system.
近年、固体高分子型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)等の燃料電池を搭載した燃料電池自動車の開発が盛んである。この燃料電池自動車は、燃料電池の発電電力によってモータを回転させ走行する。 In recent years, fuel cell vehicles equipped with fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells (PEFC) have been actively developed. This fuel cell vehicle travels with a motor rotated by the power generated by the fuel cell.
燃料電池は、一般に、複数の単セルが積層されたスタックによって構成される。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)を備えている。そして、MEAのアノードに燃料ガス(水素)が、カソードに酸化剤ガス(酸素を含む空気)がそれぞれ供給されると、各単セルにおいて電位差が発生し、次いで、燃料電池に接続されるモータ等の外部負荷と電気的に接続されることにより、燃料電池が発電する。 A fuel cell is generally constituted by a stack in which a plurality of single cells are stacked. The single cell includes an MEA (Membrane Electrode Assembly). When fuel gas (hydrogen) is supplied to the anode of the MEA and oxidant gas (air containing oxygen) is supplied to the cathode, a potential difference is generated in each single cell, and then a motor connected to the fuel cell, etc. The fuel cell generates electricity by being electrically connected to the external load.
燃料電池を含む燃料電池システムでは、燃料電池から排出された燃料オフガス(水素オフガス)を、燃料電池に対して新たに供給される燃料ガス(水素)と混合して再循環させることにより、燃料ガスを有効活用すると共に、固体高分子型燃料電池のエネルギ効率を向上させることが提案されている。この場合、従来技術では、エゼクタを用いて燃料オフガスを再循環させる燃料電池システムが知られている。 In a fuel cell system including a fuel cell, the fuel off-gas (hydrogen off-gas) discharged from the fuel cell is mixed with the fuel gas (hydrogen) newly supplied to the fuel cell and recirculated to thereby recycle the fuel gas. It has been proposed to improve the energy efficiency of the polymer electrolyte fuel cell while effectively utilizing the above. In this case, in the prior art, a fuel cell system that recirculates fuel off-gas using an ejector is known.
ところで、このエゼクタを用いた燃料電池システムでは、1つのエゼクタを構成するノズルのノズル径及びディフューザ径がそれぞれ固定されているため、例えば、前記燃料電池システムが搭載された燃料電池自動車の種々の運転状況(例えば、アイドル運転時から高速運転時までの種々の運転状況)に対応して燃料電池に対して燃料ガスを供給することが困難である、と指摘されている。 By the way, in the fuel cell system using this ejector, since the nozzle diameter and the diffuser diameter of the nozzles constituting one ejector are fixed, for example, various operations of a fuel cell vehicle equipped with the fuel cell system are performed. It has been pointed out that it is difficult to supply fuel gas to the fuel cell in response to the situation (for example, various operation situations from idle operation to high-speed operation).
この点に関し、特許文献1には、ユニット本体内に、ノズル径がそれぞれ異なる3つのノズルを備えた第1〜第3エゼクタと、前記第1〜第3エゼクタに対して燃料ガスの供給通路を切り換える第1切換弁及び第2切換弁とを配設し、第1切換弁と第2切換弁とのオン・オフ動作の組み合わせによって、第1〜第3エゼクタ中から選択された所望のエゼクタに対して燃料ガスを切り換えて供給することが可能な燃料電池の流体供給装置が開示されている。
前記燃料電池の流体供給装置では、第1切換弁及び第2切換弁がそれぞれ可動コア及び固定コアを含むソレノイドによって構成される電磁弁からなり、前記可動コアが鉛直上下方向に沿って摺動することにより弁体を変位させる縦置き型が用いられている。 In the fluid supply device of the fuel cell, the first switching valve and the second switching valve are each composed of a solenoid valve including a solenoid including a movable core and a fixed core, and the movable core slides in the vertical vertical direction. Thus, a vertical type that displaces the valve body is used.
そこで、装置全体における縦方向の寸法を抑制するために、前記ソレノイドを横置き型にした電磁弁を採用した場合、前記ソレノイドの励磁作用によって可動コアが固定コアに水平方向に沿って吸引されるときや前記励磁作用が解除されて前記可動コアが水平方向に沿って初期位置に復帰する際、前記可動コアの自重(重力)に起因する天地方向の軸ずれによって他の部材との間で摩擦力が大きくなり、前記可動コアの耐久性が劣化するという問題がある。 Therefore, in order to suppress the vertical dimension of the entire apparatus, when a solenoid valve having a horizontal solenoid is employed, the movable core is attracted to the fixed core along the horizontal direction by the excitation action of the solenoid. When the exciting action is released and the movable core returns to the initial position along the horizontal direction, friction between the movable core and other members occurs due to the vertical axis misalignment caused by the weight (gravity) of the movable core. There is a problem that the force increases and the durability of the movable core deteriorates.
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、ソレノイドを横置き状態とした場合に可動コアの磨耗を抑制して耐久性を向上させることが可能な燃料電池用エゼクタを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and provides a fuel cell ejector capable of suppressing the wear of the movable core and improving the durability when the solenoid is placed horizontally. With the goal.
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガス供給手段から燃料ガスが供給されるインレットポートと、燃料電池に連通する燃料ガス供給通路に接続されるアウトレットポートと、循環通路に接続され燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスが吸入される吸引ポートとが設けられたエゼクタ本体と、前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルを有し、前記ノズル孔における吐出断面積を調整するノズル孔断面積調整機構と、コイルの励磁作用によって、前記ニードルと一体的に固定コア側に向かって水平方向に沿って変位可能に設けられた可動コアを含むソレノイドとを備え、
前記固定コアと対向する前記可動コアの軸方向に沿った端部には、前記固定コアから離間する方向に窪む凹部が設けられ、前記可動コアの凹部と対向する前記固定コアの軸方向に沿った端部には、前記凹部に対応する形状からなる凸部が設けられることを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention is connected to an inlet port to which fuel gas is supplied from the fuel gas supply means, an outlet port connected to a fuel gas supply passage communicating with the fuel cell, and a circulation passage. An ejector body provided with a suction port through which fuel off-gas discharged and returned from the fuel cell is sucked, a nozzle having a nozzle hole for discharging fuel gas supplied through the inlet port, and the nozzle hole A diffuser for mixing the fuel gas discharged from the fuel off-gas discharged from the fuel cell through the circulation passage and a needle extending in the axial direction into the hollow portion of the nozzle, The nozzle hole cross-sectional area adjusting mechanism for adjusting the discharge cross-sectional area in the nozzle hole and the coil excitation function are used to fix the needle integrally with the needle. And a solenoid including a movable core provided so as to be displaceable along a horizontal direction towards the side,
A concave portion that is recessed in a direction away from the fixed core is provided at an end portion along the axial direction of the movable core that faces the fixed core, and the axial direction of the fixed core that faces the concave portion of the movable core is provided. A convex portion having a shape corresponding to the concave portion is provided at the end along the line.
