专利名称：喷射器和具有该喷射器的燃料电池系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量可变式喷射器以及具有该喷射器的燃料电池系统。
背景技术：
以往公知的这种喷射器，如图6所示，通过使其前端部48a朝向喷嘴46的针48在轴线方向上移动来改变针48和喷嘴46之间间隙的开口面积Y(以下称为喷嘴的开口面积)，由此来调节从喷嘴46喷出的流体流量(以下称为喷出流量)(例如，参见专利文献1)。喷出流量由喷嘴46的开口面积Y确定，但在该情况下，界定喷嘴46的开口面积Y的针48的前端部48a被设定为其锥形部分为直线(母线)的形状。
专利文献1日本专利文献特开2002-227799号公报(第5页和图2)。
发明内容
在这样的以往的喷射器中，由于针的锥形部分为直线，因此，喷嘴的开口面积相对于针的移动量呈二次曲线变化。因此，如图5中的L2曲线所示，喷出流量相对于针的移动量也呈二次曲线变化，因而存在难以基于针的移动量来控制喷出流量的问题。特别是，当想要通过弹簧等具有规定比例常数的简易机构来移动针时，如果基于针的移动的喷嘴开口面积的变化率不固定，则会非常难以控制。
本发明的目的是提供一种喷射器和具有该喷射器的燃料电池系统，所述喷射器能够相对于针的移动量而线性控制喷出流量，从而能够提高整体的应用性。
为了解决上述问题，本发明的喷射器包括喷射流体的喷嘴；与喷嘴同轴配置，且前端部朝向喷嘴的针；以及使针在轴线方向上进退移动的针移动单元，其中，针的前端部的形状被设定为前端部和喷嘴之间间隙的开口面积与基于针移动单元的移动量满足比例关系。
根据该结构，仅通过如上述设定针的前端部形状，就能够相对于针的移动量而线性控制喷出流量。由此，能够提高基于针移动量的喷出流量的控制性能，因此，可用弹簧等具有规定的比例常数的简易结构来构成针移动单元。
在该情况下，针的前端部的形状优选以锥体形状构成，或者针的前端部的形状优选以二次曲面构成。
或者，当将针不位于喷嘴位置上的状态下的喷嘴的面积设为A，将针的位于喷嘴位置的前端部的半径设为X，将喷嘴通过针移动单元而向后退方向移动的移动量设为Z，并将K设为常数时，针的前端部的形状优选构成为使下式成立X2＝(A-KZ)/π。
本发明的另一种喷射器包括喷射流体的喷嘴；与喷嘴同轴配置，以抛物面形成的前端部朝向喷嘴的针；以及使针在轴线方向上进退移动的针移动单元。
根据该结构，由于实质上能够相对于针的移动量而线性控制喷出量，因此，可获得与上述的本发明相同的作用和效果。
具体来说，若以针的前端(顶点)为基准(原点)，设轴线方向的长度为Z，与轴线方向垂直的长度(半径)为X，则前端部为抛物面，由此，X2＝CZ(C为常数)。若针相对于喷嘴前进并仅前进长度Z，并将喷嘴的面积设为A，则喷嘴和针之间间隙的开口面积Y为Y＝A-πX2＝A-CZπ。
从而，如果将Z看作针的移动量，则可以以比例关系规定喷嘴的开口面积和针的移动量。由此，可在针移动单元的结构方面提高应用性和自由度。
在上述的情况下，针移动单元包括活塞，与针的基端部相连，并且流体可被导向其表面侧和背面侧的各个面；以及偏置部件，使活塞的背面侧向针的前端部偏置；其中，针基于活塞中的流体的差压和偏置部件的偏置力的平衡而进退移动。
根据该结构，当活塞表面侧的压力大于活塞背面侧的流体压力和偏置部件的偏置力时，针在轴线方向上后退，从而喷嘴的开口面积增大，喷出流量增大。另一方面，当活塞表面侧的压力小于活塞背面侧的流体压力和偏置部件的偏置力时，针在轴线方向上前进，从而开口面积减小，喷出流量减小。
