JP2018105727A - Liquid level detector and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液面状態検出装置及び該液面状態検出装置を備える燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a liquid level detection device and a fuel cell system including the liquid level detection device.
近年、水素と空気中の酸素を取り込み化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池の、コージェネレーションシステムや燃料電池車等への利用が進んでいる。燃料電池に供給される水素は、例えばガスコージェネレーションシステムでは、天然ガスと改質水から水蒸気改質法等によって生成され、燃料電池車では、水素ガスを高圧圧縮した水素タンクから得られる。燃料電池が水素と酸素から電気エネルギーを生成する際には水分が発生するが、このとき得られる水分が改質水として利用されたり、水素タンクから得られる水素ガスの加湿に用いられたりする。 In recent years, the use of fuel cells that take in hydrogen and oxygen in the air to generate electrical energy through a chemical reaction has been promoted in cogeneration systems, fuel cell vehicles, and the like. For example, in a gas cogeneration system, hydrogen supplied to a fuel cell is generated from natural gas and reformed water by a steam reforming method or the like. In a fuel cell vehicle, hydrogen is obtained from a hydrogen tank in which hydrogen gas is compressed at high pressure. When the fuel cell generates electric energy from hydrogen and oxygen, moisture is generated. The moisture obtained at this time is used as reforming water or used for humidifying the hydrogen gas obtained from the hydrogen tank.
但し、改質水や水素ガスの加湿のために必要な水分量は、燃料電池から排出された水分の一部で充分である。このため、燃料電池から排出された水を蓄えるタンクが燃料電池システムには設けられている。例えば、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、アノードオフガスを循環させるための配管にキャッチタンクが設けられ、燃料電池から排出された水分が再度、燃料電池に戻らないようにしている。
However, a part of the water discharged from the fuel cell is sufficient as the amount of water necessary for humidifying the reforming water and hydrogen gas. For this reason, a tank for storing water discharged from the fuel cell is provided in the fuel cell system. For example, in the fuel cell system described in
上記説明したタンクを含む燃料電池システムでは、タンク内の水位の計測が必要である。また、タンクが傾斜すると水分を供給できない状態になることも考えられるため、タンクの傾斜も検出する必要がある。このため、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、水位センサと傾斜センサが配設されている。しかし、当該水位センサと傾斜センサはそれぞれ独立したセンサであるため、2つのセンサを設置するためのスペースがそれぞれ必要となるばかりでなく、部品点数及びコストの低減の点で改善の余地があった。なお、当該課題は燃料電池システムに限らず、液体を貯蔵するタンクを備えた他のシステムにも適用される。
In the fuel cell system including the tank described above, it is necessary to measure the water level in the tank. Further, since it is possible that moisture cannot be supplied when the tank is inclined, it is necessary to detect the inclination of the tank. For this reason, in the fuel cell system described in
本発明の目的は、タンク内の液面高さの計測及びタンクの傾斜を検出可能な液面状態検出装置及び該液面状態検出装置を備える燃料電池システムを提供することである。 An object of the present invention is to provide a liquid level detection device capable of measuring the liquid level in a tank and detecting the inclination of the tank, and a fuel cell system including the liquid level detection device.
上記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、
液体(例えば、後述の実施形態での液体2)を貯蔵するタンク(例えば、後述の実施形態での液体貯留タンク1)内に立設されたガイドロッド(例えば、後述の実施形態でのガイドロッド45)に案内されて上下方向に移動可能なフロート部(例えば、後述の実施形態でのフロート部20)と、
前記フロート部に一体固定され、上下方向に対向配置された一対の電極部(例えば、後述の実施形態での一対の電極部30,50,60)と、を備え、
前記一対の電極部間に存在する絶縁物の誘電率によって変化する前記一対の電極部間の静電容量に基づき、前記タンク内の液面高さ及び前記タンクの傾斜を検出する、液面状態検出装置である。
In order to achieve the above object, the invention described in
A guide rod (for example, a guide rod in an embodiment to be described later) standing in a tank (for example, a
A pair of electrode portions (for example, a pair of
A liquid level state in which the liquid level in the tank and the inclination of the tank are detected based on the capacitance between the pair of electrode parts, which varies depending on the dielectric constant of the insulator existing between the pair of electrode parts. It is a detection device.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、
前記一対の電極部の形状は、平面視において、円形である。
The invention according to
The shape of the pair of electrode portions is circular in plan view.
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、
前記タンクの傾斜は、前記一対の電極部間の静電容量を、前記一対の電極部間が液体で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係、及び前記一対の電極部間が空気で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係に基づき検出される。
The invention according to claim 3 is the invention according to
The inclination of the tank is such that the capacitance between the pair of electrode portions is compared with the capacitance when the space between the pair of electrode portions is filled with a liquid, and between the pair of electrode portions. It is detected based on the magnitude relationship compared to the capacitance when it is filled with air.