本発明によれば、相互に対向する、可動コアの端部に凹部を形成すると共に、固定コアの端部に前記凹部に対応する凸部を形成することにより、例えば、可動コア及び固定コアの端面をそれぞれ平坦面とした場合と比較して、可動コアの変位量を増大させて前記可動コアの磨耗を抑制して耐久性を向上させることができる。この場合、本発明では、可動コアに付与されるサイドフォース(横力)を小さくすることができるため、前記サイドフォースによってカジリによる磨耗の発生を低減することができると共に、可動コアの摺動性を向上させることができる。 According to the present invention, the concave portions are formed at the end portions of the movable core that face each other, and the convex portions corresponding to the concave portions are formed at the end portions of the fixed core. Compared with the case where the end surfaces are flat surfaces, the displacement of the movable core can be increased to suppress wear of the movable core and improve the durability. In this case, in the present invention, since the side force (lateral force) applied to the movable core can be reduced, the occurrence of abrasion due to galling can be reduced by the side force, and the slidability of the movable core can be reduced. Can be improved.
また、本発明では、エゼクタ本体に、ソレノイドが内部に収容される有底円筒状のハウジングを含むように構成し、前記ハウジングが前記エゼクタ本体の他の部材に締結された際、前記コイルが巻回されたコイル巻線体は、軸方向に沿った両端部で挟持されると共に、前記ハウジングの内径面と前記コイル巻線体の外径面との間で径方向の間隙が設けられると好適である。 In the present invention, the ejector body is configured to include a bottomed cylindrical housing in which a solenoid is accommodated, and the coil is wound when the housing is fastened to another member of the ejector body. The rotated coil winding body is preferably sandwiched between both end portions along the axial direction, and a radial gap is provided between the inner diameter surface of the housing and the outer diameter surface of the coil winding body. It is.
すなわち、本発明では、比較的重量物からなるコイル巻線体を、エゼクタ本体の他の部材とハウジングとの間で軸方向に沿った両端部で挟持し、且つハウジングの内径面とコイル巻線体の外径面との間で径方向の間隙を設けて非接触状態としている。この結果、本発明では、コイル巻線体の重量が、例えば、可動コアの外周面を囲繞して前記可動コアを案内するガイド部に伝達されることがなく、前記ガイド部の変形を好適に阻止することができる。 That is, in the present invention, a coil winding body made of a relatively heavy object is sandwiched between the other members along the axial direction between the other members of the ejector body and the housing, and the inner diameter surface of the housing and the coil winding A non-contact state is provided by providing a radial gap with the outer diameter surface of the body. As a result, in the present invention, the weight of the coil winding body is not transmitted to, for example, the guide portion that surrounds the outer peripheral surface of the movable core and guides the movable core. Can be blocked.
また、本発明では、ハウジングの内壁に、固定コアとの間で径方向に沿って磁束を受け渡す磁束受け渡し部を設けることにより、磁束受け渡し部によって径方向に沿って磁束を受け渡すことが可能となり、磁束密度を増大させて可動コアの吸引力を向上させることができる。 In the present invention, the magnetic flux can be transferred along the radial direction by the magnetic flux transfer portion by providing the magnetic flux transfer portion along the radial direction with the fixed core on the inner wall of the housing. Thus, the magnetic flux density can be increased and the attractive force of the movable core can be improved.
ソレノイドを横置き状態とした場合に可動コアの磨耗を抑制して耐久性を向上させることが可能な燃料電池用エゼクタを得ることができる。 When the solenoid is placed horizontally, it is possible to obtain a fuel cell ejector capable of suppressing the wear of the movable core and improving the durability.
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係るエゼクタが組み込まれた燃料電池システムのブロック構成図、図2は、前記エゼクタの軸方向に沿った縦断面図、図3は、図2のエゼクタにおいてノズル孔の縦断面積が変化した状態を示す縦断面図である。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system incorporating an ejector according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a longitudinal sectional view along the axial direction of the ejector, and FIG. 3 is a nozzle in the ejector of FIG. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the state which the vertical cross-sectional area of the hole changed.
図1に示されるように、燃料電池システム10は、燃料電池12と、内部に高圧の水素ガスが充填され、前記燃料電池12に対し燃料ガスとして前記水素ガスを供給する水素タンク(燃料ガス供給手段)14と、前記燃料電池12に対して酸化剤ガス(酸素)を含む圧縮エアを供給するエアコンプレッサ16と、前記燃料電池12から排出された未反応の水素を気体(水素)と液体(水)とに分離すると共に、前記分離された水素を、前記燃料電池12から排出される未反応のエアによって希釈する気液分離及び希釈部18とを備えて構成される。
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 10 includes a fuel cell 12 and a hydrogen tank (fuel gas supply) that is filled with high-pressure hydrogen gas and supplies the hydrogen gas as fuel gas to the fuel cell 12. Means) 14, an
燃料電池12は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池(PEFC)からなり、図示しない燃料電池自動車等の車両に搭載される。この燃料電池12は、複数の単セル(図示せず)が積層して構成された図示しないスタック本体を有し、燃料ガスとして水素が供給されるアノードと、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含むエアが供給されるカソードとを備える。 The fuel cell 12 is composed of, for example, a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and is mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle (not shown). The fuel cell 12 has a stack body (not shown) formed by stacking a plurality of single cells (not shown), an anode to which hydrogen is supplied as a fuel gas, and oxygen as an oxidant gas, for example. And a cathode supplied with air.
