JP2005073463A - 燃料電池自動車用の排気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マフラーの前方で凝縮水を管外へ排出し、吸音材の吸音性能の劣化を防止することのできる燃料電池自動車用の排気装置を提供する。
【解決手段】 排気音を消音するマフラーと、このマフラーの前方に接続されたチューブ部材とを備えた燃料電池自動車用の排気装置において、少なくとも前記チューブ部材の一部３Ａを、外管４と、この外管４に対して所定の空間部５を有して内部に設けられる内管６とからなる二重管構造とし、前記外管４及び前記内管６に少なくとも１つ以上の凝縮水を排出させる小孔８、９を形成した。凝縮水は、内管６に形成された小孔８を介して空間部５に流入した後、この空間部５を通って外管４の小孔９から管外へと排出される。したがって、凝縮水のマフラー内への流入が防止でき、吸音材の吸音性能の劣化を防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池自動車に使用される排気装置に関し、詳細には、凝縮水をマフラーの前方にて排出させる排水技術に関する。

例えば、一般的な内燃機関用の吸音型マフラーは、ハウジングと、このハウジング内を貫通して設けれたインナパイプと、ハウジングとインナパイプにより囲まれた消音室と、この消音室に充填された吸音材とにより構成され、インナパイプに複数の小孔を形成している（例えば、特許文献１、２など参照）。

特許文献１に記載の消音器は、図５に示すように、ハウジング１０１内に、複数の小孔１０２を形成したインナパイプ１０３を貫通して設け、このインナパイプ１０３の周りを取り囲むように吸音材１０４を設けた構造としている。

特許文献２に記載の排気消音装置は、図６に示すように、側面に多数の小孔１０５が形成された内管１０６と、この内管１０６の外周を覆う外管１０７との間にグラスウールからなる吸音材１０８を充填させた構造としている。

例えば、特許文献１に記載の消音器（吸音型マフラー）では、インナパイプ１０３内に導入された排気騒音の音波は、複数の小孔１０２を介して消音室内に伝搬され、吸音材１０４との摩擦によって音響エネルギーが減衰されて騒音が消音される。特許文献２に記載の排気消音装置も同様に、内管１０６に形成された小孔１０５を介して消音室内の跫音材１０８で騒音が消音される。インナパイプ１０３及び内管１０６に形成された小孔１０２、１０５は、一般的な乗用車の場合、通常その直径が３ｍｍ（３Φ）または４ｍｍ（４Φ）とされている。

また、マフラーではないが、下流部に配置した触媒コンバータへ到達する排気ガスの温度低下を防止するために、排気管を二重構造にしたものが提案されている（例えば、特許文献３など参照）。

特許文献３に記載の排気二重管は、図７に示すように、外管１０９と、この外管１０９に対して所定隙間を持って略同心状に配置された内管１１０とを有した構造とされている。
特開２００２−４７９１０号公報（第２頁及び第３頁、第１図及び第２図）特開２００３−４１９２４号公報（第３頁及び第４頁、第２図及び第３図）特開２００３−１８４５４８号公報（第２頁及び第３頁、第１図）

ところで、自動車産業では、近年のクリーンエネルギーに対する要求により、ガソリンを燃料とする内燃機関の代替えとして燃料電池自動車の開発が進められている。燃料電池自動車では、例えば酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、水（含水蒸気）（Ｈ２Ｏ）などがマフラーから排出されるが、ガソリンなどを燃料とする内燃機関に比べてより多くの凝縮水が排出される。

このため、前記した特許文献１、２の内燃機関用のマフラーを、燃料電池自動車に使用した場合、インナパイプまたは内管に形成された小孔から吸音材に流入する凝縮水の量が増える。例えば、吸音材の含水率が４％以上になると、除々に吸音性能は劣化し音波を吸音しなくなり、吐出音性能が悪化する。

そこで、吸音材に流入した凝縮水を排水除去する方法が考えられるが、毛細管現象により吸音材内に蓄えられた凝縮水はなかなか排出され難い。特に、燃料電池自動車の場合は、化学反応により生ずる水分の他、排管系温度差による凝縮水の発生もあり、水分発生量はガソリン機関に比べてかなり多くなる。また、マフラーの前方に設けられたチューブは、単管または二重管であるが、特許文献３の構造のように凝縮水を排出する構造にはなっていない。

凝縮水の排水方法として、チューブに小孔を形成することが考えられるが、単に小孔を形成すると、凝縮水を排出することはできるが管内音が漏れて管外騒音が高くなる。また、凝縮水の排水効率を高めるために、小孔の数を増やした場合には、より一層管内音が漏れやすくなり、管外騒音が増す。

そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、凝縮水が多い場合でも吸音材の性能劣化がなく吸音作用を維持させることができると共に、マフラーに流入する前に凝縮水を排出することのできる燃料電池自動車用の排気装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、排気音を消音するマフラーと、このマフラーの前方に接続されたチューブ部材とを備えた燃料電池自動車用の排気装置において、少なくとも前記チューブ部材の一部を、外管と、この外管に対して所定の空間部を有して内部に設けられる内管とからなる二重管構造とし、前記外管及び前記内管に少なくとも１つ以上の凝縮水を排出させる小孔を形成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池自動車用の排気装置であって、前記内管に形成した小孔を、前記二重管構造部分において前記排気が流れる上流側に設けると共に、前記外管に形成した小孔を、前記排気が流れる下流側に設けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池自動車用の排気装置であって、前記外管及び前記内管に形成した小孔を複数形成し、これら複数の小孔を所定間隔を置いて排気流出方向に沿って一列に配列させたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、少なくとも請求項１〜請求項３の何れか一つに記載の燃料電池自動車用の排気装置であって、前記外管と前記内管との前記空間部に消音部材を設けたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、マフラーの前方に設けたチューブ部材の一部を、外管と内管からなる二重管構造とし、その内管及び外管に凝縮水を排出させる小孔を形成したので、この小孔から凝縮水をチューブ部材の外に排出させることができ、当該凝縮水のマフラーへの侵入を防止することができる。したがって、マフラー内の吸音材への凝縮水の含浸が無く、凝縮水が多い場合でも吸音材の性能劣化がなく吸音作用を維持することができる。また、本発明によれば、凝縮水をマフラー内に蓄えないので、マフラー内部の腐食を防止することができ、また、寒冷地において氷結による消音性能および氷結によるマフラー内異音の発生を防止でき、さらに、マフラー内に溜まった凝縮水の体積膨張によるマフラーの亀裂等が無くなり製品信頼性が向上する。

請求項２記載の発明によれば、内管に形成した小孔を排気が流れる上流側に設けると共に外管に形成した小孔を下流に設けたので、マフラーの前方に配置されるチューブ部材内を流れる凝縮水を、この内管の小孔を介して外管と内管との空間部に排出させた後、外管に形成した小孔よりチューブ部材の外へ排出させることができる。したがって、本発明によれば、マフラーの前方にて凝縮水を確実に排出させることができる。

請求項３記載の発明によれば、外管及び内管に形成した小孔を複数形成し、これら複数の小孔を排気流出方向に沿って一列に配列させたので、多くの凝縮水が生じた場合でもこれらの複数の小孔から凝縮水を順次排出させることができる。

請求項４記載の発明によれば、外管と内管との空間部に消音部材を設けたので、この二重管構造部分においての消音が可能となり、外管からの漏洩音を低減することができる。また、本発明によれば、この消音部材によってチューブ部材の機械的強度が高まり、二重管構造部分の外力による潰れを防止できる。

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。

［排気装置の構成］
図１は燃料電池自動車用の排気装置の全体斜視図、図２は二重管構造のチューブ部材の要部拡大断面図、図３（ａ）は小孔が形成された内管を一部破断して示す要部拡大斜視図、図３（ｂ）は小孔が形成された内管を一部破断して示す要部拡大平面図、図４は消音部材が取り付けられた内管の斜視図である。

本実施の形態の燃料電池自動車用の排気装置１は、図１に示すように、排気音を消音するマフラー２と、このマフラー２の前方に接続されたチューブ部材３とから構成されている。

マフラー２は、内燃機関にも使用されている、部分的に吸音材を用いたマフラーである。このマフラー２は、シェルとエンドプレート及び空気配管とで囲まれた部分空間に、グラスウール、ロックウール、ステンレスウール、カーボンファイバなどの吸音材を充填した構造である。

空気配管には、排気音を吸音材へと導く小さな孔が複数形成されている。この孔は、従来のガソリンなどを燃料とする内燃機関用のマフラーでは、カーボンの発生およびオイル成分の混在によりカーボンが孔に固着して当該孔を塞いでしまう可能性があったため、孔径は直径３ｍｍ（Φ３）以上とすることが多かった。しかしながら、燃料電池自動車では、排気空気には不純物が含まれないので、例えばその孔の直径を０．１ｍｍ（Φ０．１）〜１ｍｍ（Φ１）とする。これにより、仮にマフラー２に凝縮水が流入したとしても、凝縮水がこの孔を介して吸音材へと流れ難くなる。

