エゼクタ
【課題】流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができるエゼクタを提供する。
【解決手段】主流が通過可能な開口部１２２が形成されたノズル１２０と、ノズルの下流側に、ノズルと同軸に配置されたディフューザ１１０と、ノズルと同軸に配置されるとともに、開口部に対して当接離反可能に配置されたニードル１３０と、ノズルとニードルとを軸方向に相対移動させることで開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータ１４０と、ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を主流に合流させて混合流を生成し、混合流をディフューザから送出するエゼクタ５０において、所定時間間隔をもって開口面積が、予め設定された第１開口面積と第２開口面積との間で変化することを繰り返すように、アクチュエータを制御する制御部を備えている。
【解決手段】主流が通過可能な開口部１２２が形成されたノズル１２０と、ノズルの下流側に、ノズルと同軸に配置されたディフューザ１１０と、ノズルと同軸に配置されるとともに、開口部に対して当接離反可能に配置されたニードル１３０と、ノズルとニードルとを軸方向に相対移動させることで開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータ１４０と、ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を主流に合流させて混合流を生成し、混合流をディフューザから送出するエゼクタ５０において、所定時間間隔をもって開口面積が、予め設定された第１開口面積と第２開口面積との間で変化することを繰り返すように、アクチュエータを制御する制御部を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エゼクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成された燃料電池スタックを備えた固体高分子膜型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
また、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池スタックに供給される水素や酸素には加湿装置などによって水分が混合されている。その際、燃料電池スタックの電極内のガス流路に水が溜まって、このガス流路が塞がれることがないように、排出燃料には所定の排出流量が設定されている。
【０００４】
ここで、エゼクタを用いて排出燃料を新たに燃料電池スタックに導入される燃料に混合して再循環させることで、燃料を有効に活用することができ、固体高分子膜型燃料電池のエネルギー効率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
特許文献１のエゼクタは、テーパ状の内周面を有するディフューザと、ディフューザの基端開口に連接された副流室と、ディフューザと同軸に、副流室内に突き出すように配置されたノズルと、ノズルの軸中心に形成された開口部に挿通され軸方向に移動可能に構成されたニードルと、を備えている。エゼクタに供給される燃料は、ノズルからディフューザの基端開口に向かって噴射され、この高速の燃料流に引き込まれるようにして排出燃料が副流室内に導入される。そして、燃料と排出燃料とが混合流となってディフューザから送出されるように構成されている。このとき、ニードルが軸方向に移動することにより、燃料が通過する開口面積が可変するため、流量を調整することができるようになっている。
【０００６】
また、特許文献２のエゼクタは、上述したノズルおよびニードルを用いた箇所に、流量を間欠的に調整可能なインジェクタが代わりに配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２０４４１号公報
【特許文献２】特開２００８−１９０３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のエゼクタのように、ノズルとニードルを用いて、流量調整を行う場合、特に小流量での流量制御（圧力制御）が課題となる。具体的には、特許文献１のように電気駆動式の場合、通常流体の下流圧を検出して、それをフィードバック制御して開口面積を決定するが、小流量での制御性を確保するためには、エゼクタを構成する各部品（特に、ノズルおよびニードル）の寸法精度およびアクチュエータの駆動精度が非常に高くなり、適切な流量制御を実行することが困難であった。
【０００９】
また、特許文献２のエゼクタのように、インジェクタを用いて流量を間欠的に調整する場合、インジェクタの吐出口近傍に空間が形成されているため、該空間において流体の脈動が発生し、インジェクタからの吐出流量制御が困難である。この吐出流量の制御性を向上させるために、上記空間の容積を大きく確保しようとすると、エゼクタ自体が大型化したり、エゼクタとしての吸引能力の確保が困難になったりするという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができるエゼクタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、主流が通過可能な開口部（例えば、実施形態におけるノズル孔１２２）が形成されたノズル（例えば、実施形態におけるノズル１２０）と、該ノズルの下流側に、前記ノズルと同軸に配置されたディフューザ（例えば、実施形態におけるディフューザ１１０）と、前記ノズルと同軸に配置されるとともに、前記開口部に対して当接離反可能に配置されたニードル（例えば、実施形態におけるニードル１３０）と、前記ノズルと前記ニードルとを軸方向に相対移動させることで前記開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータ（例えば、実施形態におけるアクチュエータ１４０）と、前記ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタ（例えば、実施形態におけるエゼクタ５０）において、所定時間間隔（例えば、実施形態におけるサイクル周期Ｔint）をもって前記開口面積が、予め設定された第１開口面積（例えば、実施形態における第１開口面積Ｓ１）と第２開口面積（例えば、実施形態における第２開口面積Ｓ２）との間で変化することを繰り返すように、前記アクチュエータを制御する制御部（例えば、実施形態における制御部４５）を備えていることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載した発明は、前記制御部は、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間（例えば、実施形態における全開時間Ｔi）の間、保持するように構成されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項３に記載した発明は、前記制御部は、前記第１開口面積および前記第２開口面積の一方がゼロとして設定され、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載した発明は、前記アクチュエータがソレノイドで構成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項５に記載した発明は、前記主流が燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）に供給される燃料ガスで構成されるとともに、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスで構成され、前記制御部は、前記燃料電池への要求流量に応じて、前記所定時間間隔、前記第１開口面積、前記第２開口面積および前記所定保持時間を調整可能に構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載した発明によれば、制御部が、所定時間間隔をもってノズルの開口面積を周期的に第１開口面積と第２開口面積との間で変化することを繰り返すようにアクチュエータを制御するデューティー制御を実行することができるように構成したため、エゼクタから吐出する流量を制御することができる。