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、
前記一対の電極部の各電極部は、平面視において、検出される前記タンクの傾斜方向に分割された複数の分割電極部(例えば、後述の実施形態での上部電極板51,52,61〜64及び下部電極板53,54,65〜68)を備える。
The invention according to claim 4 is the invention according to
Each electrode part of the pair of electrode parts has a plurality of divided electrode parts (for example,
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、
前記分割電極部の形状は、平面視において、検出される前記タンクの傾斜方向に対して線対称の4分円である。
The invention according to claim 5 is the invention according to claim 4,
The shape of the divided electrode portion is a quadrant that is line-symmetric with respect to the detected tilt direction of the tank in plan view.
請求項6に記載の発明は、請求項4又は5に記載の発明において、
検出される前記タンクの傾斜方向は、前記タンクから液体が流れ出る方向に等しい。
The invention according to claim 6 is the invention according to claim 4 or 5,
The detected tilt direction of the tank is equal to the direction in which liquid flows out of the tank.
請求項7に記載の発明は、請求項4から6のいずれか1項に記載の発明において、
前記タンクの傾斜は、前記タンクの傾斜方向にそれぞれ位置する前記一対の電極部の各分割電極部間の静電容量の大小関係に基づき検出される。
The invention according to claim 7 is the invention according to any one of claims 4 to 6,
The inclination of the tank is detected based on the magnitude relationship of the capacitance between the divided electrode portions of the pair of electrode portions respectively positioned in the inclination direction of the tank.
請求項8に記載の発明は、請求項1から7のいずれか1項に記載の液面状態検出装置を備える、燃料電池システムである。
The invention according to claim 8 is a fuel cell system comprising the liquid level state detection device according to any one of
請求項1に記載の発明によれば、本発明に係る液面状態検出装置が、液体を貯蔵するタンク内に立設されたガイドロッドに案内されて上下方向に移動可能なフロート部と、当該フロート部に一体固定され、上下方向に対向配置された一対の電極部と、を備えるため、一対の電極部間に存在する絶縁物の誘電率によって変化する一対の電極部間の静電容量に基づき、タンク内の液面高さ及びタンクの傾斜を一つの装置によって検出できる。 According to the first aspect of the present invention, the liquid level state detection device according to the present invention is guided by a guide rod standing in a tank for storing liquid, and is floatable up and down, And a pair of electrode portions that are integrally fixed to the float portion and arranged opposite to each other in the vertical direction, so that the capacitance between the pair of electrode portions varies depending on the dielectric constant of the insulator existing between the pair of electrode portions. Based on this, the liquid level in the tank and the inclination of the tank can be detected by one device.
請求項2に記載の発明によれば、平面視において円形の一対の電極部により、全方向に対するタンクの傾きの有無を検出できる。 According to the second aspect of the present invention, it is possible to detect the presence or absence of the inclination of the tank with respect to all directions by the pair of circular electrode portions in plan view.
請求項3に記載の発明によれば、タンクの傾斜は、一対の電極部間の静電容量を、当該一対の電極部間が液体で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係、及び一対の電極部間が空気で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係に基づき検出されるため、一対の電極部間の静電容量から、全方向に対するタンクの傾きの有無を検出できる。 According to the invention described in claim 3, the inclination of the tank is such that the capacitance between the pair of electrode portions is compared with the capacitance when the space between the pair of electrode portions is filled with liquid. , And the presence or absence of the inclination of the tank with respect to all directions from the capacitance between the pair of electrode portions, because it is detected based on the magnitude relationship compared to the capacitance when the space between the pair of electrode portions is filled with air. Can be detected.
請求項4に記載の発明によれば、検出されるタンクの傾斜方向に分割された複数の分割電極部により、当該分割電極部の分割方向への傾斜を精度よく検出できる。 According to invention of Claim 4, the inclination to the division direction of the said division | segmentation electrode part is accurately detectable by the some division | segmentation electrode part divided | segmented in the inclination direction of the tank detected.
請求項5に記載の発明によれば、検出されるタンクの傾斜方向に対して線対称の4分円形状の複数の分割電極部により、当該分割電極部の分割方向への傾斜を精度よく検出できる。 According to the fifth aspect of the present invention, the plurality of divided electrode portions that are line-symmetrical with respect to the detected tilt direction of the tank are used to accurately detect the tilt of the split electrode portion in the split direction. it can.
請求項6に記載の発明によれば、検出されるタンクの傾斜方向が、タンクから液体が流れ出る方向に等しく設定されるため、液体を排出するタンクの傾斜を検出するための液面状態検出装置として好適に使用できる。 According to the sixth aspect of the present invention, since the detected tilt direction of the tank is set equal to the direction in which the liquid flows out of the tank, the liquid level state detecting device for detecting the tilt of the tank that discharges the liquid Can be suitably used.
請求項7に記載の発明によれば、タンクの傾斜は、タンクの傾斜方向にそれぞれ位置する一対の電極部の各分割電極部間の各静電容量の大小関係に基づき検出されるので、当該分割電極部の分割方向への傾斜を精度よく検出できる。 According to the invention described in claim 7, since the inclination of the tank is detected based on the magnitude relationship of the electrostatic capacitances between the divided electrode parts of the pair of electrode parts respectively positioned in the tank inclination direction, The inclination of the divided electrode portion in the dividing direction can be accurately detected.
