(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を、水素を得るための化学的な改質器内に供給するためのスプレーノズル（１）であって、配量室に開口する複数の噴射開口（３）と、少なくとも１つの調量開口（６）とを有するノズルボディ（２）を備え、
噴射開口（３）が、ノズルボディ（２）の中心軸線（１０）に関して半径方向の方向成分を伴って、その都度少なくとも１つの噴射開口（３）を有する高さ段（４）に配置されており、少なくとも１つの高さ段（４）の、少なくとも１つの噴射開口（３）が、少なくとも１つの貫流開口（１１）を有するノズルボディインサート（５）の、少なくとも１つの通路（１４）に直接接続されており、かつ
ノズルボディ（２）が完全にまたは部分的に、少なくとも１つのノズルボディインサート（５）から形成されている
ことを特徴とするスプレーノズル。
【請求項２】
ノズルボディ（２）が中空円筒形である、請求項１記載のスプレーノズル。
【請求項３】
ノズルボディインサート（５）が流入側および／または流出側に雌ねじ山（１７）または雄ねじ山（１８）を有しており、該ねじ山（１７，１８）により、前記ノズルボディインサート（５）がノズルボディ（２）および／または別のノズルボディインサート（５）に液圧的に密に螺合されている、請求項１または２記載のスプレーノズル。
【請求項４】
少なくとも１つのノズルボディインサート（５）がノズルボディ（２）に液圧的に密に圧接、接着かつ／または溶接されている、請求項１または２記載のスプレーノズル。
【請求項５】
ノズルボディ（２）に、第１の高さ段（４．１）と調量開口（６）との間に、ガス供給開口（７）が配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のスプレーノズル。
【請求項６】
最終の高さ段（４．８）の下流に、ノズルボディ（２）の中心軸線（１０）に関して軸方向の方向成分を伴って、少なくとも１つの別の噴射開口（３）が配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のスプレーノズル。
【請求項７】
ノズルボディインサート（５）の貫流開口（１１）の中心軸線（１２）がノズルボディ（２）の中心軸線（１０）に関して平行に延びる、請求項１から６までのいずれか１項記載のスプレーノズル。
【請求項８】
ノズルボディインサート（５）のうちの少なくとも１つが、方形の横断面を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のスプレーノズル。
【請求項９】
貫流開口（１１）の横断面が方形または台形である、請求項１から８までのいずれか１項記載のスプレーノズル。
【請求項１０】
貫流開口（１１）が、少なくとも２つの、異なるサイズの、同形の横断面を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載のスプレーノズル。
【請求項１１】
ノズルボディ（２）が、その軸方向の経過中に、少なくとも１つの、壁厚さを減じた区分（１３）を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載のスプレーノズル。
【請求項１２】
壁厚さを減じた区分（１３）が高さ段（４）の領域に延在する、請求項１１記載のスプレーノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、主請求項の上位概念部に記載された形式のスプレーノズル（Ｚｅｒｓｔａｅｕｂｅｒｄｕｅｓｅ）から出発する。
【０００２】
燃料電池により支援されたトランスポートシステムでは、必要な水素を、炭化水素を含有する燃料から得るために、化学的な「改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）」が使用される。
【０００３】
改質器により反応経過のために必要とされるすべての物質、例えば空気、水および燃料は理想的には改質器にガス状の状態で供給される。しかし、燃料、例えばメタノールまたはガソリン、および水は、トランスポートシステムに搭載するにあたって、液体状の形で存在するのが有利であるので、燃料および水は、それらが改質器に供給される直前になって初めて、蒸発のために加熱されねばならない。このことは、相応の量のガス状の燃料および水蒸気を提供する能力を備えた前蒸発器を必要とする。その際、大抵の場合、改質器の排熱が蒸発のために利用される。
【０００４】