したがって、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。また、ノズルとニードルとを相対移動させるアクチュエータの移動量を制御するだけの簡易な構成で、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。さらに、ノズルが流体の圧力供給機能も有しているため、ノズルの上流側に脈動が発生するのを防止することができ、流量を安定して制御することができる。そして、流体を一定周波数で間欠的に不連続流で供給することにより、同一流量を連続流で供給する場合と比較して、小流量域で循環性能を向上させることができる。
【００１７】
請求項２に記載した発明によれば、制御部は、開口面積が第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態において所定保持時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、より正確かつ簡便な流量制御を実行することができる。
【００１８】
請求項３に記載した発明によれば、前記制御部は、第１開口面積および第２開口面積の一方がゼロとなるように設定し、開口面積が第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態において所定保持時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、完全な一定周波数の間欠運転を実現することができ、小流量域において流体の循環性能を大幅に向上することができる。
【００１９】
請求項４に記載した発明によれば、流量の安定制御に加え、ノズルとニードルとを相対移動させる機能を簡単な構成で実現させることができる。
【００２０】
請求項５に記載した発明によれば、エゼクタを用いて燃料電池から排出された排出燃料ガスを新たに燃料電池に導入される燃料ガスに混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。また、混合流の流量を小流量（流量ゼロの状態含む）から大流量まで簡易な構成で確実に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるエゼクタの断面図である。
【図３】本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが上流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが下流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。
【図５】本発明の実施形態における開口面積の変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態におけるエゼクタの循環量の説明に用いるイメージ図である。
【図７】本発明の実施形態におけるエゼクタのポンプ能力（ＰＱ特性）を示すグラフである。
【図８】流体が連続流の場合の流量を示すグラフである。
【図９】流体が不連続流の場合の流量を示すグラフである。
【図１０】流体が亜音速エリアの連続流の場合の流速・供給圧を示すグラフである。
【図１１】流体が亜音速エリアの不連続流の場合の流速・供給圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態を図１〜図１１に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池自動車における燃料電池システムの配管に取り付けたエゼクタについて説明をする。
【００２３】
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。
【００２４】
また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ５０を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。なお、本実施形態においては、エゼクタ５０の上流側に接続されたアノードガス供給配管２３を上流側アノードガス供給配管２３Ａとし、エゼクタ５０の下流側に接続されたアノードガス供給配管２３を下流側アノードガス供給配管２３Ｂとする。
【００２５】
また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ５０に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。
【００２６】
次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。
【００２７】
また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、下流側アノードガス供給配管２３Ｂに他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
【００２８】
また、制御装置（ＥＣＵ）４５は、各種電磁弁などが電気的に接続されており、図示しない温度センサや圧力センサなどの検出結果に基づいて、各種弁の開閉などを実行することができるように構成されているとともに、エゼクタ５０に設けられたアクチュエータ（後に詳述する。）の駆動制御を実行することができるように構成されている。
【００２９】
（エゼクタ）
次に、エゼクタ５０の構造について説明する。
図２に示すように、エゼクタ５０は、燃料電池１１の空気極側における空気の圧力と、燃料電池１１の燃料極側における燃料の圧力とに基づいて、燃料電池１１へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば、ディフューザ１１０と、ノズル１２０と、ニードル１３０と、アクチュエータ１４０と、ニードル１３０を収容するブロック体１５０と、を備えている。
【００３０】
ディフューザ１１０は、軸線方向に貫通する流体通路１１１が形成されており、該流体通路１１１は、その途中に内径が最小となるスロート部１１２を有し、このスロート部１１２よりも上流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に縮径する内周面を有する絞り部１１３が形成されている。また、スロート部１１２よりも下流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に拡径する内周面を有する拡径部１１４が形成されている。ここで、拡径部１１４の拡がり角度は上流側の絞り部１１３の拡がり角度よりも小さくなっている。また、流体通路１１１の下流側には、下流側アノードガス供給配管２３Ｂが接続されている。
【００３１】