这样，可有效利用流体的差压并通过活塞来适当地移动针。另外，如上所述，由于对针的移动量和喷出流量进行比例控制，因此，针移动单元可由基于弹簧等偏置部件的简易机构构成，而无需使用各种执行元件。导向活塞的流体既可以与从喷嘴喷出的流体相同，也可以不同。但是，导向活塞背面侧的流体优选是从喷嘴喷射的流体。从喷嘴喷射的流体可以是通过位于喷嘴的喷射方向下游侧的扩散器(diffser)的流体，或者也可以是通过来自喷嘴的喷射而被吸入扩散器的流体。
本发明的燃料电池具有安装在配管管道上的上述发明的喷射器，喷射器在将供应给燃料电池的新的流体和从燃料电池排出的流体合流后进行供应。
根据该结构，由于具有控制性能良好的流量可变式喷射器，因此可根据燃料电池的负荷而适当地供应适量的流体。这里，由于供应给燃料电池的流体可认为是氢气或氧气，因此，安装喷射器的配管管道可认为是氢气供应系统或氧气供应系统。另外，作为安装了燃料电池系统的机器，具有代表性的是燃料电池车辆。
根据上述本发明的喷射器和具有该喷射器的燃料电池系统，通过将针的形状设定为规定形状，能够相对于针的移动量而线性控制从喷嘴喷出的流体的流量。从而能够简化针移动单元的结构等，提高整体的应用性。
图1是示出实施方式涉及的燃料电池系统的结构的结构图；图2是实施方式涉及的喷射器的模式示意图；图3是用于说明实施方式涉及的喷射器的针的形状的说明图；图4是用于说明实施方式涉及的喷射器的针的形状的说明图；
图5是关于针的移动量和从喷嘴喷出的流体喷出流量之间的关系，对实施方式和以往技术进行比较的示意图；图6是以往喷射器的主要部分的模式示意图。
具体实施例方式
下面参考附图，对本发明的优选实施方式涉及的喷射器和具有该喷射器的燃料电池系统进行说明。该喷射器具有设定为规定形状的针的前端部，并能够相对于针的移动量而线性改变从喷嘴喷出的液体流量。下朝向将喷射器安装在燃料电池系统的氢气供应系统的配管管道中的示例进行说明。
如图1所示，燃料电池系统1具有接受氧气(空气)和氢气的供应来生成电能的固体分子电解质型燃料电池2。燃料电池2构成为层叠多个单元的堆叠结构。燃料电池系统1具有向燃料电池2供应氧气的氧气供应系统3和向燃料电池2供应氢气的氢气供应系统4。
在氧气供应系统3中设有向燃料电池2供应由加湿器11加湿的氧气的供应流道12、将从燃料电池2排出的氧排气导入加湿器11中的循环流道13、以及用于将氧排气从加湿器11导入燃烧器中的排气流道14。在供应流道12中设有从大气中获得氧气并将其压送给加湿器1的压缩机15。
氢气供应系统4具有存储有高压氢气的作为氢供应源的氢罐21、将氢罐21中的氢气供应给燃料电池2的供给流道22、用于使从燃料电池22排出的氢排气返回到供应流道22中的循环流道23；以及使循环流道23中的氢排气回流到供给流道22中的喷射器24。喷射器24使来自氢罐21的新的氢气和氢排气合流，并将所述合流后的混合气体供应给燃料电池2。
供给流道22由主流道22a和混合流道22b构成，所述主流道22a是位于喷射器24的上游侧，并将新的氢气导入喷射器24中的流道，所述混合流道22b是位于喷射器24的下游侧，并将混合气体导入燃料电池2中的流道。在主流道22a中，从其上游侧开始按顺序设有用于开闭该主流道22a的截止阀26和调节氢气压力的调节器27。在循环流道23中，在加湿器25的下游侧设有止回阀28，并分支配置了排出流道29。循环流道23的氢排气通过止回阀28被吸到喷射器24中。
喷射器24构成为可改变向燃料电池2供应的氢气(混合气体)的流量的结构。如图2所示，喷射器24具有构成其外形轮廓的外壳41。在外壳41中形成有连接在主流道22a的下游侧的一次侧供应口42；连接在混合流道22b的上游侧的二次侧排出口43；以及连接在循环流道23的下游侧的三次侧(负压作用侧)吸入口44。