請求項8に記載の発明によれば、燃料電池システムの信頼性が向上する。 According to the invention described in claim 8, the reliability of the fuel cell system is improved.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1(a)は、第1実施形態の液面状態検出装置の構成を示す縦断面図であり、図1(b)は、図1(a)に示された液面状態検出装置の要部拡大斜視図である。図1(a)に示すように、液面状態検出装置10は、液体貯留タンク1内に配設され、貯留された液体2の液面R、及び液体貯留タンク1の傾斜を検出する。なお、液面状態検出装置10は、液体貯留タンク1の底部1aから立設したガイドロッド45に沿って摺動可能に配設されているため、液面状態検出装置10が検出する液体貯留タンク1の傾斜は、液面状態検出装置10の傾斜に等しい。
(First embodiment)
FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing the configuration of the liquid level detection device of the first embodiment, and FIG. 1B is a schematic diagram of the liquid level detection device shown in FIG. FIG. As shown in FIG. 1A, the liquid
液面状態検出装置10は、フロート部20と、フロート部20の下部に一体固定された一対の電極部30と、を備える。
The liquid
図2に示すように、フロート部20は、合成樹脂などによって、内部に密封空間21を有する中空円筒状に形成されている。密封空間21には、液体貯留タンク1に貯留される液体2よりも比重が軽い流体が封入される。例えば、液体2が水である場合、密封空間21には空気が封入される。これにより、フロート部20は、液体貯留タンク1に貯留される液体2の液面R付近に浮かぶ。
As shown in FIG. 2, the
また、フロート部20は、密封空間21を密封可能な蓋部22を備える。蓋部22を開いて密封空間21に液体2よりも比重の小さな流体を封入してフロート部20の浮力を調整することで、液体貯留タンク1に貯留される比重が異なる各種液体に対応可能である。
In addition, the
一対の電極部30は、所定の距離Lだけ離間して上下方向に対向配置された上部電極板31と下部電極板32とを有する。上部電極板31及び下部電極板32は、それぞれ円板状に形成されている。本実施形態の一対の電極部30は、上部電極板31と下部電極板32の間に存在する絶縁物(例えば、水や空気)の誘電率によって静電容量が変化することを利用した静電容量式センサの電極を構成する。
The pair of
上部電極板31は、フロート部20の底面23の下面に固定され、下部電極板32は、底板34の上面に固定されている。フロート部20の底面23と底板34とは、上下方向に延びる複数のスペース柱35によって連結されている。複数のスペース柱35は、円周方向に離間して形成され、隣接するスペース柱35の間には窓部36が設けられている。したがって、上部電極板31と下部電極板32の間の空間は、複数の窓部36を介して外方に開放されており、液体貯留タンク1に貯留されている液体2や液体貯留タンク1内の空気が出入り自在となっている。
The
また、一対の電極部30の側方には、支持部39が延設されている。支持部39に形成されて上下方向に貫通するガイド孔40には、ガイドロッド45が摺動自在に嵌合している。ガイドロッド45は、液体貯留タンク1の底部1aから立設するパイプであり、その下部には、液面Rの最低位置を検出するために一対の電極部30の下方への移動を阻止するストッパ46が設けられている。なお、ガイドロッド45の横断面は矩形であり、ガイド孔40はガイドロッド45の断面に応じた形状を有するため、液面状態検出装置10は、ガイドロッド45に沿って上下方向に摺動移動するが、ガイドロッド45を軸に回転しない。
Further, a
上部電極板31及び下部電極板32には、それぞれリード線37が接続されており、その一端は出力コネクタ38に接続される。液面状態検出装置10が備える不図示の処理部は、出力コネクタ38から出力される一対の電極部30間の電位差等に基づき一対の電極部30間の静電容量を算出し、当該静電容量に基づき液体貯留タンク1内の液面高さ及び液体貯留タンク1の傾斜を検出する。なお、一対の電極部30間の電位差を示す信号が、無線によって処理部に送信されても良い。また、処理部は、液体貯留タンク1の外部に設けられても、フロート部20の密封空間21内に設けられても良い。処理部が密封空間21内に設けられる場合、液体貯留タンク1内の液面高さ及び液体貯留タンク1の傾斜を示す各信号は、リード線37を介して出力コネクタ38から出力される。
Lead
一対の電極部30間の静電容量Cは、式(1)によって表される。
The capacitance C between the pair of
C=ε×S/L …(1)
但し、「ε」は上部電極板31と下部電極板32の間に存在する絶縁物の誘電率[F/m]、「S」は上部電極板31及び下部電極板32の面積[m2]、「L」は上部電極板31と下部電極板32との離間距離[m]である。
C = ε × S / L (1)
However, “ε” is a dielectric constant [F / m] of an insulator existing between the
液面状態検出装置10は、液体貯留タンク1に貯留される液体2の液面Rの高さが変化すると、フロート部20の作用により、ガイドロッド45に案内されて上下方向に摺動移動する。液体貯留タンク1に貯留されている液体2が所定量より多い場合、図2に示すように、上部電極板31と下部電極板32の間の空間には液体2が充満している。一方、液体貯留タンク1に貯留されている液体2が減少して、図3に示すように液面Rがガイドロッド45に設けられたストッパ46の位置よりも低くなると、上部電極板31と下部電極板32の間の空間は空気中に露出する。
When the height of the liquid level R of the liquid 2 stored in the