また、ディフューザ１１０には軸線方向に沿って穴部１１５が形成されており、この穴部１１５の下流側が絞り部１１３に連通している。一方、穴部１１５の上流端には、ブロック体１５０が連設されており、ディフューザ１１０とブロック体１５０との間にノズル１２０が配されている。
【００３２】
なお、ノズル１２０よりも下流側であって、絞り部１１３と穴部１１５とによって構成される空間は副流室１１６とされており、該副流室１１６には燃料電池１１から排出されるアノードオフガスを導入するためのアノードオフガス排出配管３５が接続されている。
【００３３】
ノズル１２０は、金属製の平板状のノズルボディ１２１と、ノズルボディ１２１の略中央部に形成されたノズル孔１２２と、を有している。ノズル１２０は、ノズル孔１２２の軸中心と、ディフューザ１１０の軸中心とが略一致するように、後述するブロック体１５０におけるディフューザ１１０との境界面に固定されている。さらに、ノズル孔１２２の周縁部には、後述するニードル１３０の胴体部１３２に向かって突出した弁体１２３が形成されている。
【００３４】
ディフューザ１１０（ノズル１２０）の下流側には、内部にガス流路１５１が形成されたブロック体１５０が配されている。ブロック体１５０はディフューザ１１０の上流側に連結されている。
【００３５】
ガス流路１５１の壁面をなす内周面１５１Ａは軸方向に沿って略円筒状に形成されている。ガス流路１５１の下流端には、ノズル１２０がそのノズルボディ１２１でガス流路１５１の一部を閉塞するように配されており、ガス流路１５１とノズル１２０に形成されたノズル孔１２２とが連通するように配されている。
【００３６】
また、ガス流路１５１内にはニードル１３０が配されており、ニードル１３０はアクチュエータ１４０によってディフューザ１１０の流体通路１１１と同軸の軸方向に対して移動可能に保持されている。また、ガス流路１５１には、水素タンク３０から供給されるアノードガスを導入するための上流側アノードガス供給配管２３Ａが接続されている。
【００３７】
ニードル１３０は、ノズル１２０のノズル孔１２２に対して軸方向に挿通可能に構成された先端部１３１と、先端部１３１よりも径方向に拡張されガス流路１５１内に配される胴体部１３２と、を有している。なお、先端部１３１と胴体部１３２との境界には段差部１３３が形成されている。また、胴体部１３２におけるノズル１２０と対向する面には、ゴムなどの弾性体で形成されたシート部材１３５が設けられている。シート部材１３５は、正面視略リング状に形成されており、先端部１３１の外周を取り囲むように配されている。そして、シート部材１３５は、ノズル１２０の弁体１２３と当接離反することができる位置に設けられている。
【００３８】
さらに、ニードル１３０の先端部１３１には、軸方向先端側（下流側）に向かうにしたがって漸次連続的に縮径するテーパ部１３４が形成されている。このテーパ部１３４によりノズル孔１２２から噴射されるアノードガスを整流することができる。
【００３９】
また、ノズル１２０のノズル孔１２２において、ニードル１３０の先端部１３１が軸線方向に移動することで、ノズル１２０のノズル孔１２２から突出するニードル１３０の先端部１３１の突出量が変更させられる。これに伴い、ガス流路１５１におけるニードル１３０の段差部１３３とノズル１２０のノズルボディ１２１との間隙の距離が変更させられ、ノズル１２０のノズル孔１２２から副流室１１６内に噴射されるアノードガスの流量が調整可能とされている。
【００４０】
次に、アノードガスの流量調整方法について、図３、図４を用いて具体的に説明する。
図３に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が上流側に移動した状態では、アノードガスがガス流路１５１を通過してディフューザ１１０に送出される。具体的には、上流側アノードガス供給配管２３Ａからブロック体１５０のガス流路１５１に供給されたアノードガスは、ガス流路１５１の内周面１５１Ａとニードル１３０の胴体部１３２の外周面との隙間を通過し、その後、ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間を通過する。そして、アノードガスは、ノズル１２０のノズル孔１２２とニードル１３０の先端部１３１との隙間を通過して、ディフューザ１１０側へ噴射される。ここで、噴射されたアノードガスは、ニードル１３０のテーパ部１３４により整流される。このとき、高速のアノードガスが流通するディフューザ１１０のスロート部１１２の近傍において負圧が発生し、この負圧により副流室１１６内にアノードオフガスが引き込まれ、ノズル１２０から噴射されたアノードガスと混合してディフューザ１１０の下流端から下流側アノードガス供給配管２３Ｂに送出される。このように、燃料電池１１から排出されたアノードオフガスは、可変流量エゼクタ５０を介して循環させられている。
【００４１】
一方、図４に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が最も下流側に移動した状態では、ノズル１２０の弁体１２３とニードル１３０の胴体部１３２に設けられたシート部材１３５とが当接される。この状態においては、アノードガスが流通する流路が閉塞されるため、アノードガスがノズル１２０のノズル孔１２２から噴射されることはない。
【００４２】
このように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスの流量を調整するのみならず、完全に締め切ることもできる。また、ニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスが流通する流路の面積（ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間）を連続的に調整することができるため、アノードガスの流量を連続的に調整することができる。
【００４３】
ここで、本実施形態のアクチュエータ１４０は制御部４５からの指示により、例えば図５に示すようなデューティー制御を行うように構成されている。つまり、ニードル１３０を一定周期の高速で軸方向に前後させることで、ノズル孔１２２とニードル１３０とで形成される開口面積が予め設定された第１開口面積Ｓ１と第２開口面積Ｓ２との間を周期的に変化するように、つまり、開口面積が第１開口面積Ｓ１と第２開口面積Ｓ２との間で変化することを繰り返すようにアクチュエータ１４０を制御することで、ノズル孔１２２から吐出される主流の流量を制御できるようになっている。なお、本実施形態では、Ｓ１＞Ｓ２であり、第２開口面積Ｓ２はゼロ（アノードガスを完全に締め切る状態）に設定することも可能である。このように、ニードル１３０をデューティー制御することによりエゼクタ５０のアノードガスの循環能力を向上することができる。
【００４４】
続いて、アノードガスの循環能力を向上することができる原理について説明する。
まず、エゼクタ５０のポンプ能力は、ノズル１２０から供給される運動量に比例することが分かっている。つまり、図６、図７に示すように、ノズル質量流量をＭｎ、ノズル流速をＶｎ、ノズル供給運動量をＦｎ、最大吸引可能圧損をＰmax、無負荷吸引量をＱmaxとすると、
Ｆｎ＝Ｍｎ・Ｖｎ ・・・（１）
Ｐmax∝Ｆｎ ・・・（２）
Ｑmax∝Ｆｎ ・・・（３）
の式が成り立つ。つまり、エゼクタ５０のＰＱ特性はノズル供給運動量Ｆｎと比例関係を有している。なお、最大吸引可能圧損Ｐmaxは、吸込み量が０となる場合の吐出側と吸込み側との差圧のことであり、無負荷吸引量Ｑmaxは、吐出側と吸込み側との圧力差が０のときの吸引流量のことである。
【００４５】
次に、流体の供給形態の違いにより、ノズル供給運動量Ｆｎがどのように異なるかを説明する。