前記水素タンク14と前記燃料電池12との間には、水素供給通路(燃料ガス供給通路)20が設けられ、前記水素供給通路20中には、燃料電池用エゼクタとして機能するエゼクタ22が配設される。このエゼクタ22は、燃料電池12から排出された燃料オフガスである未反応の水素(以下、水素オフガスという)をフィードバックさせる循環通路24に接続され、水素タンク14から供給される水素と燃料電池12からフィードバックされる水素オフガスとを混合させて燃料電池12に対して再供給(再循環)するものである。
A hydrogen supply passage (fuel gas supply passage) 20 is provided between the
なお、前記水素タンク14と前記エゼクタ22との間には、エアコンプレッサ16からのエアをパイロット圧信号として導入し、燃料電池12に対して供給される水素の圧力を所定圧力に調圧するレギュレータ等を含む水素圧力調圧部(図示せず)が設けられる。
A regulator or the like that introduces air from the
前記エアコンプレッサ16と前記燃料電池12との間には、エア供給通路26が設けられ、前記エア供給通路26には、前記エアコンプレッサ16から供給された乾燥エアを加湿する加湿器28が配設される。前記加湿器28によって加湿されたエアは、エア供給通路26を介して燃料電池12のカソード側に導入される。
An
前記気液分離及び希釈部18には、例えば、燃料電池12のアノードに溜まった水やカソードから電解質膜を透過してアノードに混入した窒素ガスを含む燃料ガスを図示しない希釈器側にパージする図示しない水素パージ弁や、燃料電池12から排出される水分を含んだ水素ガスを、水素と水とに分離する図示しないキャッチタンクや、前記キャッチタンクに溜まったドレンを排出する管路を開閉する図示しないドレン弁等が設けられる。
In the gas-liquid separation and
次に、エゼクタ22について説明する。
このエゼクタ22は、エゼクタ本体を有し、図2及び図3に示されるように、前記エゼクタ本体には、フィルタ30を介して水素供給通路20に接続され水素タンク14から比較的高圧な水素が供給されるインレットポート32aと、燃料電池12に連通する水素供給通路20に接続され前記水素タンク14から供給された水素と水素オフガスとが混合された混合ガスが排出されるアウトレットポート32bと、循環通路24に接続され前記循環通路24を介して水素オフガスが吸入される吸引ポート32cとが設けられる。
Next, the
The
前記エゼクタ本体は、インレットポート32a及び吸引ポート32cに連通し水平方向に沿って貫通する第1空間部34aが形成された第1ブロック体36aと、前記第1ブロック体36aの一方の側面に第1シール部材38aを介して連結され、前記第1空間部34a及びアウトレットポート32bに連通し水平方向に沿って延在する第2空間部34bが形成された第2ブロック体36bと、前記第2ブロック体36bと反対側である前記第1ブロック体36aの他方の側面に第2シール部材38bを介して連結されるカバープレート40と、前記カバープレート40に対して一体的に締結されるハウジング42とを有する。この場合、前記第1ブロック体36a及び第2ブロック体36bは、ねじ部材41aを介して一体的に連結され(図2参照)、また、前記第1ブロック体36a、カバープレート40及びハウジング42は、それぞれ、ねじ部材41b、41cを介して一体的に連結される(図5参照)。
The ejector body includes a
なお、前記第1シール部材38a及び第2シール部材38bは、エゼクタ本体内に形成された第1空間部34a及び第2空間部34bを、気密乃至液密に保持するものである。
The
さらに前記エゼクタ本体の内部には、水平方向に沿って延在し内部に中空部44が形成された略円筒状のノズル46を有するノズル部と、前記ノズル46の軸方向に沿った一端部側に配設され、前記ノズル46と同軸状に設けられたディフューザ48を有するディフューザ部と、前記ノズル46の軸方向に沿った他端部側に配設され、後記するニードル50を所定角度だけ傾動可能に締結するニードル締結機構52と、前記ニードル50を前記ノズル46の軸方向に沿って進退動作させる電磁アクチュエータ部とがそれぞれ設けられる。
Further, inside the ejector body, there is a nozzle portion having a substantially
ノズル部は、図4(a)に示されるように、軸方向に沿って貫通しディフューザ48側に向かって徐々に縮径するノズル孔46aが一端部に形成されたノズル46を有する。前記ノズル46は、ディフューザ48側に突出して形成された鍔状のノズル保持部54によって第1ブロック体36aに保持されると共に(図2参照)、前記ノズル保持部54の内壁に形成された雌ねじ部に対し外周面の雄ねじ部46bが螺合して固定される。
As shown in FIG. 4A, the nozzle portion includes a
さらに、ノズル部は、図2及び図3に示されるように、前記ノズル46の中空部44内に配設され前記ノズル孔46aに沿って変位可能に設けられたニードル50と、前記ノズル46の他端部側の中空部44内に装着され貫通孔56によって前記ニードル50を摺動可能に軸支する略円筒状の軸受部材58と、前記ノズル46の半径外方向に向かって突出するフランジ部46cと前記ノズル46の外周面に形成された雄ねじ部46bとの間に介装されたシールリング60とを有する。
Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the nozzle portion includes a
前記ノズル46の略中央部には、図4(b)に示されるように、複数の水素導入孔62が周方向に沿って約90度ずつ離間して形成され(本実施形態では4個の水素導入孔62を例示)、前記水素導入孔62を通じてインレットポート32aから供給された水素がノズル46の中空部44内に導入される。
As shown in FIG. 4B, a plurality of hydrogen introduction holes 62 are formed approximately 90 degrees apart from each other in the circumferential direction in the substantially central portion of the nozzle 46 (in this embodiment, four nozzles are formed). Hydrogen is introduced from the inlet port 32 a through the
前記ニードル50は、図2及び図3に示されるように、鋭く尖った頂点からなる先端部50aを有しノズル孔46aに臨む小径部50bと、前記小径部50bに連続し徐々に拡径するテーパ部50cと、前記テーパ部50cに連続し前記小径部50bよりも直径が大きく軸方向に沿って略一定の外径に形成された中径部50dと、前記中径部50dに連続し前記中径部50dよりも直径が大きく形成され部分球面92からなる端面を有する大径部50eとから構成される。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
なお、本実施形態では、ノズル46の外周面に形成される複数の水素導入孔62が、周方向に90度ずつ離間して4つ形成されているが(図4(b)参照)、これに限定されるものではなく、複数個形成されていればよい。また、前記水素導入孔62を平面視した形状は、円形状に限定されるものではなく、例えば、矩形状や楕円形状等であってもよい。