水素が大抵の場合すぐに消費されるので、化学的な改質器は、水素の生産を遅延なく、例えば負荷変動時または始動期に、需要に適合させる能力を備えていなければならない。特にコールドスタート期には、付加的な手段が講じられねばならない。それというのも、改質器が排熱を提供しないからである。従来慣用の蒸発器は、相応の量のガス状の反応物質を遅延なく発生させる能力を備えていない。
【０００５】
例えば燃料がとりわけ水素に改質される化学的な反応のために必要な温度は、「触媒燃焼器（Ｋａｔｂｒｅｎｎｅｒ）」により提供される。触媒燃焼器は、触媒コーティングされた面を有するコンポーネントである。この触媒燃焼器内で、燃料／空気混合物が熱および排出ガスに変換される。その際、発生する熱は例えば周面を介してかつ／または温かい排出ガス流を介して相応のコンポーネントに、例えば化学的な改質器または蒸発器に案内される。
【０００６】
燃料の、熱への変換は、触媒層に衝突する燃料滴のサイズに強く依存している。滴サイズが小さければ小さいほど、かつ触媒層が均等に燃料滴により湿らされればされるほど、燃料はより完全に熱に変換され、効率はより高くなる。加えて、燃料はより急速に変換され、有害物質のエミッションは減じられる。過度に大きな燃料滴は触媒層の占拠に至り、ひいては緩慢な変換に至る。このことは特にコールドスタート期に、例えば効率の悪化に至る。
【０００７】
それゆえ、燃料を噴霧装置により、微細に配分された形で改質器／触媒燃焼器に送り込むことは有意義である。その際、十分な熱供給時に、蒸発プロセスは、微細に配分された燃料の、高い表面により改善される。
【０００８】
例えばアメリカ合衆国特許第３９７１８４７号明細書から、燃料を改質器に調量するための装置が公知である。燃料はここでは、改質器から相対的に遠く離れた配量装置から、長い供給管路と簡単なノズルとを介して、温度調節された物質流へと配量される。その際、燃料はまず、燃料の渦流および配分を生ぜしめるべきノズルの流出開口の下流に配置されているバッフルプレートに衝突し、その後、蒸発プロセスのために必要な、相対的に長い蒸発区間を介して改質器の反応領域に達する。長い供給管路により、配量装置は改質器の熱的な影響から絶縁されることができる。
【０００９】
上記明細書から公知の装置における欠点は特に、ノズルの簡単な構造およびバッフルプレートの配置により、例えば大きな熱供給を伴う改質器の領域への、燃料の適当な調量が不十分にのみ可能であるという点にある。このことは、長くて容積の大きな蒸発区間の必要性による、相対的に大きな所要スペースに至る。
【００１０】
さらにコールドスタート運転時に問題が生じる。それというのも、長くて容積の大きな蒸発区間は緩慢にのみ加熱され、加えて相対的に多くの熱を未使用のまま放出してしまうからである。ノズルおよびバッフルプレートの、アメリカ合衆国特許第３９７１８４７号明細書に開示された配置により、特に、中空円筒内面を均等に燃料で湿らせ、その際、中空円筒の所定の面を燃料で湿らさないようにすること、または調量される燃料の量を、配量室における熱供給の配分に適合させることは不可能である。配量プロセスにより生ぜしめられる燃料クラウドの形状も不十分にのみ影響を及ぼされることができる。
【００１１】
別の欠点は、燃料クラウドの形状もしくは調量された燃料の配分がバッフルプレートの調節により不十分にのみ影響を及ぼされる点にある。
【００１２】
発明の利点
これに対して、本発明による、主請求項の特徴部に記載された特徴を備えたスプレーノズルが有する利点は、燃料が、配量室内に支配する熱供給に応じて送り込まれることができる点にある。これにより、燃料の蒸発プロセスは最適化され、かつ急速に加熱される小さな室で実施されることができる。さらに、運転特性が改善されることができる。それというのも、例えば測定区間または測定面、例えばセンサが燃料負荷からほぼ除外され得るからである。噴射される燃料もしくは燃料クラウドのジオメトリ（幾何学形状）は、配量室内に支配する状態と、これにより与えられる条件とに特に良好に適合されることができる。
【００１３】
特に、燃料クラウドの形状と、その際にその都度噴射される燃料量とは、スプレーノズルの、モジュール式の構造形式により、迅速かつ簡単に変更されることができ、それにより、噴霧プロセスを最適化することができる。これにより、その都度の配量室およびその中に支配する条件への適合時の、かなりのコスト削減が可能である。
【００１４】
従属請求項に記載された手段により、主請求項に挙げた噴霧装置の、有利な構成が可能である。
【００１５】