まず、流体が連続流、不連続流それぞれの場合において、流量一定の場合の時間平均でのノズル供給運動量を求める。なお、連続流が一般的なノズル−ニードル方式の流量制御の場合であり、不連続流が本実施形態の流量制御の場合である。
【００４６】
図８に流体が連続流の場合の流量Ｍｎ_cを示し、図９に流体が不連続流の場合の流量Ｍｎを示す。なお、不連続流のインターバル（サイクル周期）をＴintとし、不連続流の流体が流れている時間（全開時間）をＴiとしている。つまり、この場合のデューティー比＝全開時間Ｔi／サイクル周期（Ｔint）となる。
この連続流および不連続流は、時間平均での流量は一定であるため、下記（４）式が成り立つ。
【００４７】
【数１】
【００４８】
続いて、図１０に流体が亜音速エリアの連続流の場合の流速および供給圧を示し、図１１に流体が亜音速エリアの不連続流の場合の流速および供給圧を示す。なお、不連続流供給圧をＰｓとし、連続流供給圧をＰs_cとし、音速をＶsonicとしている。ここで、連続流供給圧Ｐs_cは調圧後であるため、Ｐｓ＞Ｐs_cとなる。したがって、必ずＶｎ_c≦Ｖｎ≦Ｖsonicとなる。
なお、流体が音速エリアの連続流または不連続流の場合は、Ｖｎ_c＝Ｖｎ＝Ｖsonicとなる。
【００４９】
前述の式より運動量をそれぞれ求めると、
【００５０】
【数２】
【００５１】
となる。
上記（５）、（６）式より、流体が連続流と不連続流との場合における運動量の差は、流体の流速の差に起因することが分かる。
【００５２】
ここで、圧縮性流体の流れにおいては、流体の流速は、上流圧と下流圧との圧力比により決まり、流量やノズル孔径は無関係である。流体が水素や空気の場合、下流圧／上流圧＜０．５２８になったとき、流体の流速は音速一定となる。
【００５３】
本実施形態の前提条件として、流体が不連続供給の場合、常に音速になりうる圧で供給している。その場合、流体のノズル質量流量ＭｎはＴiのデューティー比で調整するが、不連続流供給圧Ｐｓが上記関係式を満たしているため、常に音速流量で流れる。
その結果、同一流量Ｍでも、運動量Ｆの時間平均は、Ｆ＝ＭＶで表されるため、流速Ｖの増加分が運動量Ｆの増加分となる。
【００５４】
つまり、本実施形態では、流体が不連続流の場合は、常に間欠的に音速で流体を吐出するため、同一流量でも亜音速流の場合と比較して運動量が増大し、循環能力が向上する。
【００５５】
なお、従来のノズル−ニードル構造の場合、小流量域においては、ノズル１２０の開口面積をかなり絞らないと、流体の流速は音速エリアにならない。したがって、ニードル１３０を軸方向に移動させて流速が音速になるように制御するには、かなり高精度なアクチュエータ機構が必要である。しかしながら、構造上絞れるノズル開口面積には限界があり、その結果、小流量域では、供給圧を下げざるを得ず、亜音速エリアが発生していた。
【００５６】
また、従来のインジェクタを設けたエゼクタの場合のように、インジェクタとノズルとの間にバッファがあると、圧力伝播が遅れてしまう。その場合、Ｔiの値次第では、ノズルへの印加圧はインジェクタの吐出圧より下がってしまう。もし下がった結果、上記音速条件が満たされないなら亜音速での供給が発生してしまうこととなる。
【００５７】
一方、本実施形態のように、ノズル１２０とニードル１３０とを周期的に相対移動させて流量を制御する場合、中間開度の制御が不要であるため、簡便な部品で構成することができ、かつ、循環能力はノズル１２０の開口面積を絞ったときと略同等の効果を得ることができる。
【００５８】
本実施形態のエゼクタ５０によれば、制御部４５が、サイクル周期Ｔintをもってノズル１２０の開口面積を周期的に第１開口面積Ｓ１と第２開口面積Ｓ２との間を繰り返し可変するようにアクチュエータ１４０を制御するデューティー制御を実行することができるように構成したため、エゼクタ５０から吐出する流量を制御することができる。したがって、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。
また、ノズル１２０とニードル１３０とを相対移動させるアクチュエータ１４０の移動量を制御するだけの簡易な構成で、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。
さらに、ノズル１２０が流体の圧力供給機能も有しているため、ノズル１２０の上流側に脈動が発生するのを防止することができ、流量を安定して制御することができる。
そして、流体を一定周波数で間欠的に不連続流で供給することにより、同一流量を連続流で供給する場合と比較して、小流量域で循環性能を向上させることができる。
【００５９】
また、制御部４５は、開口面積が第１開口面積Ｓ１または第２開口面積Ｓ２になっている状態においてそれぞれ所定時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、より正確かつ簡便な流量制御を実行することができる。
【００６０】
また、制御部４５は、第２開口面積Ｓ２がゼロとなるように設定し、開口面積が第２開口面積Ｓ２になっている状態において所定時間の間、その開口面積の状態を保持することができるように構成したため、完全な一定周波数の間欠運転を実現することができ、小流量域において流体の循環性能を大幅に向上することができる。
【００６１】
さらに、アクチュエータ１４０をソレノイドで構成することにより、ノズル１２０とニードル１３０とを相対移動させる機能を簡単に実現させることができる。
【００６２】
そして、エゼクタ５０を用いて燃料電池１１から排出されたアノードオフガスを新たに燃料電池１１に導入されるアノードガスに混合して再循環させることで、アノードガスを有効に活用することができ、燃料電池１１のエネルギー効率を向上させることができる。また、混合流の流量を小流量（流量ゼロの状態含む）から大流量まで簡易な構成で確実に制御することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１１…燃料電池 ４５…制御部 ５０…エゼクタ １１０…ディフューザ １２０…ノズル １２２…ノズル孔（開口部） １３０…ニードル １４０…アクチュエータ Ｓ１…第１開口面積 Ｓ２…第２開口面積 Ｔi…全開時間（所定保持時間） Ｔint…サイクル周期（所定時間間隔）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エゼクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成された燃料電池スタックを備えた固体高分子膜型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、アノードに燃料として水素が供給され、カソードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
また、固体高分子電解質膜のイオン導電性を保つために、燃料電池スタックに供給される水素や酸素には加湿装置などによって水分が混合されている。その際、燃料電池スタックの電極内のガス流路に水が溜まって、このガス流路が塞がれることがないように、排出燃料には所定の排出流量が設定されている。
【０００４】
ここで、エゼクタを用いて排出燃料を新たに燃料電池スタックに導入される燃料に混合して再循環させることで、燃料を有効に活用することができ、固体高分子膜型燃料電池のエネルギー効率を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００５】