In the present embodiment, a plurality of hydrogen introduction holes 62 formed on the outer peripheral surface of the
前記大径部50eの外周面には、図2及び図3に示されるように、半径外方向に僅かに突出する環状のフランジからなり、後記するばね部材100が係着されるばね受け部66が設けられる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the outer peripheral surface of the large-
軸受部材58は、所定の内径を有する貫通孔56が軸方向に沿って形成された円筒体からなる。この場合、ニードル50(小径部50b、先端部50a)がノズル46のノズル孔46aの内径部に対して非接触状態とするためには、下記の式を充足するように、軸受部材58の貫通孔56の内径が設定されるとよい。
(D1−D2)L2/L1<(D4−D3)/2・・・・(式)
但し、
D1;軸受部材58の貫通孔56の内径
D2;ニードル50の中径部50dの外径
D3;ニードル50の小径部50bの外径
D4;ノズル46のノズル孔46aの内径
L1;軸受部材58の軸方向に沿った長さ
L2;軸受部材58とノズル孔46aとの軸方向に沿った離間距離
とする(図6(a)〜(c)参照)。
The bearing
(D1-D2) L2 / L1 <(D4-D3) / 2 (Expression)
However,
D1; inner diameter of the through
図6(d)の破線で示される直角三角形の一辺を構成する(D1−D2)L2/L1の長さは、ノズル孔46aの内径D4とニードル50の小径部50bの外径D3との差の半分の長さからなる(D4−D3)/2よりも小さく設定されることにより、ニードル50(小径部50b、先端部50a)がノズル46のノズル孔46aの内径部に対して接触することが好適に回避される。
The length of (D1-D2) L2 / L1 constituting one side of the right triangle indicated by the broken line in FIG. 6D is the difference between the inner diameter D4 of the
また、軸受部材58は、ニードル50の中径部50dの略中央部を支持するようにノズル46の他端部側の中空部44内に装着され、ノズル46の端面から軸受部材58の外周面の一部が露呈するように設けられる(図2及び図3参照)。換言すると、摺動変位するニードル50の重心(図示せず)は、軸受部材58の軸方向に沿った一端部から他端部までの範囲内に位置するように設定されなくても、前記ニードル50は軸受部材58によって安定して軸支される。
The bearing
ディフューザ48は、ノズル孔46aを有するノズル46の一部を囲繞するラッパ状の拡径部48aと、前記拡径部48aに連続する円筒体からなり内部にアウトレットポート32bに向かって徐々に拡径する直線状の通路を有するスロート部48bとから構成される。
The
この場合、ノズル46、ニードル50及びディフューザ48は、それぞれ同軸(3者の軸線が一致する)となるように配設される。前記ノズル46と前記ディフューザ48との間には、吸入室68が形成され、前記吸入室68は、第1ブロック体36aの内壁に形成された円形状の複数の吸入孔70を通じて吸引ポート32cと連通するように設けられる。
In this case, the
電磁アクチュエータ部は、樹脂封止体72を介してハウジング42内に収容されるソレノイド74を含む。このソレノイド74は、樹脂製材料のコイルボビン(図示せず)に巻回されるコイル76を含むコイル組立体と、ハウジング42の内壁に形成された凹部77によって保持される固定コア78と、前記固定コア78と接近乃至離間可能に設けられた可動コア80とを有する。コイル76がモールドされた樹脂封止体72とカバープレート40との間には、所定の厚さを有する円板状のスペーサとして機能する中間プレート79が介装される。前記樹脂封止体72の径方向には、前記樹脂封止体72の外径面とハウジング42の内径面との間で所定の間隙81が形成される。ハウジング42の凹部77の底壁と前記底壁と対向する固定コア78の端面との間には、所定の間隙83が形成される。なお、前記ソレノイド74は、可動コア80が水平方向に沿って変位可能に設けられた横置き型に設定されている。
The electromagnetic actuator unit includes a
前記ハウジング42は、有底円筒体からなり、前記有底円筒体の底部内壁には、可動コア80側に向かって所定長だけ膨出し内部に固定コア78の端部が装着される環状凸部42aが設けられる(図5及び図9参照)。この環状凸部42aは、後記するように、前記環状凸部42aの内周面と固定コア78との間で径方向に沿って磁束を受け渡すことが可能な磁束受け渡し部として機能するものである(図9(b)参照)。なお、前記環状凸部42aに代えて、環状凹部を形成し、前記環状凹部の内周面に固定コア78の端部が装着されるようにしてもよい。この場合、前記環状凹部の内周面と固定コア78との間で径方向に沿って磁束を受け渡すことが可能な磁束受け渡し部が形成される。
The
可動コア80の外周面には、軸方向に沿って延在する長溝82が形成され(図4(a)参照)、可動コア80と固定コア78との間に形成される室84と第1空間部34aとが前記長溝82を通じて連通することにより、可動コア80が変位する際、前記室84内のガスが円滑に給排される。
A
また、可動コア80の軸方向に沿った一端部には、図4(a)に示されるように、半径外方向に向かって所定長だけ突出する環状フランジ部80aが形成される。前記環状フランジ部80aには、図7(a)、(b)に示されるように、環状溝(溝部)85に沿って装着された帯状の環状体87aと、前記環状体87aの平坦面に周方向に沿って約90度離間して複数個配置され、可動コア80の軸線と平行(可動コア80の作動方向)に所定長だけ突出して形成された半球状の突起部87bとが一体的に構成されたストッパ87が設けられる。なお、前記突起部87bの形状は、半球状(縦断面が略半円形状)に限定されるものではなく、例えば、縦断面が多角形状や半楕円形状、その複合形状等も含まれる。
Further, as shown in FIG. 4A, an
このストッパ87は、例えば、ゴム製材料、樹脂製材料、スポンジ材料等によって形成された弾性体からなり、環状フランジ部80aの表裏両面に、焼付け処理等によって形成される。なお、前記ストッパ87を、例えば、コイルスプリング、板ばね等のばね部材からなる弾性体によって形成してもよい。
The
ソレノイド74の励磁作用によって可動コア80が固定コア78側に向かって変位した際、前記ストッパ87の半球状の突起部87bが、他の部材として機能するカバープレート40の第2環状段部40bに当接して緩衝されることにより、当接音及び振動の発生が抑制される(図3及び図9参照)。従って、可動コア80が固定コア78に当接することが回避され、作動音や振動が図示しない燃料電池自動車の車室内に伝達されることが好適に阻止される。
When the
一方、ソレノイド74の励磁作用が解除され、復帰スプリング88のばね力によって可動コア80が初期位置に復帰する際、ストッパ87が他の部材として機能する金属製の第1ブロック体36aの端面に当接して緩衝されることにより、当接音及び振動の発生が抑制される(図2及び図5参照)。従って、前記可動コア80が第1ブロック体36aの端面に当接することが回避され、作動音や振動が図示しない燃料電池自動車の車室内に伝達されることが好適に阻止される。
On the other hand, when the exciting action of the
