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発明の名称 燃料電池自動車用の熱交換器
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−1514(P2007−1514A)
公開日 平成19年1月11日(2007.1.11)
出願番号 特願2005−186288(P2005−186288)
出願日 平成17年6月27日(2005.6.27)
代理人 【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
発明者 寺崎 貴行 / 山田 尚人 / 伏見 憲二
要約 課題
燃料電池自動車特有の問題である、冷媒へ放熱する抜熱量の低減と騒音低減を両立することのできる燃料電池自動車用の熱交換器を提供することを目的とする。

解決手段
燃料電池スタックに供給する空気の温度を適切な温度に調整する燃料電池自動車用の熱交換器8であって、空気が当たる部位と空気の当たらない部位の厚みに変化を持たせ、該空気が当たる部位の肉厚を、該空気の当たらない部位の肉厚よりも薄くしたことを特徴とする。例えば、吸気側マニホールド部14及び排気側マニホールド部16の車両前方部位Fの肉厚を、車両後方部位Eの肉厚よりも薄くする。
特許請求の範囲
【請求項1】
空気流れが発生する場所に配置され、燃料電池スタックに供給する空気の温度を適切な温度に調整する燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記空気が当たる部位と空気の当たらない部位の厚みに変化を持たせ、該空気が当たる部位の肉厚を、該空気の当たらない部位の肉厚よりも薄くした
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項2】
請求項1に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記空気流れを発生させる手段がラジエータファンである
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項3】
請求項1に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記空気流れを発生させる手段が車両走行による
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項4】
少なくとも請求項1から請求項3の何れか一つに記載される燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記空気が当たる部位を、表面温度分布を有する熱交換器の表面温度が高温となる部位とした
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項5】
少なくとも請求項1から請求項3の何れか一つに記載される燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記空気が当たる部位が熱交換器本体、給気側マニホールド部及び排気側マニホールド部である
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項6】
少なくとも請求項1から請求項5の何れか一つに記載される燃料電池自動車用の熱交換器であって、
車両搭載時に車室側に向く部位がそれ以外の部位に比べ厚肉化されている
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項7】
請求項5に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記吸気側マニホールド部及び排気側マニホールド部の配管内径と配管外径の中心位置を偏心させて厚みに変化を与えた
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項8】
請求項5に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記吸気側マニホールド部を車両進行方向の前方に向けて配置した
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項9】
請求項8に記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記吸気側マニホールド部の肉厚を少なくとも前記排気側マニホールド部の肉厚よりも薄くした
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
【請求項10】
少なくとも請求項5から請求項9の何れか一つに記載の燃料電池自動車用の熱交換器であって、
前記吸気側マニホールド部をラジエータファン後方に向けて配置した