特許文献１のエゼクタは、テーパ状の内周面を有するディフューザと、ディフューザの基端開口に連接された副流室と、ディフューザと同軸に、副流室内に突き出すように配置されたノズルと、ノズルの軸中心に形成された開口部に挿通され軸方向に移動可能に構成されたニードルと、を備えている。エゼクタに供給される燃料は、ノズルからディフューザの基端開口に向かって噴射され、この高速の燃料流に引き込まれるようにして排出燃料が副流室内に導入される。そして、燃料と排出燃料とが混合流となってディフューザから送出されるように構成されている。このとき、ニードルが軸方向に移動することにより、燃料が通過する開口面積が可変するため、流量を調整することができるようになっている。
【０００６】
また、特許文献２のエゼクタは、上述したノズルおよびニードルを用いた箇所に、流量を間欠的に調整可能なインジェクタが代わりに配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２０４４１号公報
【特許文献２】特開２００８−１９０３３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１のエゼクタのように、ノズルとニードルを用いて、流量調整を行う場合、特に小流量での流量制御（圧力制御）が課題となる。具体的には、特許文献１のように電気駆動式の場合、通常流体の下流圧を検出して、それをフィードバック制御して開口面積を決定するが、小流量での制御性を確保するためには、エゼクタを構成する各部品（特に、ノズルおよびニードル）の寸法精度およびアクチュエータの駆動精度が非常に高くなり、適切な流量制御を実行することが困難であった。
【０００９】
また、特許文献２のエゼクタのように、インジェクタを用いて流量を間欠的に調整する場合、インジェクタの吐出口近傍に空間が形成されているため、該空間において流体の脈動が発生し、インジェクタからの吐出流量制御が困難である。この吐出流量の制御性を向上させるために、上記空間の容積を大きく確保しようとすると、エゼクタ自体が大型化したり、エゼクタとしての吸引能力の確保が困難になったりするという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができるエゼクタを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、主流が通過可能な開口部（例えば、実施形態におけるノズル孔１２２）が形成されたノズル（例えば、実施形態におけるノズル１２０）と、該ノズルの下流側に、前記ノズルと同軸に配置されたディフューザ（例えば、実施形態におけるディフューザ１１０）と、前記ノズルと同軸に配置されるとともに、前記開口部に対して当接離反可能に配置されたニードル（例えば、実施形態におけるニードル１３０）と、前記ノズルと前記ニードルとを軸方向に相対移動させることで前記開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータ（例えば、実施形態におけるアクチュエータ１４０）と、前記ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタ（例えば、実施形態におけるエゼクタ５０）において、所定時間間隔（例えば、実施形態におけるサイクル周期Ｔint）をもって前記開口面積が、予め設定された第１開口面積（例えば、実施形態における第１開口面積Ｓ１）と第２開口面積（例えば、実施形態における第２開口面積Ｓ２）との間で変化することを繰り返すように、前記アクチュエータを制御する制御部（例えば、実施形態における制御部４５）を備えていることを特徴としている。
【００１２】
請求項２に記載した発明は、前記制御部は、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間（例えば、実施形態における全開時間Ｔi）の間、保持するように構成されていることを特徴としている。
【００１３】
請求項３に記載した発明は、前記制御部は、前記第１開口面積および前記第２開口面積の一方がゼロとして設定され、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項４に記載した発明は、前記アクチュエータがソレノイドで構成されていることを特徴としている。
【００１５】
請求項５に記載した発明は、前記主流が燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）に供給される燃料ガスで構成されるとともに、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスで構成され、前記制御部は、前記燃料電池への要求流量に応じて、前記所定時間間隔、前記第１開口面積、前記第２開口面積および前記所定保持時間を調整可能に構成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載した発明によれば、制御部が、所定時間間隔をもってノズルの開口面積を周期的に第１開口面積と第２開口面積との間で変化することを繰り返すようにアクチュエータを制御するデューティー制御を実行することができるように構成したため、エゼクタから吐出する流量を制御することができる。したがって、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。また、ノズルとニードルとを相対移動させるアクチュエータの移動量を制御するだけの簡易な構成で、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。さらに、ノズルが流体の圧力供給機能も有しているため、ノズルの上流側に脈動が発生するのを防止することができ、流量を安定して制御することができる。そして、流体を一定周波数で間欠的に不連続流で供給することにより、同一流量を連続流で供給する場合と比較して、小流量域で循環性能を向上させることができる。
【００１７】
請求項２に記載した発明によれば、制御部は、開口面積が第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態において所定保持時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、より正確かつ簡便な流量制御を実行することができる。
【００１８】
請求項３に記載した発明によれば、前記制御部は、第１開口面積および第２開口面積の一方がゼロとなるように設定し、開口面積が第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態において所定保持時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、完全な一定周波数の間欠運転を実現することができ、小流量域において流体の循環性能を大幅に向上することができる。
【００１９】
請求項４に記載した発明によれば、流量の安定制御に加え、ノズルとニードルとを相対移動させる機能を簡単な構成で実現させることができる。
【００２０】
請求項５に記載した発明によれば、エゼクタを用いて燃料電池から排出された排出燃料ガスを新たに燃料電池に導入される燃料ガスに混合して再循環させることで、燃料ガスを有効に活用することができ、燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。また、混合流の流量を小流量（流量ゼロの状態含む）から大流量まで簡易な構成で確実に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態におけるエゼクタの断面図である。
【図３】本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが上流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。