さらに、図5に示されるように、可動コア80の軸方向に沿った他端部には、固定コア78から離間する方向に窪む断面テーパ状の窪み部89が形成される。前記窪み部89と対向する固定コア78の端部には、前記窪み部89の形状に対応する断面テーパ状の凸部91が可動コア80側に向かって所定長だけ突出して形成される。ソレノイド74が励磁されて可動コア80が固定コア78に吸引された場合、前記可動コア80の窪み部89と前記固定コア78の凸部91との間に離間ギャップ93が形成される(図9参照)。
Further, as shown in FIG. 5, the other end portion along the axial direction of the
カバープレート40には、固定コア78側に向かって略水平方向に突出し可動コア80の外周面を囲繞する薄肉の円筒部86が、前記カバープレート40と一体的に設けられる。前記可動コア80が変位する際、前記円筒部86に沿って摺動することにより直線方向に沿ってガイドされる。なお、前記円筒部86は、その突出方向の一端部が固定コア78の環状段部に固定(溶接)されることにより気密性が保持され、第1空間部34a内に導入された水素がコイル76側へ進入することを防止する機能を有する。
The
さらに、前記電磁アクチュエータ部は、一端部が前記可動コア80の環状フランジ部80aに係着され他端部がカバープレート40の第1環状段部40aに係着される復帰スプリング88を有する。前記復帰スプリング88は、そのばね力によって前記可動コア80をノズル46側に向かって押圧する作用を有し、可動コア80が固定コア78から離間して初期位置に復帰するように設けられる。なお、コイル76は、樹脂封止体72によって支持される端子部90を介して、図示しない電源と電気的に接続される。
Further, the electromagnetic actuator portion has a
この場合、ニードル50及び前記ニードル50を変位させる電磁アクチュエータ部は、ノズル孔断面積調整機構として機能するものであり、図示しない電源をオンにしてコイル76に電流を流すことにより励磁作用が発生し、前記励磁作用によって可動コア80及びニードル50が固定コア78側に向かって一体的に変位することにより、ディフューザ48に向かって水素が噴射されるノズル孔46aの縦断面積を変化させることができる。なお、前記ノズル孔46aの縦断面積については、後記で詳細に説明する。
In this case, the
軸受部材58に近接する可動コア80の一端部には、前記可動コア80と部分球面92との接触点を基点S(図10及び図11(b)参照)として、ニードル50を所定角度だけ傾動可能に保持するニードル締結機構52が設けられる。
At one end of the
このニードル締結機構52は、図10に示されるように、可動コア80の一端部側に軸方向に沿って所定長だけ窪んで形成され大径部50eを含むニードル50の一端部が挿入される凹部94と、前記凹部94の開口部に装着され中心部にニードル50が挿通する挿通孔96が形成されたカラー部材98と、一端部がニードル50のばね受け部66に係着され他端部が前記カラー部材98の内壁に係着され前記可動コア80の凹部94内に収納される小径なばね部材100とを有する。
In the
前記凹部94には、可動コア80の軸線と直交する平面からなる底壁94aが形成される。ニードル50の一端面には、部分球面92が形成され、前記部分球面92は、前記底壁94aと点接触するように設けられる。従って、ニードル50は、前記底壁94aと点接触する部分球面92を基点Sとして所定角度だけ傾動可能で、且つラジアル方向に自由度を有するように締結される。
The
図10に示されるように、可動コア80の凹部94を構成する内周壁94bとニードル50の端縁部であるばね受け部66の外径面との間で、径方向に沿った所定のクリアランスC1が設定されると共に、ニードル50の中径部50dの外周面とカラー部材98の挿通孔96の内径面との間で、径方向に沿った所定のクリアランスC2が設定されることにより、ニードル50のラジアル方向の自由度が確保される。
As shown in FIG. 10, a predetermined clearance along the radial direction is formed between the inner peripheral wall 94 b constituting the
この場合、ニードル50は、図11(a)の二点鎖線で示されるように、底壁94aと部分球面92とが点接触した状態で前記クリアランスC1、C2だけ径方向(矢印A方向)に沿って変位可能(スライド可能)に設けられると共に、図11(b)の二点鎖線で示されるように、前記底壁94aと点接触する部分球面92を基点Sとして、ディフューザ48に近接するニードル50の一端部が矢印B方向に所定角度だけ傾動可能に設けられる。なお、所定角度だけ傾動したニードル50は、ばね部材100のばね力によって初期位置に復帰するように設けられる。
In this case, as shown by a two-dot chain line in FIG. 11 (a), the
可動コア80の凹部94の底壁94aと点接触するニードル50の端面を、部分球面形状とすることにより、可動コア80に対するニードル50の当接角度の自由度を向上させることができる。
By making the end surface of the
本実施形態に係るエゼクタ22が組み込まれた燃料電池システム10は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
The fuel cell system 10 in which the
先ず、燃料電池12の発電停止時には、図示しない遮断弁によって水素タンク14から水素の供給が遮断され、エゼクタ22のインレットポート32aに対する水素の供給が停止された状態にある。この場合、図示しない制御部の制御によってエゼクタ22の電磁アクチュエータ部を構成するソレノイド74(コイル76)に対して電流が流されていない非励磁状態となり、図2に示されるように、復帰スプリング88のばね力によって可動コア80が固定コア78から軸方向に沿って所定距離だけ離間した状態にある。
First, when the power generation of the fuel cell 12 is stopped, the supply of hydrogen from the
このソレノイド74の非励磁状態では、図12(a)に示されるように、ニードル50の一端部がノズル46のノズル孔46a内に挿入され、前記ニードル50の先端部50aがノズル孔46aから外部に突出している。従って、水素が吐出されるノズル孔46aの縦断面積は、ノズル孔46aの内径面積からニードル50の小径部50bの外径面積が減算されたものとなる。
In the non-excited state of the
一方、燃料電池12の発電時では、図示しない遮断弁が開弁状態となって、水素タンク14から水素供給通路20を介して燃料電池12のアノードに対して水素が供給されると共に、エアコンプレッサ16が駆動され、加湿器28で加湿されたエアがエア供給通路26を介して燃料電池12のカソードに供給される。
On the other hand, at the time of power generation of the fuel cell 12, a shut-off valve (not shown) is opened so that hydrogen is supplied from the
エゼクタ22では、水素タンク14からの比較的高圧な水素がインレットポート32aを通じて供給され、フィルタ30で塵埃等が除去された後、エゼクタ本体内の第1空間部34aに導入される。さらに、前記水素は、ノズル46の外周面に形成された複数の水素導入孔62を介してノズル46の中空部44内に導入された後、ノズル孔46aとニードル50の一端部とのギャップG(図12(a)参照)を通じてディフューザ48側に向かって吐出される。