ことを特徴とする燃料電池自動車用の熱交換器。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池自動車用の熱交換器に関し、詳細には、抜熱量及び騒音の低減技術に関する。
【背景技術】
【0002】
近年の自動車の排ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対処するために、クリーンな排気及び高効率のエネルギ変換を可能とする燃料電池を搭載した燃料電池自動車が注目されている。
【0003】
燃料電池自動車は、その環境性能とともに内燃機関を伴わないことによる静粛性も注目されており、その構成部品には、従来の内燃機関自動車向けのものよりも高い静粛性を有することが求められている。問題となっている主な騒音発生源としては、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給部品、すなわちコンプレッサ、サイレンサ、アフタークーラ、及びそれらをつなぐ配管があげられる。
【0004】
これら自動車構成部品からの発音を低減する手段としては、例えば構成部材の肉厚(厚み)を増加させること、固有振動数を変更すること、放射音を低減すること、等の発音低減手段が有効である。
【0005】
一方、燃料電池自動車は、内燃機関自動車に比べてシステムが複雑であり、構成部品点数が多く且つ燃料電池スタック本体及び補機類の発熱量が大きいため、それらの冷却要求が高いことが問題となっている。そのため、燃料電池自動車には、被冷却部品から冷媒へ移動する熱量である抜熱量を低減することが求められる。抜熱量低減手段としては、例えば大気への放熱を効率良く行うことが解決対策の一つとして挙げられる。
【0006】
このように、燃料電池自動車用の空気部品には、外気への放熱を妨げない手法により騒音低減を達成する必要がある。遮音性能と外気への放熱性能を鑑みたものとしては、例えば、特許文献1に記載された自動車用オイルパンがある。かかる自動車用オイルパンは、浅底部と深底部の二部位に分かれたオイルパンの遮音構造とし、深底部の側面のみを遮音することで、全体を覆うときに比べ90%以上の遮音性能が得られるという知見がある。
【特許文献1】特開平8−254111号公報(第2頁および第3頁、第2図および第3図参照)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、燃料電池自動車では、量産車で一般的な空冷式冷却に代わって放熱要求の大きさから水冷式冷却器を搭載することが一般的である。また、燃料電池自動車では、量産車に比べて車両構成部品全体の要求放熱量が多く、水冷式空気冷却器が冷媒へ放熱する抜熱量の低減が課題となっていた。
【0008】
一方、燃料電池自動車特有の課題として、前記放熱の問題に加えて騒音要求が高いことが挙げられる。騒音対策としては、前記したように構成部材の肉厚を増加させ、固有振動数を変更し、放射音を低減することが有効であるが、厚肉化よる遮音は重量増大とともに断熱効果を持つため、外気への放熱が妨げられ冷媒への抜熱量が増大するという問題点を有する。そのため、燃料電池自動車特有の問題点である大気への放熱効果に着目した遮音機構を備えた熱交換器は、これまでに存在していない。
【0009】
そこで、本発明は、燃料電池自動車特有の問題である、冷媒へ放熱する抜熱量の低減と騒音低減を両立することのできる燃料電池自動車用の熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、空気流れが発生する場所に配置され、燃料電池スタックに供給する空気の温度を適切な温度に調整する燃料電池自動車用の熱交換器であって、空気が当たる部位と空気の当たらない部位の厚みに変化を持たせ、該空気が当たる部位の肉厚を、該空気の当たらない部位の肉厚よりも薄くしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
本発明の燃料電池自動車用の熱交換器によれば、空気が当たる部位の肉厚を空気の当たらない部位の肉厚よりも薄くしたことで、外気への放熱効果が効率的に得られ、熱交換器内を流れる冷媒への抜熱量を低減させることができる。
【0012】
また、本発明の燃料電池自動車用の熱交換器によれば、熱交換器の部位の厚みに変化を持たせて肉厚を不均一なものとしていることから、肉厚によって決定される固有値を持たず、気柱共鳴を低減することができる。
【0013】
したがって、本発明によれば、外気への放熱効果が効率的に得られ、冷媒への抜熱量を低減できることに加え、効果的な遮音性能を持つ燃料電池自動車用の熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0015】
「実施の形態1」
先ず、燃料電池用空気供給装置のシステム構成について説明する。図1は、燃料電池用空気供給装置のシステム図である。
【0016】