チューブ部材３は、マフラー２の前方に取り付けられた断面円形状のパイプからなる。このチューブ部材３には、燃料電池スタックより排出される空気系で発生した空気排気と、例えば酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、水（含水蒸気）（Ｈ２Ｏ）などが流入する。また、このチューブ部材３には、燃料電池スタックで化学反応して生じた水分の他、配管系温度差により生じる凝縮水が流れる。

本実施の形態では、チューブ部材３の全体のうち、マフラー２と接続される近傍部分のチューブ部材３Ａを、図２に示すように、外管４と、この外管４に対して所定の空間部５を有して内部に設けられる内管６とからなる二重構造としている。この二重構造とされたチューブ部材３の両端には、図１に示すように、接続用のフランジ部７が形成されている。

外管４及び内管６は、何れも断面略円形状とされたパイプとして形成されている。内管６は、外管４よりも若干その全長が短くされており、その両端部において外管４をかしめることにより外管４に固定されている。また、内管６は、外管４に対して所定の空間部５を形成するように当該外管４よりもその直径が小さくされている。

内管６には、図２に示すように、凝縮水を排出させるための小孔８が複数形成されている。これら小孔８は、内管６の底面側であって、二重管構造部分において排気が流れる上流側に形成されている。同様に、外管４にも凝縮水を排出させるための小孔９が複数形成され、これら小孔９は、外管４の底面側であって二重管構造部分において排気が流れる下流側に設けられている。

内管６に形成された小孔８は、図３に示すように、所定間隔を置いて排気流出方向に沿って一列に配列されている。本実施の形態では、４つの小孔８を１列として、３列形成してある。同じく、外管４に形成された小孔９も同様に、所定間隔を置いて排気流出方向に沿って一列に配列されている。本実施の形態では、２つの小孔９を１列として３列形成してある。

このように、内管６及び外管４に形成した小孔８、９を所定間隔を置いて排気流出方向に沿って一列に配列させると、多くの凝縮水が生じた場合でも確実にこれら複数個の小孔８、９から凝縮水を順次排出（排水）させることができる。例えば、凝縮水の量が少ない場合は、排気流出方向の最も前方に設けられた小孔８、９から凝縮水を排出させることができ、凝縮水の量が増えた場合は、順次一列に配列された小孔８、９から次々と凝縮水を排出させることができる。つまり、凝縮水が増加しても一例に配列させたそれぞれの小孔８、９から凝縮水を排出させることができ、結果として排水性を大幅に向上させることができる。

また、内管６に形成する小孔８は、直径１ｍｍ程度の円形孔（Φ１）から直径５ｍｍ程度の円形孔（Φ５）とすることが好ましい。孔径がΦ１未満であると、凝縮水を排出させることが困難となり、孔径がΦ５超であると、空気漏れ量が多くなる。一方、外管４に形成する小孔９は、直径３ｍｍ以下とすることが好ましい。この小孔９の孔径がΦ３を越えると、管内の音が漏洩し易くなり、小孔９から空気が管外へ排出される時の気流発生音が高くなる。

なお、小孔９は、１個で大きな孔とするよりも小さな孔を複数個開けた方が気流音発生的には有利である。また、小孔８、９の開孔位置は、管周方向の底部分に開孔する方が好ましいが、この排気装置１を各車種共用で使用する場合は、レイアウトから座標的に最下位位置にくる位置の車両共用範囲で開孔しておいてもよい。

そして、この二重管構造とされたチューブ部材３Ａには、図２に示すように、外管４と内管６との空間部５に消音部材１０が設けられている。消音部材１０は、図４に示すように、円環状のリングとして形成されており、内管６の外周面に取り付けられている。この消音部材１０は、外管４に対して少なくとも凝縮水を通過させる隙間を形成し得る大きさとされ、前記内管６の長手方向の２箇所に所定距離を置いて設けられている。また、この消音部材１０の形成位置は、消音させたい周波数帯域に合わせてレイアウトする。

このように、外管４と内管６の空間部５を消音部材１０で仕切れば、この空間部５の中も消音構造となり、この空間部５に漏洩した音は特に低周波数を除いて消音させることができ、その結果、外管４より排出される音は小さな音であるから周囲へ与える騒音の影響を小さくできる。

また、前記空間部５に消音部材１０を設けたことで、この消音部材１０が二重管構造部分の機械的強度を高めることになり、外力による二重管構造部分の潰れ防止を回避させることができる。

［凝縮水の排出作用］
以上のように構成された燃料電池自動車の排気装置１においては、チューブ部材３内に流入した凝縮水は、図２中矢印で示すように、二重管構造とされたチューブ部材３Ａの入口から内管６に侵入した後、内管６に形成された小孔８から当該外管４と内管６とで形成された空間部５に流れ込む。