図2に示した状態では上部電極板31と下部電極板32の間の空間には液体2が充満しており、液体2が水である場合、その比誘電率εrは80.4(20℃時)であるので、図3に示した上部電極板31と下部電極板32の間の空間が空気に露出した状態と比較すると、一対の電極部30間の静電容量は大きな値を示す。一方、空気の比誘電率εrは1.00059であるので、図3に示した上部電極板31と下部電極板32の間の空間が空気に露出した状態では、一対の電極部30間の静電容量は小さな値を示す。なお、比誘電率εrとは、上部電極板31と下部電極板32の間にある絶縁物(媒体)の誘電率εと真空の誘電率ε0との比(εr=ε/ε0)である。
In the state shown in FIG. 2, the space between the
したがって、本実施形態では、一対の電極部30間の静電容量を算出することで、液体貯留タンク1に貯留されている液体2の高さがガイドロッド45に設けられたストッパ46より低いか否かを検出することが可能となる。
Therefore, in this embodiment, whether the height of the liquid 2 stored in the
次に、液体貯留タンク1が傾いた場合に液面状態検出装置10が行う傾斜の検出について、図4を参照して説明する。
Next, the detection of the inclination performed by the liquid
液体貯留タンク1が傾くと、液面状態検出装置10も傾く。液体貯留タンク1に貯留されている液体2の液面高さがガイドロッド45に設けられたストッパ46より高い状態において、液面状態検出装置10が傾くと、図4に示すように、上部電極板31と下部電極板32の間の空間の一部が空気中に露出し、当該空間には液体2と空気とが混在する。この状態の一対の電極部30間の静電容量C3は、液体2と空気との混在比率に従って変化し、図2に示した上部電極板31と下部電極板32の間の空間が液体2で満たされている場合の静電容量C1より小さく(C3<C1)、図3に示した上部電極板31と下部電極板32の間の空間が空気で満たされている場合の静電容量C2より大きい(C2<C3)。すなわち、C2<C3<C1の関係が成り立つ。
When the
したがって、本実施形態では、一対の電極部30間の電位差等から算出した静電容量を、静電容量C1,C2と比較して、その大小関係を導出することで、液体貯留タンク1の傾斜を検出することが可能となる。なお、静電容量C1,C2は、液体貯留タンク1に貯留される液体2の種類及び一対の電極部30の構造に固有の値であるので、予め測定された値が不図示のメモリ等に記録されている。
Therefore, in the present embodiment, the capacitance calculated from the potential difference between the pair of
また、一対の電極部30を構成する上部電極板31及び下部電極板32の平面視形状は円形であるので、本実施形態では傾斜方向は検出できないものの、傾きの有無は、上部電極板31又は下部電極板32の円周方向におけるあらゆる方向に対して検出可能である。さらに、傾斜の検出精度は、上部電極板31及び下部電極板32の面積S及び上部電極板31と下部電極板32との離間距離Lの少なくとも一方を調整することで変更できる。
In addition, since the
(第2実施形態)
図5(a)は、本発明に係る第2実施形態の液面状態検出装置が備える一対の電極部を示す斜視図であり、図5(b)は、図5(a)に示された一対の電極部の平面図であり、図5(c)は、図5(a)に示された一対の電極部の電気回路図である。第2の実施形態の液面状態検出装置10Aが第1の実施形態の液面状態検出装置10と異なる点は、一対の電極部の構成である。この点以外は第1の実施形態と同様であるため、第1実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 5 (a) is a perspective view showing a pair of electrode portions provided in the liquid level detection device of the second embodiment according to the present invention, and FIG. 5 (b) is shown in FIG. 5 (a). It is a top view of a pair of electrode part, and FIG.5 (c) is an electrical circuit diagram of a pair of electrode part shown by Fig.5 (a). The liquid surface
図5(a)及び図5(b)に示すように、第2実施形態の液面状態検出装置10Aが備える一対の電極部50の各電極部は、検出される液体貯留タンク1の傾斜方向(AB方向)に対して線対称に形成され、かつ、上記傾斜方向に分割された2つの分割電極部を有する。すなわち、一対の電極部50を構成する上部電極部は、4分円形状の2つの上部電極板51,52から構成され、下部電極部は、4分円形状の2つの下部電極板53,54から構成されている。本実施形態の一対の電極部50は、図5(c)に示すように、上部電極板51と下部電極板53を対とした静電容量Caの静電容量式センサと、上部電極板52と下部電極板54を対とした静電容量Cbの静電容量式センサの2つのセンサの電極を構成する。
As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, each electrode part of the pair of
図6(a)は、液体貯留タンク1が水平であるときの液面状態検出装置10Aを示す要部拡大図であり、図6(b)は、液体貯留タンク1がA方向へ傾斜したときの液面状態検出装置10Aを示す要部拡大図であり、図6(c)は、液体貯留タンク1がB方向へ傾斜したときの液面状態検出装置10Aを示す要部拡大図である。図6(a)〜図6(c)に示す液体貯留タンク1の各状態(水平状態、A方向への傾斜状態、B方向への傾斜状態)における、一対の電極部50に存在する絶縁物及び静電容量Ca,Cbを以下の表1に示す。
FIG. 6A is an enlarged view of a main part showing the liquid
表1に示すように、液体貯留タンク1が水平状態のとき(図6(a)参照)、上部電極板51と下部電極板53の間の空間、及び上部電極板52と下部電極板54の間の空間は、いずれも比誘電率εrが空気よりも大きな液体2(水)で満たされるため、静電容量Ca=静電容量Cbとなる。