燃料電池スタック9に送られる空気は、消音手段である樹脂製エアダクト4から導入されて音を低減させた後、ケミカルフィルタ5によって窒素酸化物や硫黄酸化物等の不純物が除去され、空気圧縮機6によって加圧され、別の音低減装置であるサイレンサ7によって圧力脈動を低減させた後、熱交換器8によって適切な温度に調整されて燃料電池スタック9へ供給される。
【0017】
発熱部品である圧縮機6、燃料電池スタック9及び熱交換器8は、放熱させるために冷媒流路3を流れる冷却水を必要とする。冷却水は、上記各部品から受熱した後、ラジエータ10を介して外気へ放熱することによって冷却される。なお、図1中、符号1は空気流路、符号2は水素流路を示している。
【0018】
次に、前記した燃料電池用空気供給装置の車両(自動車)への搭載例を説明する。図2は、燃料電池用空気供給装置の車両への搭載例を示した概略図である。
【0019】
燃料電池スタック9等の燃料電池車特有の部品以外は、基本的に量産車(内燃機関自動車)と同様の位置で、車両11に乗る搭乗者12の乗車位置も同様である。燃料電池スタック9は、搭乗者12の足元に設置される。燃料電池スタック9を除く主な部品は、量産車のエンジンルームに相当する車両前方部に搭載される。外気は、車両前方からの外気と車両の相対速度の差およびラジエータ10後方に搭載されるラジエータファン13によって強制的に導入される。
【0020】
次に、本実施の形態の燃料電池自動車用の熱交換器(空気冷却装置)について説明する。図3は、燃料電池自動車用の熱交換器の一例を示す斜視図である。
【0021】
本実施の形態の熱交換器8は、図2に示したように、空気流れが発生する場所である車両前方であって且つラジエータファン13の後方に配置される。この熱交換器8は、ラジエータファン13から供給される空気と、車両走行により発生する空気とを受けて冷却される。なお、空気流れの向きを、図2中矢印Xで示す。
【0022】
かかる熱交換器8は、図3に示す如く車両側面側(車両進行方向と直交する車両幅方向に向く面側)に向けて設置される吸気側マニホールド部14と、この吸気側マニホールド部14からその内部に空気が流入する熱交換器本体15と、この熱交換器本体15から外部へ空気を吐出(排気)させる排気側マニホールド部16とから構成されている。
【0023】
本実施の形態の熱交換器8では、空気が当たる部位と空気の当たらない部位の厚みに変化を持たせ、該空気が当たる部位の肉厚を、該空気の当たらない部位の肉厚よりも薄くしている。具体的には、吸気側マニホールド部14及び排気側マニホールド部16のうち、空気が当る車両前方部位Fの肉厚(厚み)を、空気が当たらない車両後方部位Eの肉厚よりも薄くしている。なお、空気が当たる部位と空気が当たらない部位の境界は、空気が全く当たらない位置と空気が当たる位置を厳密に分ける位置までは要求されないものである。
【0024】
このように、吸気側マニホールド部14及び排気側マニホールド部16の厚みに変化を与えるには、図4に示すように、配管内径と配管外径の中心位置C1、C2を偏心させて成形することで厚みに変化を与える。すなわち、配管内径の中心位置C1に対して配管外径の中心位置C2を、車両進行方向に対して車両後方側にずらすことで、空気が当る車両前方部位Fの肉厚を、空気が当たらない車両後方部位Eの肉厚よりも薄くする。
【0025】
ところで、熱交換器8の主な発音部位は、吸気側マニホールド部14、排気側マニホールド部16及び熱交換器本体15の平面からであることが一般的に知られている。これら吸気側マニホールド部14及び排気側マニホールド部16からの発音は、管内の流体移動による気柱共鳴、及び流体の移動に伴い発生する渦からの発音が主要因である。共鳴は、発音体が自分が振動するときに出すのと等しい振動数の音を受けると自分も振動することによって発する。配管では、その肉厚や材質によって決定される固有値を有しており、気柱共鳴を発する。
【0026】
しかし、本実施の形態の熱交換器8によれば、吸気側マニホールド部14及び排気側マニホールド部16の空気が当たる車両前方部位Fの肉厚を、空気の当たらない車両後方部位Eの肉厚よりも薄したことで、走行に伴う前方からの外気流入による放熱効果を得ることができ、空気の当たる薄肉した部位において外気への放熱効果が効率的に得られ、熱交換器8内を流れる冷媒への抜熱量を低減させることができる。
【0027】
また、本実施の形態の熱交換器8によれば、吸気側マニホールド部14及び排気側マニホールド部16の部位によって厚みに変化を持たせて肉厚を不均一なものとしていることから、肉厚によって決定される固有値を持たず、前記した気柱共鳴を低減することが可能となる。
【0028】
また、本実施の形態の熱交換器8によれば、マニホールド内部の流体移動に伴い発生する渦からの放射音発音の低減代が、車室内方向(車両後方部位E)が厚肉化されていることにより効果的に低減される。一般的に、流体移動に伴う放射音発生は周波数が高く、異音として搭乗者へ捉えられる為、放射音低減の効果は大きい。