In the
このノズル孔46aによって流量が絞られて加速された水素は、ディフューザ48のスロート部48bに沿って流通し、アウトレットポート32bから水素供給通路20に沿って燃料電池12に供給される。ソレノイド74の非励磁状態では、図12(a)に示されるように、ノズル孔46aの縦断面積が、ノズル孔46aの内径面積からニードル50の一端部の小径部50bの外径面積を減算したものとなり、比較的小流量の水素が燃料電池12に対して供給される。
Hydrogen accelerated by the flow rate being reduced by the
同時に、ノズル46のノズル孔46aの先端からディフューザ48に向かって水素が噴射(吐出)される際、ノズル46とディフューザ48の拡径部48aとの間の部位において、いわゆるジェットポンプ効果によって負圧作用が発生する。この負圧作用によって吸入室68内の水素オフガスが吸い込まれ、ノズル46から吐出された水素と吸引ポート32cを通じて吸引された水素オフガスとがディフューザ48で混合され、アウトレットポート32bから水素供給通路20に導出される。
At the same time, when hydrogen is injected (discharged) from the tip of the
ところで、燃料電池12の運転状態において、小流量の水素の供給では不足して比較的大流量の水素が要求される場合、図示しない制御部の制御によってエゼクタ22のソレノイド74に電流を流して励磁状態とする。前記ソレノイド74が励磁されることにより、可動コア80が固定コア78側に向かって吸引される(図3及び図9参照)。この場合、ニードル50は、ニードル締結機構52を介して可動コア80に締結されているため、可動コア80と一体的に固定コア78側に向かって変位する。
By the way, when the fuel cell 12 is in an operating state, when the supply of a small flow rate of hydrogen is insufficient and a relatively large flow rate of hydrogen is required, the current is passed through the
従って、ニードル50の一端部は、図12(b)に示されるように、ノズル46のノズル孔46aの先端から軸方向に所定距離だけ離間して非挿通状態となる。この結果、ノズル46の中空部44内に導入された水素は、ノズル孔46aの先端の内径面積全体を通じてディフューザ48に向かって吐出されるため、比較的大流量の水素を燃料電池12に対して供給することができる。このように、ソレノイド74を非励磁状態から励磁状態へと切り換えることにより、ノズル孔46aの縦断面積が変化して小流量の水素の供給から比較的大流量の水素の供給へと切り換えることができる。なお、前記とは反対に、ソレノイド74を励磁状態から非励磁状態とすることにより、比較的大流量の水素の供給から比較的小流量の水素の供給へ切り換えることができる。
Therefore, as shown in FIG. 12B, one end of the
本実施形態では、横置き型のソレノイド74において、固定コア78の可動コア80側端部に凸部91を設けると共に、前記固定コア78の凸部91と対向する可動コア80の固定コア78側端面に前記固定コア78から離間する方向に徐々に縮径する窪み部(凹部)89を設けることにより、可動コア80の変位量(ストローク量)が増大し、前記可動コア80のカジリによる磨耗を抑制することができる。以下、この点について詳細に説明する。
In the present embodiment, in the horizontally installed
先ず、装置全体のレイアウトとの関係から、縦方向の寸法を抑制して小型・軽量化するために、可動コア80が水平方向に沿って変位する横置き状態(横置き型)のソレノイド74を用いることを前提とする。
First, from the relationship with the layout of the entire apparatus, in order to reduce the size and weight by suppressing the size in the vertical direction, the
このような横置き型のソレノイド74では、一般的に、重力(自重)作用によって可動コア80の上部側クリアランス(円筒部86の内壁天井面と可動コア80の外径面とのクリアランス)110aと下部側クリアランス(円筒部86の内壁底面と可動コア80の外径面とのクリアランスで殆んど零に近い)110bとがそれぞれ異なり(下部側クリアランス110bよりも上部側クリアランス110aが当然に大きくなる)、可動コア80の外周面を囲繞する円筒部86(固定コア78)の軸線T1と前記可動コア80の軸線T2と間で微小な軸ずれが発生し、前記可動コア80は前記軸ずれした状態で変位可能に設けられる(図13(c)参照)。
In such a horizontally installed
そこで、可動コア80の磨耗を防止しつつ、前記可動コア80の変位量(ストローク量)を増大させるためには、可動コア80及び固定コア78a間の離間距離とソレノイド74で発生する吸引力との磁力特性に鑑み、相互に対向する可動コア80と固定コア78の端面同士が平坦面ではなく、テーパ面とすることが考えられる。
Therefore, in order to increase the displacement amount (stroke amount) of the
図13(a)、(b)は、比較例に係る横置き型のソレノイドを模式的に示したものであり、可動コアの端部に固定コア側に向かって突出する凸部を形成して前記凸部の外面をテーパ面とすると共に、可動コアと対向する固定コアの端面に前記凸部に対応する形状からなる凹部を形成して逆テーパ面としている。この場合、比較例に係るソレノイドでは、重力作用によって上部側クリアランスと下部側クリアランスとが異なっており、可動コアの軸線T2と摺動孔の軸線T1とが非同軸で軸ずれした状態にある。 FIGS. 13A and 13B schematically show a horizontal type solenoid according to a comparative example, in which a protruding portion that protrudes toward the fixed core side is formed at the end of the movable core. The outer surface of the convex portion is a tapered surface, and a concave portion having a shape corresponding to the convex portion is formed on the end surface of the fixed core facing the movable core to form a reverse tapered surface. In this case, in the solenoid according to the comparative example, the upper side clearance and the lower side clearance are different due to the gravitational action, and the axis T2 of the movable core and the axis T1 of the sliding hole are in a non-coaxial axis offset state.