As shown in Table 1, when the
一方、液体貯留タンク1がA方向に傾斜している状態(図6(b)参照)では、上部電極板51と下部電極板53の間の空間は液体2(水)で満たされるが、上部電極板52と下部電極板54の間の空間の一部は液面Rより上方に飛び出して液体2(水)と空気が混在するため、静電容量Ca>静電容量Cbとなる。
On the other hand, in the state in which the
また、液体貯留タンク1がB方向に傾斜している状態(図6(c)参照)では、上部電極板51と下部電極板53の間の空間の一部は液面Rより上方に飛び出して液体2(水)と空気が混在し、上部電極板52と下部電極板54の間は液体2(水)で満たされるため、静電容量Ca<静電容量Cbとなる。
When the
したがって、本実施形態では、上部電極板51と下部電極板53の間の静電容量Caと、上部電極板52と下部電極板54との間の静電容量Cbとの大小関係に基づけば、液体貯留タンク1が水平であるか、A方向に傾斜した状態であるか、B方向に傾斜した状態であるかを検出することが可能となる。なお、本実施形態でも、第1実施形態と同様に、一対の電極部50間の静電容量Ca,Cbの少なくともいずれか一方を算出することで、液体貯留タンク1に貯留されている液体2の高さがガイドロッド45に設けられたストッパ46より低いか否かを検出することが可能である。
Therefore, in this embodiment, based on the magnitude relationship between the capacitance Ca between the
(第3実施形態)
図7(a)は、本発明に係る第3実施形態の液面状態検出装置が備える一対の電極部を示す斜視図であり、図7(b)は、図7(a)に示された一対の電極部の平面図であり、図7(c)は、図7(a)に示された一対の電極部の電気回路図である。第3の実施形態の液面状態検出装置10Bが第1の実施形態の液面状態検出装置10と異なる点は、一対の電極部の構成である。この点以外は第1の実施形態と同様であるため、第1実施形態と同一又は同等部分には同一符号又は相当符号を付して説明を簡略化又は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 7A is a perspective view showing a pair of electrode parts provided in the liquid level detection device of the third embodiment according to the present invention, and FIG. 7B is shown in FIG. It is a top view of a pair of electrode part, and FIG.7 (c) is an electrical circuit diagram of a pair of electrode part shown by Fig.7 (a). The liquid surface
図7(a)及び図7(b)に示すように、第3実施形態の液面状態検出装置10Bが備える一対の電極部60の各電極部は、検出される液体貯留タンク1の傾斜方向(AB方向及びCD方向)に対して線対称に形成され、かつ、上記傾斜方向に分割された4つの分割電極部を有する。すなわち、一対の電極部60を構成する上部電極部は、4分円形状の4つの上部電極板61〜64から構成され、下部電極部は、4分円形状の4つの下部電極板65〜68から構成されている。本実施形態の一対の電極部60は、図7(c)に示すように、上部電極板61と下部電極板65を対とした静電容量Caの静電容量式センサと、上部電極板62と下部電極板66を対とした静電容量Cbの静電容量式センサと、上部電極板63と下部電極板67を対とした静電容量Ccの静電容量式センサと、上部電極板64と下部電極板68を対とした静電容量Cdの静電容量式センサの4つのセンサの電極を構成する。
As shown in FIG. 7A and FIG. 7B, each electrode part of the pair of
図8(a)は、液体貯留タンク1がC方向へ傾斜したときの液面状態検出装置10Bを示す要部拡大図であり、図8(b)は、液体貯留タンク1がD方向へ傾斜したときの液面状態検出装置10Bを示す要部拡大図である。図8(a)及び図8(b)を含む液体貯留タンク1の各状態(水平状態、A方向への傾斜状態、B方向への傾斜状態、C方向への傾斜状態、D方向への傾斜状態)における、一対の電極部60に存在する絶縁物及び静電容量Ca、Cb,Cc,Cdを以下の表2に示す。
FIG. 8A is an enlarged view of a main part showing the liquid
表2に示すように、液体貯留タンク1が水平状態のとき(図6(a)参照)、上部電極板61と下部電極板65の間の空間、上部電極板62と下部電極板66の間の空間、上部電極板63と下部電極板67の間の空間、及び上部電極板64と下部電極板68の間の空間は、どれも比誘電率εrが空気よりも大きな液体2(水)で満たされるため、静電容量Ca=静電容量Cb=静電容量Cc=静電容量Cdとなる。
As shown in Table 2, when the
一方、液体貯留タンク1がA方向に傾斜している状態(図6(b)参照)では、上部電極板61と下部電極板65の間の空間は液体2(水)で満たされるが、上部電極板62と下部電極板66の間の空間の一部は液面Rより上方に飛び出して液体2(水)と空気が混在するため、静電容量Ca>静電容量Cbとなる。このとき、上部電極板63と下部電極板67の間の空間及び上部電極板64と下部電極板68の間の空間には液体2(水)と空気が混在しているが、混在程度が同程度であるため、静電容量Cc=静電容量Cdとなる。このように、液体貯留タンク1がA方向に傾斜している状態における一対の電極部60間の静電容量は、「静電容量Ca>静電容量Cb、かつ、静電容量Cc=静電容量Cd」となる。
On the other hand, in the state in which the