【0029】
また、本実施の形態の熱交換器8によれば、配管内径と配管外径の中心位置C1、C2を偏心させて成形することで厚みに変化を与えているので、肉厚が不均一な配管を簡単に製造することができる。特に、配管内径と配管外径の中心位置C1、C2を偏心させれば、円周方向に連続的に肉厚が変化するため、気柱共鳴低減効果が大きい。
【0030】
以上、本実施の形態の熱交換器8によれば、冷媒への抜熱量を低減できることに加え、効果的な遮音性能を持つ車両用熱交換器を提供することができる。
【0031】
「実施の形態2」
本実施の形態では、図5に示すように、熱交換器8をラジエータファン13の後方に配置し、このラジエータファン13から強制的に吹き付けられる空気(冷風)と、車両走行により受ける空気とで熱交換させた例である。
【0032】
この実施の形態の熱交換器8では、吸気側マニホールド部14及び排気側マニホールド部16の肉厚を不均一にした実施の形態1の構成に加えて、熱交換器本体15の空気が当たる部位と空気が当たらない部位の厚みに変化を持たせている。具体的には、車両進行方向と反対側である車室側に向く熱交換器本体15の背面部B(図5中網掛けせ示す)を除く前面部Fの厚みを、背面部Bの厚みよりも薄くしている。
【0033】
本実施の形態の熱交換器8によれば、車両走行により吹き付けられる空気に加えて、ラジエータファン13により強制的に吹き付けられる空気により、外気への放熱効果がより一層効率的に得られ、冷媒への抜熱量が低減するとに加えて、効果的な遮音性能も得られる。特に、車室内騒音への影響が大きい運転手前方に配置される熱交換器本体15の車室側に向いた部位を肉厚化することで、高い遮音性を得ることができる。
【0034】
また、本実施の形態の熱交換器8によれば、車両アイドル停止時に比べて冷却要求の大きくなる走行中の冷媒への抜熱量を低減できる。
【0035】
なお、図5では、車室側に向く熱交換器本体15の背面部Bのみを肉厚にし、その他の部位を薄肉としたが、図6に示すように、車両走行によって発生する空気及びラジエータファン13によって強制的に吹き付けられる空気を受ける車両前方部位Fの厚みを薄くし、その他の部位の厚みを厚くするようにしてもよい。こうすれば、より一層、車室内騒音を低減させることができる。
【0036】
「実施の形態3」
本実施の形態では、図7に示すように、吸気側マニホールド部14を車両進行方向に向けると共に排気側マニホールド部16を車両進行方向とは反対の後方へ向けるようにして熱交換器8を配置した例である。
【0037】
本実施の形態の熱交換器8では、空気が当たる吸気側マニホールド部14と熱交換器本体15の車両前方部位Fのみを薄肉とし、それ以外の熱交換器本体15の車両後方部位E(図7中網掛けで示す)を厚肉としている。冷却装置の特性上、冷却前の流体が流入する吸気側と冷却後の空気が流れる吐出側の熱交換器外表面は温度差が大きい。
【0038】
本実施の形態の熱交換器8によれば、熱交換器本体15の表面温度が高温となる部位、すなわち吸気側マニホールド部14及びその周辺部(熱交換器本体15の車両前方部位F)を空冷効果が効率的に得られる車両前方へ向けて設置することで、空冷効果が効率的に得られ、冷媒への抜熱量を減少させることができる。
【0039】
なお、図7の吸気側マニホールド部14をラジエータファン13の後方に向けて配置するようにしてもよい。そうすれば、空冷効果がより一層効率的に得られ、冷媒への抜熱が少ない車両用熱交換器を得ることができる。
【0040】
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本実施の形態は一例であり、これら実施の形態に本発明が制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【0041】
【図1】燃料電池用空気供給装置のシステム図である。
【図2】燃料電池用空気供給装置の車両への搭載例を示した概略図である。
【図3】燃料電池自動車用の熱交換器の一例を示し、(A)は熱交換器の斜視図、(B)はマニホールド部の断面図である。
【図4】配管内径と配管外径の中心位置を偏心させて成形することでマニホールド部の厚みに変化を与えた例を示す断面図である。
【図5】実施の形態2の熱交換器の斜視図である。
【図6】実施の形態2の熱交換器の他の例を示す断面図である。
【図7】実施の形態3の熱交換器の斜視図である。
【符号の説明】
【0042】
1…空気流路
2…水素流路
3…冷媒流路
4…エアダクト
5…ケミカルフィルタ
6…圧縮機
7…サイレンサ
8…熱交換器
9…燃料電池スタック
10…ラジエータ
13…ラジエータファン
14…吸気側マニホールド部
15…熱交換器本体
16…排気側マニホールド部




 

 


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