【図４】本発明の実施形態におけるエゼクタのニードルが下流側に位置した状態を示す部分拡大断面図である。
【図５】本発明の実施形態における開口面積の変化を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態におけるエゼクタの循環量の説明に用いるイメージ図である。
【図７】本発明の実施形態におけるエゼクタのポンプ能力（ＰＱ特性）を示すグラフである。
【図８】流体が連続流の場合の流量を示すグラフである。
【図９】流体が不連続流の場合の流量を示すグラフである。
【図１０】流体が亜音速エリアの連続流の場合の流速・供給圧を示すグラフである。
【図１１】流体が亜音速エリアの不連続流の場合の流速・供給圧を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
次に、本発明の実施形態を図１〜図１１に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池自動車における燃料電池システムの配管に取り付けたエゼクタについて説明をする。
【００２３】
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。
【００２４】
また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ５０を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。なお、本実施形態においては、エゼクタ５０の上流側に接続されたアノードガス供給配管２３を上流側アノードガス供給配管２３Ａとし、エゼクタ５０の下流側に接続されたアノードガス供給配管２３を下流側アノードガス供給配管２３Ｂとする。
【００２５】
また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ５０に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。
【００２６】
次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。
【００２７】
また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、下流側アノードガス供給配管２３Ｂに他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
【００２８】
また、制御装置（ＥＣＵ）４５は、各種電磁弁などが電気的に接続されており、図示しない温度センサや圧力センサなどの検出結果に基づいて、各種弁の開閉などを実行することができるように構成されているとともに、エゼクタ５０に設けられたアクチュエータ（後に詳述する。）の駆動制御を実行することができるように構成されている。
【００２９】
（エゼクタ）
次に、エゼクタ５０の構造について説明する。
図２に示すように、エゼクタ５０は、燃料電池１１の空気極側における空気の圧力と、燃料電池１１の燃料極側における燃料の圧力とに基づいて、燃料電池１１へ供給する燃料の流量を制御するものであって、例えば、ディフューザ１１０と、ノズル１２０と、ニードル１３０と、アクチュエータ１４０と、ニードル１３０を収容するブロック体１５０と、を備えている。
【００３０】
ディフューザ１１０は、軸線方向に貫通する流体通路１１１が形成されており、該流体通路１１１は、その途中に内径が最小となるスロート部１１２を有し、このスロート部１１２よりも上流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に縮径する内周面を有する絞り部１１３が形成されている。また、スロート部１１２よりも下流側には下流方向に進むにしたがって漸次連続的に拡径する内周面を有する拡径部１１４が形成されている。ここで、拡径部１１４の拡がり角度は上流側の絞り部１１３の拡がり角度よりも小さくなっている。また、流体通路１１１の下流側には、下流側アノードガス供給配管２３Ｂが接続されている。
【００３１】
また、ディフューザ１１０には軸線方向に沿って穴部１１５が形成されており、この穴部１１５の下流側が絞り部１１３に連通している。一方、穴部１１５の上流端には、ブロック体１５０が連設されており、ディフューザ１１０とブロック体１５０との間にノズル１２０が配されている。
【００３２】
なお、ノズル１２０よりも下流側であって、絞り部１１３と穴部１１５とによって構成される空間は副流室１１６とされており、該副流室１１６には燃料電池１１から排出されるアノードオフガスを導入するためのアノードオフガス排出配管３５が接続されている。
【００３３】
ノズル１２０は、金属製の平板状のノズルボディ１２１と、ノズルボディ１２１の略中央部に形成されたノズル孔１２２と、を有している。ノズル１２０は、ノズル孔１２２の軸中心と、ディフューザ１１０の軸中心とが略一致するように、後述するブロック体１５０におけるディフューザ１１０との境界面に固定されている。さらに、ノズル孔１２２の周縁部には、後述するニードル１３０の胴体部１３２に向かって突出した弁体１２３が形成されている。
【００３４】
ディフューザ１１０（ノズル１２０）の下流側には、内部にガス流路１５１が形成されたブロック体１５０が配されている。ブロック体１５０はディフューザ１１０の上流側に連結されている。
【００３５】
ガス流路１５１の壁面をなす内周面１５１Ａは軸方向に沿って略円筒状に形成されている。ガス流路１５１の下流端には、ノズル１２０がそのノズルボディ１２１でガス流路１５１の一部を閉塞するように配されており、ガス流路１５１とノズル１２０に形成されたノズル孔１２２とが連通するように配されている。
【００３６】
また、ガス流路１５１内にはニードル１３０が配されており、ニードル１３０はアクチュエータ１４０によってディフューザ１１０の流体通路１１１と同軸の軸方向に対して移動可能に保持されている。また、ガス流路１５１には、水素タンク３０から供給されるアノードガスを導入するための上流側アノードガス供給配管２３Ａが接続されている。
【００３７】
ニードル１３０は、ノズル１２０のノズル孔１２２に対して軸方向に挿通可能に構成された先端部１３１と、先端部１３１よりも径方向に拡張されガス流路１５１内に配される胴体部１３２と、を有している。なお、先端部１３１と胴体部１３２との境界には段差部１３３が形成されている。また、胴体部１３２におけるノズル１２０と対向する面には、ゴムなどの弾性体で形成されたシート部材１３５が設けられている。シート部材１３５は、正面視略リング状に形成されており、先端部１３１の外周を取り囲むように配されている。そして、シート部材１３５は、ノズル１２０の弁体１２３と当接離反することができる位置に設けられている。
【００３８】
さらに、ニードル１３０の先端部１３１には、軸方向先端側（下流側）に向かうにしたがって漸次連続的に縮径するテーパ部１３４が形成されている。このテーパ部１３４によりノズル孔１２２から噴射されるアノードガスを整流することができる。
【００３９】
また、ノズル１２０のノズル孔１２２において、ニードル１３０の先端部１３１が軸線方向に移動することで、ノズル１２０のノズル孔１２２から突出するニードル１３０の先端部１３１の突出量が変更させられる。これに伴い、ガス流路１５１におけるニードル１３０の段差部１３３とノズル１２０のノズルボディ１２１との間隙の距離が変更させられ、ノズル１２０のノズル孔１２２から副流室１１６内に噴射されるアノードガスの流量が調整可能とされている。
【００４０】
次に、アノードガスの流量調整方法について、図３、図４を用いて具体的に説明する。