また、液体貯留タンク1がB方向に傾斜している状態(図6(c)参照)では、上部電極板61と下部電極板65の間の空間の一部は液面Rより上方に飛び出して液体2(水)と空気が混在し、上部電極板62と下部電極板66の間の空間は液体2(水)で満たされるため、静電容量Ca<静電容量Cbとなる。このとき、上部電極板63と下部電極板67の間の空間及び上部電極板64と下部電極板68の間の空間には液体2(水)と空気が混在しているが、混在程度が同程度であるため、静電容量Cc=静電容量Cdとなる。このように、液体貯留タンク1がB方向に傾斜している状態における一対の電極部60間の静電容量は、「静電容量Ca<静電容量Cb、かつ、静電容量Cc=静電容量Cd」となる。
When the
また、液体貯留タンク1がC方向に傾斜している状態(図8(a)参照)では、上部電極板61と下部電極板65の間の空間及び上部電極板62と下部電極板66の間の空間には液体2(水)と空気が混在しているが、混在程度が同程度であるため、静電容量Ca=静電容量Cbとなる。また、上部電極板63と下部電極板67の間の空間は液体2(水)で満たされるが、上部電極板64と下部電極板68の間の空間の一部は液面Rより上方に飛び出して液体2(水)と空気が混在するため、静電容量Cc>静電容量Cdとなる。このように、液体貯留タンク1がC方向に傾斜している状態における一対の電極部60間の静電容量は、「静電容量Ca=静電容量Cb、かつ、静電容量Cc>静電容量Cd」となる。
When the
また、液体貯留タンク1がD方向に傾斜している状態(図8(b)参照)では、上部電極板61と下部電極板65の間の空間及び上部電極板62と下部電極板66の間の空間には液体2(水)と空気が混在しているが、混在程度が同程度であるため、静電容量Ca=静電容量Cbとなる。また、上部電極板63と下部電極板67の間の空間の一部は液面Rより上方に飛び出して液体2(水)と空気が混在し、上部電極板64と下部電極板68の間の空間は液体2(水)で満たされるため、静電容量Cc<静電容量Cdとなる。このように、液体貯留タンク1がD方向に傾斜している状態における一対の電極部60間の静電容量は、「静電容量Ca=静電容量Cb、かつ、静電容量Cc<静電容量Cd」となる。
When the
したがって、本実施形態では、上部電極板61と下部電極板65の間の静電容量Caと、上部電極板62と下部電極板66の間の静電容量Cbと、上部電極板63と下部電極板67の間の静電容量Ccと、上部電極板64と下部電極板68の間の静電容量Cdとの大小関係に基づけば、液体貯留タンク1が、水平であるか、A方向に傾斜した状態であるか、B方向に傾斜した状態であるか、C方向に傾斜した状態であるか、D方向に傾斜した状態であるかを検出することが可能となる。なお、本実施形態でも、第1実施形態と同様に、一対の電極部60間の静電容量Ca,Cb,Cc,Cdの少なくともいずれか一方を算出することで、液体貯留タンク1に貯留されている液体2の高さがガイドロッド45に設けられたストッパ46より低いか否かを検出することが可能である。
Therefore, in the present embodiment, the capacitance Ca between the
なお、上記説明したAB方向とCD方向の間の中間方向への傾斜の検出は、液体貯留タンク1が傾斜している方向と、その時の各静電容量Ca,Cb,Cc,Cdとの関係を予めマッピングし、算出した静電容量Ca,Cb,Cc,Cdとマップを用いることによって可能となる。また、AB方向及びCD方向に限定されず、検出したい傾斜方向に一対の電極部を分割して分割電極部を設けることにより、所望方向への傾斜を精度よく検出することができる。
The detection of the inclination in the intermediate direction between the AB direction and the CD direction described above is the relationship between the direction in which the
次に、上記説明した液面状態検出装置を燃料電池システムに適用した実施例について説明する。なお、ここで使用する液面状態検出装置は、図5に示した一対の電極部50を備えた第2実施形態の液面状態検出装置10Aとする。
Next, an embodiment in which the above-described liquid level detection device is applied to a fuel cell system will be described. In addition, let the liquid level state detection apparatus used here be the liquid level
図9(a)は、改質水を貯留するキャッチタンクを含む改質水ポンプの平面図であり、図9(b)は、図9(a)に示す改質水ポンプの側面図である。改質水ポンプ70は、下部に設けられた給水口71から改質水を取り込み、排水口72からX方向に送水する。
FIG. 9A is a plan view of a reforming water pump including a catch tank that stores reforming water, and FIG. 9B is a side view of the reforming water pump shown in FIG. 9A. . The reforming
改質水ポンプ70による改質水の供給量は、例えば、5cc/minと微量であるため、繊細な制御が求められる。このため、改質水ポンプ70の傾斜の特に改質水の送水方向(X方向)への傾きは精度良く検出する必要がある。燃料電池システムの一例としては、改質水ポンプ70の改質水の送水方向への傾きを検出すると、燃料電池システムを緊急停止する制御を行っている。
Since the amount of reforming water supplied by the reforming
一方、改質水ポンプ70の送水方向(X方向)以外の方向への傾斜は、軽度の傾斜であれば改質水の送水に大きな問題はなく、燃料電池システムの緊急停止も不要である。一方、過度の傾斜は、改質水の送水だけでなく、他のデバイス動作にも影響する可能性があるため、燃料電池システムを緊急停止する。
On the other hand, if the inclination of the reforming
本実施例の液面状態検出装置10Aは、図5(b)に示した一対の電極部50の各電極部において分割された2つの分割電極部の分割方向(AB方向)を、改質水ポンプ70の送水方向(X方向)に一致させて配設される。液面状態検出装置10Aは、静電容量の関係が「静電容量Ca>静電容量Cb」又は「静電容量Ca<静電容量Cb」であれば、改質水ポンプ70のA方向又はB方向への傾斜を検出するため、燃料電池システムは緊急停止される。