比較例に係るソレノイドでは、図13(a)に示されるように、固定コアの凸部のテーパ面と固定コアの凹部の逆テーパ面との間の離間ギャップが、上部側で大きく、下部側で小さくなる。従って、ソレノイドの励磁作用によって発生する下部側の吸引力が大きくなり、一方、上部側の吸引力が小さくなる。このような吸引力のアンバランスにより、図13(b)に示されるように、点Cを回転中心として可動コアを矢印方向に沿って回転させようとするサイドフォース(横力)が発生する。 In the solenoid according to the comparative example, as shown in FIG. 13A, the separation gap between the taper surface of the fixed core convex portion and the reverse taper surface of the fixed core concave portion is large on the upper side, and on the lower side. Becomes smaller. Therefore, the lower side attractive force generated by the excitation action of the solenoid is increased, while the upper side attractive force is reduced. As shown in FIG. 13B, a side force (lateral force) that tries to rotate the movable core along the direction of the arrow is generated with the point C as the rotation center due to such unbalance of the suction force.
このサイドフォースは、可動コアの軸方向と異なる方向に発生し、前記可動コアの直進性を阻害する推力からなる。前記比較例に係るソレノイドでは、可動コアのテーパ面と円周面との境界部位に断面鈍角状の角部が形成され、前記角部の頂点である点Cを回転中心とするシーソー運動が発生する。この結果、前記比較例に係るソレノイドでは、前記サイドフォースによってカジリによる磨耗が発生して可動コアの耐久性が劣化する不具合がある。 This side force is generated in a direction different from the axial direction of the movable core, and consists of a thrust that impedes the straightness of the movable core. In the solenoid according to the comparative example, a corner portion having an obtuse cross section is formed at the boundary portion between the taper surface and the circumferential surface of the movable core, and a seesaw motion is generated with the point C that is the apex of the corner portion as the rotation center. To do. As a result, the solenoid according to the comparative example has a problem in that the side force causes wear due to galling and deteriorates the durability of the movable core.
これに対して、本実施形態に係る横置き型のソレノイド74では、図13(c)に示されるように、固定コア78の端面と対向する可動コア80の端部に前記固定コア80から離間する方向に窪んだ窪み部(凹部)89を形成すると共に、前記可動コア80の端部と対向する固定コア78の端面に前記窪み部89に対応する形状からなる凸部91を形成することにより、サイドフォース(横力)を小さくすることができ、前記サイドフォースによってカジリによる磨耗の発生を極力抑制して耐久性を向上させることができる。
In contrast, in the horizontally installed
換言すると、本実施形態に係る横置き型のソレノイド74では、サイドフォースによる回転中心(点C)が吸引力(ソレノイド74の作用による電磁力)の外側に設定されてシーソー運動が発生しづらくなるのに対し、比較例に係る横置き型のソレノイドでは、サイドフォースによる回転中心(点C)が吸引力(ソレノイドの作用による電磁力)の内側に設定されるため、前記回転中心を基点としてシーソー運動となり、カジリによる磨耗が発生する。
In other words, in the horizontally installed
また、本実施形態では、樹脂封止体72によって被覆されたコイル76の重量が、薄肉で形成された円筒部86に付与されることがないため、可動コア80を直線状に案内するガイド部として機能する前記円筒部86が変形することを好適に防止することができる。以下に、組付順序を示す図8に基づいて、樹脂封止体72(コイル76)の支持構造を詳細に説明する。
In the present embodiment, the weight of the
電磁アクチュエータ部を組み付ける際、カバープレート40の円筒部86の先端部に固定コア78が、例えば、溶接等によって固着された状態において、前記固定コア78及び円筒部86の軸線に沿って中間プレート79、コイル76が内蔵された樹脂封止体72を挿通させた後、有底円筒体に形成されたハウジング42のフランジをねじ部材41b、41cによって一体的に締結する(図5参照)。なお、前記樹脂封止体72は、コイル76が巻回されたコイル巻線体として機能するものである。
When the electromagnetic actuator portion is assembled, the
この場合、予め、樹脂封止体72の外径面とハウジング42の内径面との間で径方向に沿って所定の間隙81が形成され、樹脂封止体72は、ハウジング42と非接触状態に保持されると共に、中間プレート79(カバープレート40)とハウジング42の底部内壁面との間で軸方向に沿った両端部で挟持される。
In this case, a
すなわち、間隙81によって樹脂封止体72がハウジング42から径方向に沿って自由状態にあると共に、ハウジング42のねじ締結によって中間プレート79とハウジング42の底部内壁面との間で樹脂封止体72が押圧されて軸方向に沿って挟持されているため、樹脂封止体72に内嵌された円筒部86に対して前記樹脂封止体72に内蔵されたコイル76の重量が付与されることが阻止され、前記円筒部86の変形が防止される。
That is, the
なお、図5に示されるように、軸方向に沿った固定コア78の端面とハウジング42の底部内壁面との間には、予め、所定の間隙83が設定されている。前記間隙83を設けることにより、電磁アクチュエータ部の組付作業の際、ハウジング42の底部内壁面が固定コア78の端面に当接して円筒部86が変形することを好適に回避することができる。
As shown in FIG. 5, a
さらに、本実施形態では、図9(a)、(b)に示されるように、ハウジング42の底部内壁に、固定コア78の端部を保持する環状凸部42aを設け、前記環状凸部42aと固定コア78との間で磁束を径方向で受け渡すことができる。この結果、本実施形態では、磁束受け渡し部として機能する環状凸部42aによって径方向に沿って磁束を受け渡すことが可能となり、磁束密度を増大させて可動コア80の吸引力を向上させることができる。なお、前記環状凸部42aに代えて、環状凹部を形成するようにしても同様の効果が得られる。
Further, in the present embodiment, as shown in FIGS. 9A and 9B, an annular
この場合、前記径方向と直交するソレノイド74の軸方向(スラスト方向)の寸法精度が要求されないため、ソレノイドの構造を簡素化することができる利点がある。