在外壳41的内部构成有向下游侧喷射新的氢气的喷嘴46；扩散器47，被设置在喷嘴46的下游侧，并使通过了喷嘴46的新的氢气和氢排气合流；针48，与喷嘴46同轴配置，且其前端部48a朝向喷嘴46；以及针移动单元49，使针48在轴线方向上进退移动。
喷嘴46是扩散喷嘴，其由向前端侧扩张的出口开口部51、与出口开口部51相连且截面最小的喉部52、以及与喉部52相连并向底端侧扩张的入口开口部53构成。喷嘴46的出口开口部51向扩散器47一侧开口，入口开口部53向与供给口42相连的外壳41内的流体腔56开口。
扩散器47与喷嘴46同轴形成，并且，与喷嘴46的出口开口部51之间的上游侧与吸入口44相连。若从喷嘴46向扩散器47喷射新的氢气，则会产生用于吸收氢排气的负压，循环流道23的氢排气经过吸入口44被吸入到扩散器47中。由此，新的氢气和氢排气在扩散器47中合流并混合，然后所述混合气体从扩散器47经过排出口43而排出到混合流道22b中。
针48可由圆锥或棱锥的锥体构成，在本实施方式中由圆锥体构成。针48由沿氢气的流向而渐细的前端部48a和主体轴部48b构成，所述主体轴部48b与前端部48a连成一体，且其基端部与针移动单元49相连。
针48的前端部48a从喷嘴46的入口开口部一侧53插入喷嘴46。通过针48在针移动单元49的作用下进退移动，可以改变前端部48a和喉部52之间的间隙的开口面积(以下称为喷嘴46的开口面积Y)。通过改变喷嘴46的开口面积Y，可以改变从喷嘴46喷出的新氢气的流量。
在本实施方式中，设定针48的前端部48a的形状，使得喷嘴46的开口面积Y与通过针移动单元49而移动的针48的移动量(Z)成比例。参考图3来详细进行说明。
如图3(a)所示，默认针48前进，从而前端部48a堵住喷嘴46的喉部52的状态，并如图3(b)所示，考虑针48自该默认状态，从喉部52回退并仅回退移动量Z的状态。由于将喷嘴46的开口面积Y设定为与移动量Z成比例，因此满足Y＝KZ…公式(1)的关系式。这里，比例常数K的值是考虑后述的针移动单元49的弹簧62而设定的。
另外，如果将喉部52的直径设为D，将针48的位于喉部52正下方的前端部48a的半径设为X，则喷嘴46的开口面积Y可如下表示。即，可表示为Y＝π{(D/2)2-X2}…公式(2)。根据公式(1)和公式(2)，可表示为X2＝{(D/2)2-KZ/π}…公式(3)。如果将针48的前端部48a不位于喉部52正下方的状态下的面积设为A，则可导出A＝π(D/2)2是显然的。
即，本实施方式的针48的前端部48a的形状被设定为关于半径X有公式(3)成立。这表示实质上是以二次曲面之一的抛物面来形成针48的前端部48a的形状。参考图4来详细进行说明。
如图4(a)所示，默认针48后退，从而前端部48a的顶点位于喉部52正下面的状态来进行考虑。在该状态下，设(X、Z)＝(0、0)。如图4(b)所示，如果针48自该默认状态向喉部52前进并仅前进了移动量Z，则由于前端部48a为抛物面，因此满足X2＝CZ…公式(4)。其中，C为常数。根据公式(2)和公式(4)，喷嘴46的开口面积Y可表示为Y＝π{(D/2)2-CZ}…公式(5)。该公式(5)表示喷嘴46的开口面积Y被规定为相对于针48的移动量Z成比例关系。即，通过使针48的前端部48a的形状为抛物面，可将喷嘴46的开口面积Y设定为与针48的移动量Z成比例。