The liquid surface
また、改質水ポンプ70の送水方向(X方向,AB方向)と直交するC方向及びD方向に改質水ポンプ70が傾斜した状態における、一対の電極部50に存在する絶縁物及び静電容量Ca,Cbを以下の表3に示す。
In addition, in the state where the reforming
表3に示すように、改質水ポンプ70のC方向又はD方向への傾斜が軽度の場合、一対の電極部50の一部が液面Rより上方に飛び出しているため、上部電極板51と下部電極板53の間の空間及び上部電極板52と下部電極板54の間の空間には、多くの液体2(改質水)と少量の空気とが同程度に混在し、静電容量Ca=静電容量Cbとなる。このときの静電容量Ca、Cbの値は、主に液体2の比誘電率εrによって決まる。
As shown in Table 3, when the reforming
一方、改質水ポンプ70のC方向又はD方向への傾斜が過度の場合、図10に示すように、一対の電極部50の大部分が液面Rより上方に飛び出しているため、上部電極板51と下部電極板53の間の空間及び上部電極板52と下部電極板54の間の空間には、多くの空気と少量の液体2(改質水)とが同程度に混在し、静電容量Ca=静電容量Cbとなる。このときの静電容量Ca,Cbの値は、主に空気の比誘電率εrによって決まる。
On the other hand, when the reforming
このように、改質水ポンプ70がC方向又はD方向に傾斜した際の一対の電極部50間の静電容量の値は、改質水ポンプ70の傾斜角度によって変化するため、改質水ポンプ70の傾斜角度と静電容量の値を予めマッピングすると共に、静電容量に閾値を設定しておくことで、改質水ポンプ70が送水方向(X方向)とは直角なC方向又はD方向に過度に傾斜した際に、燃料電池システムの停止警告等が可能となる。
As described above, the capacitance value between the pair of
以上説明したように、上記第1〜第3実施形態の液面状態検出装置10,10A,10Bは、液体2を貯蔵する液体貯留タンク1内に立設されたガイドロッド45に案内されて上下方向に移動可能なフロート部20と、フロート部20に一体固定され、上下方向に対向配置された一対の電極部30,50,60とを備え、一対の電極部30,50,60間に存在する絶縁物の誘電率によって変化する一対の電極部30,50,60間の静電容量に基づき、液体貯留タンク1内の液面高さ及び液体貯留タンク1の傾斜を一つの装置によって検出できる。
As described above, the liquid surface
また、第1実施形態の液面状態検出装置10が備える一対の電極部30の形状は、平面視において、円形である。さらに、液体貯留タンク1の傾斜は、一対の電極部30間の静電容量を、一対の電極部30間が液体2で満たされている場合の静電容量C1と比較した大小関係、及び一対の電極部30間が空気で満たされている場合の静電容量C2と比較した大小関係に基づき検出される。このため、一対の電極部30間の静電容量から、全方向に対する液体貯留タンク1の傾きの有無を検出できる。
Moreover, the shape of a pair of
また、第2実施形態の液面状態検出装置10Aが備える一対の電極部50を構成する上部電極部は、平面視において、検出される液体貯留タンク1の傾斜方向に分割された2つの上部電極板51,52を備え、下部電極部は、同様に、上記傾斜方向に分割された2つの下部電極板53,54を備え、液体貯留タンク1の傾斜は、液体貯留タンク1の傾斜方向にそれぞれ位置する一対の電極部50の各分割電極部間の各静電容量の大小関係に基づき検出されるので、各電極部の電極板の分割方向への液体貯留タンク1の傾斜を精度よく検出できる。
Moreover, the upper electrode part which comprises a pair of
また、第3実施形態の液面状態検出装置10Bが備える一対の電極部60を構成する上部電極部は、平面視において、検出される液体貯留タンク1の互いに直交した2つの傾斜方向に対して線対称に形成された、4分円形状の4つの上部電極板61〜64を備え、下部電極部は、同様に、上記直交する2つの傾斜方向に対して線対称に形成された、4分円形状の4つの下部電極板65〜68を備え、液体貯留タンク1の傾斜は、液体貯留タンク1の傾斜方向にそれぞれ位置する一対の電極部60の各分割電極部間の各静電容量の大小関係に基づき検出されるので、各電極部の電極板の直交する2つの分割方向への液体貯留タンク1の傾斜を精度よく検出できる。
Moreover, the upper electrode part which comprises a pair of
また、検出される液体貯留タンク1の傾斜方向は、液体貯留タンク1から液体2が流れ出る方向を含むので、第2及び第3実施形態の液面状態検出装置10A,10Bは、燃料電池システムの改質水ポンプ70の傾斜を検出するための液面状態検出装置として好適に使用できる。
In addition, since the detected tilt direction of the
また、液面状態検出装置10,10A,10Bを備えた燃料電池システムは、信頼性が向上する。
Moreover, the reliability of the fuel cell system including the liquid
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、液面状態検出装置10,10A,10Bは燃料電池システムへの適用に限定されず、貯留される液体の液面高さと傾斜とを同時に検出することが要求されるタンクには、液体の種類、用途にかかわらず適用することができる。
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like can be made as appropriate. For example, the liquid
1 液体貯留タンク
2 液体
10,10A,10B 液面状態検出装置
20 フロート部
30,50,60 電極部
31,51,52,61,62,63,64 上部電極板
32,53,54,65,66,67,68 下部電極板
35 スペース柱
36 窓部
45 ガイドロッド
46 ストッパ
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記フロート部に一体固定され、上下方向に対向配置された一対の電極部と、を備え、