第１の有利な構成では、スプレーノズルのノズルボディが中空円筒形に形成されている。これにより、スプレーノズルは著しく簡単に、正確に、ひいては安価に製作されることができる。加えて、これによりスプレーノズルが例えば、標準化された半製品、例えば規格化された金属管から製作されることができる。
【００１６】
加えて有利には、ノズルボディが完全にまたは部分的にノズルボディインサートから形成される。これにより、例えばスプレーノズルの構造長さが極めてフレキシブルに、簡単に、迅速に、かつごく少数の簡単な工具の使用により変更され、要求に適合されることができる。特にこれにより、例えばテスト期または開発期における、噴霧プロセスの、迅速かつ着実な最適化が可能である。特に、高さ段の噴射開口の個数も高さ段の間隔も、極めて迅速かつ安価に、ノズルボディインサートの交換により変更されることができる。
【００１７】
さらに有利には、ノズルボディインサートが流入側および／または流出側に雌ねじ山または雄ねじ山を有しており、これにより、ノズルボディインサートがノズルボディおよび／または別のノズルボディインサートに液圧的に密に螺合されることができる。これにより、ノズルボディインサートは特に簡単に、軽量に、かつ確実に組み立てられるもしくは取り外されることができる。さらに、ノズルボディインサートが有利にはノズルボディに液圧的に密に圧接、接着かつ／または溶接、特にレーザ溶接されることができる。これにより、接合法が周辺条件および要求に、より良好に適合されることができる。
【００１８】
別の有利な構成では、ガス供給開口が、ガス、例えば空気または燃料電池プロセスまたは改質プロセスからの残留ガスを供給するために、第１の高さ段の噴射開口と調量開口との間に配置されている。これにより、混合物準備が有利には影響を及ぼされることができる。
【００１９】
加えて、スプレーノズルの有利な構成では、高さ段の、燃料流動方向で見て最後に位置する噴射開口の下流に、ノズルボディの中心軸線に関して軸方向の成分を伴う、少なくとも１つの別の噴射開口が配置されている。これにより、燃料の噴霧がさらに良好に、配量室内に支配する条件に適合されることができる。
【００２０】
有利には、ノズルボディ内の流動特性もしくは圧力比が、ノズルボディインサートの貫流開口の形状により影響を及ぼされることができる。この場合、台形の横断面、方形の横断面または方形および台形の横断面の組み合わせを有する貫流開口が特に有利である。それというのも特に、ノズルボディインサートが簡単に、正確に、ひいては安価に製作されるからである。さらに有利には、貫流開口が、異なるサイズの、複数の同形の横断面で、例えば段付き孔として実現されている。
【００２１】
ノズルボディに、壁厚さを減じた区分が配置されると、特に調量箇所への熱伝導度が引き下げられる。そこに配置された配量装置はそれにより過度の加熱から保護される。さらに、壁厚さを減じた区分が噴射開口の領域に位置すると、この区分により、放射ジオメトリが影響を及ぼされることができる。ノズルボディがノズルボディインサートにより形成されると、個々のノズルボディインサートは同じ効果を伴って部分的に壁厚さを減じられて形成されていることができる。
【００２２】
図面
本発明の実施例は図面に簡単化されて示されており、以下の説明で詳説される。
図１：本発明によるスプレーノズルの一実施例の概略断面図である。
図２：ノズルボディインサートの第１の実施形態の概略図である。
図３：ノズルボディインサートの第２の実施形態の概略図である。
【００２３】
実施例の説明
以下に本発明の実施例について例示的に説明を加える。
【００２４】
本発明により構成されたスプレーノズルの、以下に説明する実施例は、丈夫で、フレキシブルで、ひいては安価な構造での、簡単な調量と、高温の雰囲気中への噴霧と、種々異なる空間的な位置関係での使用と、スタンダードな低圧・燃料噴射弁の使用とを可能にする。
【００２５】
図面で、同一の構成部分にはその都度同一の符号を付与した。矢印はその都度燃料流およびガス流を象徴する。
【００２６】
本発明によるスプレーノズル１の、図１に概略化されて示された実施例は、低圧・燃料噴射弁１６を使用するためのスプレーノズル１の形で構成されている。スプレーノズル１は特に、水素を得るための、図示されていない化学的な改質器の、図示されていない配量室内に燃料を供給および噴霧するために適している。
【００２７】