図３に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が上流側に移動した状態では、アノードガスがガス流路１５１を通過してディフューザ１１０に送出される。具体的には、上流側アノードガス供給配管２３Ａからブロック体１５０のガス流路１５１に供給されたアノードガスは、ガス流路１５１の内周面１５１Ａとニードル１３０の胴体部１３２の外周面との隙間を通過し、その後、ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間を通過する。そして、アノードガスは、ノズル１２０のノズル孔１２２とニードル１３０の先端部１３１との隙間を通過して、ディフューザ１１０側へ噴射される。ここで、噴射されたアノードガスは、ニードル１３０のテーパ部１３４により整流される。このとき、高速のアノードガスが流通するディフューザ１１０のスロート部１１２の近傍において負圧が発生し、この負圧により副流室１１６内にアノードオフガスが引き込まれ、ノズル１２０から噴射されたアノードガスと混合してディフューザ１１０の下流端から下流側アノードガス供給配管２３Ｂに送出される。このように、燃料電池１１から排出されたアノードオフガスは、可変流量エゼクタ５０を介して循環させられている。
【００４１】
一方、図４に示すように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０が最も下流側に移動した状態では、ノズル１２０の弁体１２３とニードル１３０の胴体部１３２に設けられたシート部材１３５とが当接される。この状態においては、アノードガスが流通する流路が閉塞されるため、アノードガスがノズル１２０のノズル孔１２２から噴射されることはない。
【００４２】
このように、アクチュエータ１４０によりニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスの流量を調整するのみならず、完全に締め切ることもできる。また、ニードル１３０を軸方向に移動させることで、アノードガスが流通する流路の面積（ノズル１２０のノズルボディ１２１とニードル１３０の段差部１３３との隙間）を連続的に調整することができるため、アノードガスの流量を連続的に調整することができる。
【００４３】
ここで、本実施形態のアクチュエータ１４０は制御部４５からの指示により、例えば図５に示すようなデューティー制御を行うように構成されている。つまり、ニードル１３０を一定周期の高速で軸方向に前後させることで、ノズル孔１２２とニードル１３０とで形成される開口面積が予め設定された第１開口面積Ｓ１と第２開口面積Ｓ２との間を周期的に変化するように、つまり、開口面積が第１開口面積Ｓ１と第２開口面積Ｓ２との間で変化することを繰り返すようにアクチュエータ１４０を制御することで、ノズル孔１２２から吐出される主流の流量を制御できるようになっている。なお、本実施形態では、Ｓ１＞Ｓ２であり、第２開口面積Ｓ２はゼロ（アノードガスを完全に締め切る状態）に設定することも可能である。このように、ニードル１３０をデューティー制御することによりエゼクタ５０のアノードガスの循環能力を向上することができる。
【００４４】
続いて、アノードガスの循環能力を向上することができる原理について説明する。
まず、エゼクタ５０のポンプ能力は、ノズル１２０から供給される運動量に比例することが分かっている。つまり、図６、図７に示すように、ノズル質量流量をＭｎ、ノズル流速をＶｎ、ノズル供給運動量をＦｎ、最大吸引可能圧損をＰmax、無負荷吸引量をＱmaxとすると、
Ｆｎ＝Ｍｎ・Ｖｎ ・・・（１）
Ｐmax∝Ｆｎ ・・・（２）
Ｑmax∝Ｆｎ ・・・（３）
の式が成り立つ。つまり、エゼクタ５０のＰＱ特性はノズル供給運動量Ｆｎと比例関係を有している。なお、最大吸引可能圧損Ｐmaxは、吸込み量が０となる場合の吐出側と吸込み側との差圧のことであり、無負荷吸引量Ｑmaxは、吐出側と吸込み側との圧力差が０のときの吸引流量のことである。
【００４５】
次に、流体の供給形態の違いにより、ノズル供給運動量Ｆｎがどのように異なるかを説明する。
まず、流体が連続流、不連続流それぞれの場合において、流量一定の場合の時間平均でのノズル供給運動量を求める。なお、連続流が一般的なノズル−ニードル方式の流量制御の場合であり、不連続流が本実施形態の流量制御の場合である。
【００４６】
図８に流体が連続流の場合の流量Ｍｎ_cを示し、図９に流体が不連続流の場合の流量Ｍｎを示す。なお、不連続流のインターバル（サイクル周期）をＴintとし、不連続流の流体が流れている時間（全開時間）をＴiとしている。つまり、この場合のデューティー比＝全開時間Ｔi／サイクル周期（Ｔint）となる。
この連続流および不連続流は、時間平均での流量は一定であるため、下記（４）式が成り立つ。
【００４７】
【数１】
【００４８】
続いて、図１０に流体が亜音速エリアの連続流の場合の流速および供給圧を示し、図１１に流体が亜音速エリアの不連続流の場合の流速および供給圧を示す。なお、不連続流供給圧をＰｓとし、連続流供給圧をＰs_cとし、音速をＶsonicとしている。ここで、連続流供給圧Ｐs_cは調圧後であるため、Ｐｓ＞Ｐs_cとなる。したがって、必ずＶｎ_c≦Ｖｎ≦Ｖsonicとなる。
なお、流体が音速エリアの連続流または不連続流の場合は、Ｖｎ_c＝Ｖｎ＝Ｖsonicとなる。
【００４９】
前述の式より運動量をそれぞれ求めると、
【００５０】
【数２】
【００５１】
となる。
上記（５）、（６）式より、流体が連続流と不連続流との場合における運動量の差は、流体の流速の差に起因することが分かる。
【００５２】
ここで、圧縮性流体の流れにおいては、流体の流速は、上流圧と下流圧との圧力比により決まり、流量やノズル孔径は無関係である。流体が水素や空気の場合、下流圧／上流圧＜０．５２８になったとき、流体の流速は音速一定となる。
【００５３】
本実施形態の前提条件として、流体が不連続供給の場合、常に音速になりうる圧で供給している。その場合、流体のノズル質量流量ＭｎはＴiのデューティー比で調整するが、不連続流供給圧Ｐｓが上記関係式を満たしているため、常に音速流量で流れる。
その結果、同一流量Ｍでも、運動量Ｆの時間平均は、Ｆ＝ＭＶで表されるため、流速Ｖの増加分が運動量Ｆの増加分となる。
【００５４】
つまり、本実施形態では、流体が不連続流の場合は、常に間欠的に音速で流体を吐出するため、同一流量でも亜音速流の場合と比較して運動量が増大し、循環能力が向上する。
【００５５】
なお、従来のノズル−ニードル構造の場合、小流量域においては、ノズル１２０の開口面積をかなり絞らないと、流体の流速は音速エリアにならない。したがって、ニードル１３０を軸方向に移動させて流速が音速になるように制御するには、かなり高精度なアクチュエータ機構が必要である。しかしながら、構造上絞れるノズル開口面積には限界があり、その結果、小流量域では、供給圧を下げざるを得ず、亜音速エリアが発生していた。
【００５６】
また、従来のインジェクタを設けたエゼクタの場合のように、インジェクタとノズルとの間にバッファがあると、圧力伝播が遅れてしまう。その場合、Ｔiの値次第では、ノズルへの印加圧はインジェクタの吐出圧より下がってしまう。もし下がった結果、上記音速条件が満たされないなら亜音速での供給が発生してしまうこととなる。
【００５７】
一方、本実施形態のように、ノズル１２０とニードル１３０とを周期的に相対移動させて流量を制御する場合、中間開度の制御が不要であるため、簡便な部品で構成することができ、かつ、循環能力はノズル１２０の開口面積を絞ったときと略同等の効果を得ることができる。
【００５８】