In this case, since the dimensional accuracy in the axial direction (thrust direction) of the
なお、本実施形態では、単一のディフューザ48を用いてエゼクタ22を構成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、ノズル46の軸方向に沿って所定間隔離間して複数個の分割ディフューザを配置した図示しない多段ディフューザによって構成してもよい。この多段ディフューザ構造とすることにより、ノズル46と最も近接する第1段目の分割ディフューザとの間だけでなく、複数段の隣接する分割ディフューザ同士の離間部位からも吸い込み作用が発生するため、吸入室68からの水素オフガスの吸い込み流量を増大させることができる。
In the present embodiment, the
10 燃料電池システム
12 燃料電池
14 水素タンク(燃料ガス供給手段)
20 水素供給通路(燃料ガス供給通路)
22 エゼクタ(燃料電池用エゼクタ)
24 循環通路
32a インレットポート
32b アウトレットポート
32c 吸引ポート
42 ハウジング
42a 環状凸部(磁束受け渡し部)
44 中空部
46 ノズル
46a ノズル孔
48 ディフューザ
50 ニードル
74 ソレノイド
76 コイル
78 固定コア
80 可動コア
86 円筒部
89 窪み部(凹部)
91 凸部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fuel cell system 12
20 Hydrogen supply passage (fuel gas supply passage)
22 Ejector (Ejector for fuel cell)
24 Circulation path
44
91 Convex
Claims (3)
前記インレットポートを介して供給された燃料ガスを吐出するノズル孔を有するノズルと、
前記ノズル孔から吐出される燃料ガスと前記循環通路を介して燃料電池から排出されて戻された燃料オフガスとを混合するディフューザと、
前記ノズルの中空部内に軸方向に沿って延在するニードルを有し、前記ノズル孔における吐出断面積を調整するノズル孔断面積調整機構と、
コイルの励磁作用によって、前記ニードルと一体的に固定コア側に向かって水平方向に沿って変位可能に設けられた可動コアを含むソレノイドと、
を備え、
前記固定コアと対向する前記可動コアの軸方向に沿った端部には、前記固定コアから離間する方向に窪む凹部が設けられ、前記可動コアの凹部と対向する前記固定コアの軸方向に沿った端部には、前記凹部に対応する形状からなる凸部が設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。 An inlet port to which fuel gas is supplied from the fuel gas supply means, an outlet port connected to a fuel gas supply passage communicating with the fuel cell, and a fuel off-gas exhausted from the fuel cell and returned to the circulation passage. An ejector body provided with a suction port,
A nozzle having a nozzle hole for discharging the fuel gas supplied through the inlet port;
A diffuser that mixes the fuel gas discharged from the nozzle hole and the fuel off-gas discharged and returned from the fuel cell through the circulation passage;
A nozzle hole cross-sectional area adjustment mechanism for adjusting a discharge cross-sectional area in the nozzle hole, having a needle extending along the axial direction in the hollow portion of the nozzle;
A solenoid including a movable core provided so as to be displaceable in a horizontal direction toward the fixed core integrally with the needle by an exciting action of a coil;
With
A concave portion that is recessed in a direction away from the fixed core is provided at an end portion along the axial direction of the movable core that faces the fixed core, and the axial direction of the fixed core that faces the concave portion of the movable core is provided. An ejector for a fuel cell, wherein a projecting portion having a shape corresponding to the recessed portion is provided at an end portion along the end.
前記エゼクタ本体は、前記ソレノイドが内部に収容される有底円筒状のハウジングを含み、
前記ハウジングが前記エゼクタ本体の他の部材に締結されることにより、前記コイルが巻回されたコイル巻線体は、軸方向に沿った両端部で挟持されると共に、前記ハウジングの内径面と前記コイル巻線体の外径面との間で径方向の間隙が設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。 The fuel cell ejector according to claim 1,
The ejector body includes a bottomed cylindrical housing in which the solenoid is accommodated,
When the housing is fastened to another member of the ejector body, the coil winding body around which the coil is wound is sandwiched between both ends along the axial direction, and the inner diameter surface of the housing and the housing An ejector for a fuel cell, characterized in that a radial gap is provided between an outer diameter surface of a coil winding body.
前記ハウジングの内壁には、前記固定コアとの間で径方向に沿って磁束を受け渡す磁束受け渡し部が設けられることを特徴とする燃料電池用エゼクタ。 The fuel cell ejector according to claim 2, wherein
The fuel cell ejector according to claim 1, wherein a magnetic flux transfer section is provided on the inner wall of the housing to transfer a magnetic flux along a radial direction with the fixed core.
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