前記一対の電極部間に存在する絶縁物の誘電率によって変化する前記一対の電極部間の静電容量に基づき、前記タンク内の液面高さ及び前記タンクの傾斜を検出する、液面状態検出装置。 A float part that is guided by a guide rod standing in a tank for storing liquid and is movable in the vertical direction;
A pair of electrode portions that are integrally fixed to the float portion and arranged to face each other in the vertical direction,
A liquid level state in which the liquid level in the tank and the inclination of the tank are detected based on the capacitance between the pair of electrode parts, which varies depending on the dielectric constant of the insulator existing between the pair of electrode parts. Detection device.
前記一対の電極部の形状は、平面視において、円形である、液面状態検出装置。 The liquid level detection device according to claim 1,
The shape of the pair of electrode portions is a liquid surface state detection device having a circular shape in plan view.
前記タンクの傾斜は、前記一対の電極部間の静電容量を、前記一対の電極部間が液体で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係、及び前記一対の電極部間が空気で満たされている場合の静電容量と比較した大小関係に基づき検出される、液面状態検出装置。 The liquid level detection device according to claim 2,
The inclination of the tank is such that the capacitance between the pair of electrode portions is compared with the capacitance when the space between the pair of electrode portions is filled with a liquid, and between the pair of electrode portions. A liquid level detection device that is detected based on the magnitude relationship compared to the capacitance when filled with air.
前記一対の電極部の各電極部は、平面視において、検出される前記タンクの傾斜方向に分割された複数の分割電極部を備える、液面状態検出装置。 The liquid level detection device according to claim 1,
Each electrode part of a pair of said electrode part is a liquid level state detection apparatus provided with the some division | segmentation electrode part divided | segmented in the inclination direction of the said tank detected in planar view.
前記分割電極部の形状は、平面視において、検出される前記タンクの傾斜方向に対して線対称の4分円である、液面状態検出装置。 The liquid level detection device according to claim 4,
The shape of the divided electrode portion is a liquid surface state detection device that is a line-symmetric quadrant with respect to the detected tilt direction of the tank in plan view.
検出される前記タンクの傾斜方向は、前記タンクから液体が流れ出る方向を含む、液面状態検出装置。 The liquid level detection device according to claim 4 or 5,
The liquid tank state detection device, wherein the detected tilt direction of the tank includes a direction in which liquid flows out of the tank.
前記タンクの傾斜は、前記タンクの傾斜方向にそれぞれ位置する前記一対の電極部の各分割電極部間の各静電容量の大小関係に基づき検出される、液面状態検出装置。 The liquid level detection device according to any one of claims 4 to 6,
The liquid level state detection device, wherein the inclination of the tank is detected based on a magnitude relationship of capacitances between the divided electrode portions of the pair of electrode portions respectively positioned in the inclination direction of the tank.
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