本実施形態のエゼクタ５０によれば、制御部４５が、サイクル周期Ｔintをもってノズル１２０の開口面積を周期的に第１開口面積Ｓ１と第２開口面積Ｓ２との間を繰り返し可変するようにアクチュエータ１４０を制御するデューティー制御を実行することができるように構成したため、エゼクタ５０から吐出する流量を制御することができる。したがって、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。
また、ノズル１２０とニードル１３０とを相対移動させるアクチュエータ１４０の移動量を制御するだけの簡易な構成で、流量の大小に関わらず確実に流量制御を実行することができる。
さらに、ノズル１２０が流体の圧力供給機能も有しているため、ノズル１２０の上流側に脈動が発生するのを防止することができ、流量を安定して制御することができる。
そして、流体を一定周波数で間欠的に不連続流で供給することにより、同一流量を連続流で供給する場合と比較して、小流量域で循環性能を向上させることができる。
【００５９】
また、制御部４５は、開口面積が第１開口面積Ｓ１または第２開口面積Ｓ２になっている状態においてそれぞれ所定時間の間、その開口面積の状態を保持するように構成したため、より正確かつ簡便な流量制御を実行することができる。
【００６０】
また、制御部４５は、第２開口面積Ｓ２がゼロとなるように設定し、開口面積が第２開口面積Ｓ２になっている状態において所定時間の間、その開口面積の状態を保持することができるように構成したため、完全な一定周波数の間欠運転を実現することができ、小流量域において流体の循環性能を大幅に向上することができる。
【００６１】
さらに、アクチュエータ１４０をソレノイドで構成することにより、ノズル１２０とニードル１３０とを相対移動させる機能を簡単に実現させることができる。
【００６２】
そして、エゼクタ５０を用いて燃料電池１１から排出されたアノードオフガスを新たに燃料電池１１に導入されるアノードガスに混合して再循環させることで、アノードガスを有効に活用することができ、燃料電池１１のエネルギー効率を向上させることができる。また、混合流の流量を小流量（流量ゼロの状態含む）から大流量まで簡易な構成で確実に制御することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１１…燃料電池 ４５…制御部 ５０…エゼクタ １１０…ディフューザ １２０…ノズル １２２…ノズル孔（開口部） １３０…ニードル １４０…アクチュエータ Ｓ１…第１開口面積 Ｓ２…第２開口面積 Ｔi…全開時間（所定保持時間） Ｔint…サイクル周期（所定時間間隔）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流が通過可能な開口部が形成されたノズルと、
該ノズルの下流側に、前記ノズルと同軸に配置されたディフューザと、
前記ノズルと同軸に配置されるとともに、前記開口部に対して当接離反可能に配置されたニードルと、
前記ノズルと前記ニードルとを軸方向に相対移動させることで前記開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータと、
前記ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、
該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタにおいて、
所定時間間隔をもって前記開口面積が、予め設定された第１開口面積と第２開口面積との間で変化することを繰り返すように、前記アクチュエータを制御する制御部を備えていることを特徴とするエゼクタ。
【請求項２】
前記制御部は、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエゼクタ。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１開口面積および前記第２開口面積の一方がゼロとして設定され、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエゼクタ。
【請求項４】
前記アクチュエータがソレノイドで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエゼクタ。
【請求項５】
前記主流が燃料電池に供給される燃料ガスで構成されるとともに、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスで構成され、
前記制御部は、前記燃料電池への要求流量に応じて、前記所定時間間隔、前記第１開口面積、前記第２開口面積および前記所定保持時間を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のエゼクタ。
【請求項１】
主流が通過可能な開口部が形成されたノズルと、
該ノズルの下流側に、前記ノズルと同軸に配置されたディフューザと、
前記ノズルと同軸に配置されるとともに、前記開口部に対して当接離反可能に配置されたニードルと、
前記ノズルと前記ニードルとを軸方向に相対移動させることで前記開口部の開口面積を変更可能なアクチュエータと、
前記ディフューザにおける吸引作用が働く位置において副流を前記主流に合流させて混合流を生成し、
該混合流を前記ディフューザから送出するエゼクタにおいて、
所定時間間隔をもって前記開口面積が、予め設定された第１開口面積と第２開口面積との間で変化することを繰り返すように、前記アクチュエータを制御する制御部を備えていることを特徴とするエゼクタ。
【請求項２】
前記制御部は、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のエゼクタ。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１開口面積および前記第２開口面積の一方がゼロとして設定され、前記所定時間間隔をもって前記開口面積が、前記第１開口面積または前記第２開口面積になっている状態で、予め設定された所定保持時間の間、保持するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエゼクタ。
【請求項４】
前記アクチュエータがソレノイドで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエゼクタ。
【請求項５】
前記主流が燃料電池に供給される燃料ガスで構成されるとともに、前記副流が前記燃料電池から排出された排出燃料ガスで構成され、
前記制御部は、前記燃料電池への要求流量に応じて、前記所定時間間隔、前記第１開口面積、前記第２開口面積および前記所定保持時間を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のエゼクタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１４４７７１（Ｐ２０１１−１４４７７１Ａ）
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７０１６（Ｐ２０１０−７０１６）
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月２８日（２０１１．７．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月１５日（２０１０．１．１５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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