图5是关于针48的移动量Z与从喷嘴46喷出的新氢气的流量(以下称为喷出流量)之间的关系，对本发明和以往技术进行比较的示意图。移动量Z是以图3的状态为基准的量。如图5中的直线L1所示，在本实施方式中，由于将针48的前端部48a设定为如上所述的形状，因此，可知喷出流量相对于针48的移动量的变化率为恒定。由此，可将具有规定的弹簧常数的弹簧62恰当地用于针移动单元49的结构中。
如图2所示，针移动单元49具有活塞61和弹簧(偏置部件)62，所述活塞61连接在针48的基端部，所述弹簧62配置在活塞61的背面侧61b上，并具有规定的弹簧常数。所述活塞61和弹簧62与喷嘴46及针48同轴配置。弹簧62设置在活塞61的背面侧61b和外壳41的内部之间，用于使活塞61的背面一侧61b向针48的前端部48a偏置。
活塞61被构成为其外周部被支撑在外壳41的内部，并可在其轴线方向上滑动。活塞61的表面侧61a朝向流体腔56。活塞61的表面侧61a的中央部与针48的主体轴部48b相连，来自主流道22a的新的氢气流经供给口42可被导向除该中央部之外的其它周边部。
活塞61的背面侧61b的中央部与弹簧62相连，来自循环流道23的氢排气流经外壳41上所形成的压力导入口70可被导向除该中央部之外的其它周边部。具体来说，流道截面面积比循环流道23小的分支流道71作为分支与循环流道23连接，该分支流道71经由压力导入口70而与划定在活塞61的背面侧61b和外壳41内部之间的压力腔72连通。
从而，主流道22a的新氢气的压力作用于活塞61的表面侧61a，分支流道71的氢排气的压力和弹簧62的偏置力作用于活塞61的背面侧61b。通过这样的结构，针48可基于活塞61的氢气差压与弹簧62的偏置力的平衡而在轴线方向上进退移动。
针48进退的终端位置被限制在规定位置，当前进到极限位置时，如图3(a)所示，针48的前端部48a的外周面与喷嘴46抵接。在该状态下，喉部52被堵塞。当针48后退到极限位置时，活塞61的背面侧61b与设置在压力腔72中的图中没有示出的限位器相抵接，由此限制了后退的针48的终端位置。处于后退到终端位置的状态下的针48既可以使其前端部48a完全从喉部52退出，也可以使其一部分位于喉部52。
这里，对于针移动单元49的作用，将在与燃料电池2的负载之间的关系中简单说明。当燃料电池2的发电量增加，从而在燃料电池2中消耗的氢气的消耗量增加时，燃料电池2上的压力损失加大，循环流道23的氢排气的压力下降。此时，由于压力腔72的压力通过分支流道71而下降，因此，压力腔72的压力、流体腔56的压力以及弹簧62的偏置力的平衡发生变化。
由此，活塞61和与之相连的针48根据活塞61中的氢气差压和弹簧62的偏置力的平衡，从平衡状态抵抗弹簧62而后退。从而喷嘴46的开口面积增大，通过喷嘴46的新氢气的流量增加。
另一方面，当燃料电池2的发电量减少，从而在燃料电池2中消耗的氢气的消耗量减少时，循环流道23的氢排气的压力上升。此时，由于压力腔72的压力通过分支流道71而上升，因此，压力腔72的压力、流体腔56的压力以及弹簧62的偏置力的平衡发生变化。
由此，活塞61和与之相连的针48根据活塞61的氢气差压和弹簧62的偏置力的平衡，从平衡状态抵抗弹簧62而前进。从而喷嘴46的开口面积减小，通过喷嘴46的新氢气的流量减少。
这样，根据本实施方式的燃料电池系统1，能够根据氢气供应系统4的差压来自发进行基于喷射器24的流量控制，并能够根据燃料电池2的负荷来适当地向其提供适量的氢气。另外，由于如上述设定了喷射器24中的针48的前端部48a的形状，因此，即使不使用特殊的执行元件，也能够将针移动单元49构成为如上述那样简易的机构来容易地控制流量。