このとき、凝縮水は、小孔８が排気流出方向に一列として所定間隔で複数形成されていることから、当該凝縮水が多く発生した場合でもこれら小孔８から確実に排出（排水）される。

そして、空間部５に流れ込んだ凝縮水は、外管４の底部分を流れると共に消音部材１０と外管４との隙間を流れて排気流出方向へと流出し、当該外管４に形成された小孔９から管外へと排出されることになる。

この外管４には、やはり内管６と同様に小孔９が排気流出方向に一列として所定間隔で複数形成されていることから、これら小孔９より空間部５に流れ込んだ凝縮水を、この小孔９から確実に排出する。

このように、本実施の形態の排気装置によれば、マフラー２の前方部分で凝縮水を排出させることができるので、当該凝縮水をマフラー２に流入させることを未然に防止することができる。したがって、凝縮水が多く発生した場合でも当該凝縮水はマフラー２の吸音材に含水することは無いので、吸音材の性能劣化がなく吸音作用を維持できる。

また、本実施の形態の排気装置によれば、凝縮水をマフラー２内に蓄えないので、寒冷地において氷結による消音性能劣化及びマフラー２内異音の発生も無くなり、さらには、凝縮水の体積膨張によるマフラー２の亀裂等を防止することができる。

また、本実施の形態の排気装置によれば、吸音材に凝縮水が侵入しないので、この凝縮水がマフラー２に溜まることによる当該マフラー２内部の腐食を防止することができる。

［その他の実施の形態］
上述の実施の形態では、チューブ部材３の一部を二重管構造としたが、重量およびコストの点を除けば、排水性及び消音性のより一層の向上を考えてチューブ部材３の全体を二重管構造としてもよい。その場合は、重量は増えるがマフラー２の前方にてより一層確実に凝縮水を排出することができると共に、排気音の低減を実現できる。

また、本実施の形態では、通常はマフラー２内に凝縮水が流入することは無いが、仮に流入した場合は、マフラー２内に凝縮水が溜まってしまうことを防止するために、マフラー２外へ凝縮水を排出するための排水孔をシェルまたはエンドプレートに形成してもよい。排水の設計は、吸音材の吸音性能の劣化が生じないように、吸音材の中に４％以上の凝縮水が蓄えられないようにコントロールすることが好ましい。

本実施の形態を示す図であり、燃料電池自動車用の排気装置の全体斜視図である。本実施の形態を示す図であり、二重管構造のチューブ部材の要部拡大断面図である。本実施の形態を示す図であり、（ａ）は小孔が形成された内管を一部破断して示す要部拡大斜視図、（ｂ）は小孔が形成された内管を一部破断して示す要部拡大平面図である。本実施の形態を示す図であり、消音部材が取り付けられた内管の斜視図である。従来の消音器の要部拡大断面図である。従来の排気消音装置を一部破断して示す側面図である。従来の排気二重管の拡大断面図である。

符号の説明

１…排気装置
２…マフラー
３…チューブ部材
４…外管
５…空間部
６…内管
８、９…小孔
１０…消音部材

Claims (4)

1. 排気音を消音するマフラー（２）と、このマフラー（２）の前方に接続されたチューブ部材（３）とを備えた燃料電池自動車用の排気装置（１）において、
   少なくとも前記チューブ部材（３）の一部（３Ａ）を、外管（４）と、この外管（４）に対して所定の空間部（５）を有して内部に設けられる内管（６）とからなる二重管構造とし、前記外管（４）及び前記内管（６）に少なくとも１つ以上の凝縮水を排出させる小孔（８、９）を形成した
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の排気装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池自動車用の排気装置（１）であって、
   前記内管（６）に形成した小孔（８）を、前記二重管構造部分（３Ａ）において前記排気が流れる上流側に設けると共に、前記外管（４）に形成した小孔（９）を、前記排気が流れる下流側に設けた
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の排気装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池自動車用の排気装置（１）であって、
   前記外管（４）及び前記内管（６）に形成した小孔（８、９）を複数形成し、これら複数の小孔（８、９）を所定間隔を置いて排気流出方向に沿って一列に配列させた
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の排気装置。
4. 少なくとも請求項１〜請求項３の何れか一つに記載の燃料電池自動車用の排気装置（１）であって、
   前記外管（４）と前記内管（６）との前記空間部（５）に消音部材（１０）を設けた
   ことを特徴とする燃料電池自動車用の排気装置。
   

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