当然也可以与本实施方式不同，在针移动单元49的结构中使用例如电磁式元件等各种执行元件，而不仅限于弹簧等。此时，可通过执行元件的简单控制来进行基于喷射器24的流量控制。即，由于将针48的前端部48a设定为上述的规定形状，因此，不需要按喷出流量的流量范围适当设定针48的移动量，从而可只通过单纯地增减施加电压来控制执行元件，而无需提高执行元件本身的分辨能力。
在本实施方式中，虽然将氢排气导入压力腔72中，但当然也可以向压力腔72中导入与流体腔56中的氢气压力不同压力的气体，也可以导入混合气体。当导入压力腔72的流体是从喷嘴46喷射的流体时，既可以是通过扩散器47的流体(混合气体)，也可以是吸入扩散器47的流体(循环气体、氢排气)。
另外，例如可以以控制调节器(Pilot regulator)来构成上述的调节器27，并将混合气体以控制压力导入调节器27中，从而对供应给喷射器24的新的氢气进行适当的压力调节。另外，虽然对喷嘴46以扩散喷嘴为例进行了说明，但也可以是渐缩喷嘴。此时，喷嘴46的开口面积Y是渐缩喷嘴的出口开口部和针的前端部之间间隙的开口面积。
权利要求
1.一种喷射器，包括喷射流体的喷嘴；与所述喷嘴同轴配置，且前端部朝向所述喷嘴的针；以及使所述针在轴线方向上进退移动的针移动单元，所述针的前端部的形状被设定为所述前端部和所述喷嘴之间间隙的开口面积与基于所述针移动单元的移动量满足比例关系。
2.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述针的前端部的形状以锥体形状构成。
3.如权利要求1所述的喷射器，其中，所述针的前端部的形状以二次曲面构成。
4.如权利要求1所述的喷射器，其中，当将所述针不位于所述喷嘴的位置上的状态时的所述喷嘴的面积设为A，将位于所述喷嘴位置上的所述针的前端部的半径设为X，将所述喷嘴通过所述针移动单元而向后退方向移动的移动量设为Z，并将K设为常数时，所述针的前端部的形状被构成为使下式成立X2＝(A-KZ)/π。
5.一种喷射器，包括喷射流体的喷嘴；与所述喷嘴同轴配置，以抛物面形成的前端部朝向所述喷嘴的针；以及使所述针在轴线方向上进退移动的针移动单元。
6.如权利要求1至5中任一项所述的喷射器，其中，所述针移动单元包括活塞，与所述针的基端部相连，并且流体可被导向其表面侧和背面侧的各个面；以及偏置部件，使所述活塞的背面侧向所述针的前端部偏置，所述针基于所述活塞中的流体的差压和所述偏置部件的偏置力的平衡而进退移动。
7.如权利要求6所述的喷射器，其中，被导向所述活塞的背面侧的流体是从所述喷嘴喷射的流体，或者是通过来自所述喷嘴的喷射而被吸引的流体。
8.一种燃料电池系统，具有安装在配管管道上的权利要求1至7中任一项所述的喷射器，所述喷射器在将供应给燃料电池的新的流体与从该燃料电池排出的流体合流后进行供应。
全文摘要
提供一种喷射器和具有该喷射器的燃料电池系统，所述喷射器能够相对于针的移动量而线性控制喷出流量，从而能够提高整体的应用性。喷射器(24)包括喷射流体的喷嘴(46)；与喷嘴(46)同轴配置，且前端部(48a)朝向喷嘴(46)的针(48)；以及使针(48)在轴线方向上进退移动的针移动单元(49)。针(48)的前端部(48a)的形状被设定为前端部(48a)和喷嘴(46)之间间隙的开口面积(Y)与基于针移动单元(49)的移动量(Z)满足比例关系。
文档编号H01M8/04GK1918388SQ200580004738
公开日2007年2月21日 申请日期2005年3月1日 优先权日2004年3月1日
发明者山岸典生, 三岛崇司, 畔柳宗利 申请人:丰田自动车株式会社