本発明によるスプレーノズル１はこの実施例では中空円筒状のノズルボディ２を有している。ノズルボディ２は、その上面に、ノズルボディ２の中心軸線１０に関して中央に配置された調量開口６を有している。燃料流動方向８で見て順番に、ノズルボディ２の長側面に配置された１つのガス供給開口７と、ノズルボディ２の中心軸線１０に関してその都度直角に配置された噴射開口３を備えた、８つの高さ段（Ｈｏｅｈｅｎｓｔｕｆｅ）４と、最終的に、１つの噴射開口３を備えた、ノズルボディ２の、調量開口６に対向して位置する面とが存在する。
【００２８】
この実施例では、第１の高さ段４．１、第２の高さ段４．２、第５の高さ段４．５および第７の高さ段４．７の高さに、軸線中心に配置された貫流開口１１を備えた、その都度１つのノズルボディインサート５がノズルボディ２内に配置されている。ノズルボディインサート５相互の間に、かつ第７の高さ段４．７の高さに配置されたノズルボディインサート５と、ノズルボディ２の、調量開口６に対向して位置する面との間に、中間室１９が存在する。中間室１９は別の実施例では欠如していてもよい。貫流開口１１の中心軸線１２はこの実施例ではノズルボディ２の中心軸線１０と一致する。
【００２９】
ノズルボディインサート５はディスク状であり、かつ通路１４を有している。この実施例ではその都度１つの通路１４が貫流開口１１を唯一の噴射開口３に接続する。この実施例では通路１４が孔として構成されている。ノズルボディインサート５は外周面の領域でノズルボディ２に密に接合されている。それにより、ノズルボディ２と、ノズルボディインサート５の外周面との間を、燃料またはガスが通過し得ないようになっている。この実施例では、ノズルボディインサート５がノズルボディ２内に圧入されている。ノズルボディインサート５はノズルボディ２内に溶接または螺設されてもよい。さらに、ノズルボディインサート５は別のノズルボディインサート５に、図２および図３に示した流入側もしくは流出側の雄ねじ山１８または雌ねじ山１７により、液圧的に密に固定されることができる。その際、ノズルボディインサート５はノズルボディ２内に圧入され、それにより、ノズルボディ２とノズルボディインサート５との間で、無視できる量のガスおよび／または燃料が通過し得るにすぎないようになっている。
【００３０】
ノズルボディインサート５の貫流開口１１は孔として、横断面で見て方形に構成されている。ノズルボディインサート５の形状と、その組付け位置と、貫流開口１１の形状と、その組み合わせとは、燃料流動、ガス流動および圧力比を制御するために、任意に組み合わされて、かつ変更されることができる。やはり、通路１４の横断面の直径および形状も変更されることができる。
【００３１】
燃料は調量開口６を通して、この実施例では低圧・燃料噴射弁１６により、スプレーノズル１もしくはノズルボディ２内に配量され、その後、ノズルボディ２の中心軸線１０に沿って延びる燃料流動方向８で、ガス管１５を介して残留ガスおよび／または空気がノズルボディ２内に案内されるガス供給開口７を通過し、第１の高さ段４．１に配置されたノズルボディインサート５に向かって流動する。ここで、燃料もしくは燃料／ガス・混合物は貫流開口１１を貫流する。その際、燃料の一部は通路１４に配分されて、噴射開口３に向かって案内される。噴射開口３で、燃料もしくは燃料／ガス・混合物は、図示されていない配量室内に噴射される。
【００３２】
燃料もしくは燃料／ガス・混合物の、通路１４に配分されなかった残分は流出側で貫流開口１１から流出し、かつ燃料流動方向８で見てその下流に位置する中間室１９内に流入する。同様に、その都度残留する燃料残分もしくはその都度残留する燃料／ガス・混合物残分は、燃料流動方向８で見てその下流に配置されたノズルボディインサート５により配分される。ノズルボディインサート５を有していない、第３の高さ段４．３、第４の高さ段４．４、第６の高さ段４．６ならびに第８の高さ段４．８で、燃料もしくは燃料／ガス・混合物の、その都度の成分が中間室１９から直接、その都度そこに配置された噴射開口３内に流入し、図示されていない配量室内に噴射される。
【００３３】
図２には、ノズルボディインサート５の第１の実施形態が示されている。貫流開口１１はこの実施例では流入側に、雌ねじ山１７を備えた内径拡張部２０を有しており、かつ軸線中心にノズルボディインサート５内に配置されている。
【００３４】
ノズルボディインサート５は本発明により、ノズルボディ２内に配置されていることができるか、またはノズルボディ２自体を完全にまたは部分的に形成することができる。
【００３５】
ノズルボディインサート５が、図１に示したノズルボディ２内に配置されるのなら、その構造は以下の通りである。
【００３６】
ノズルボディインサート５の通路１４が、貫流開口１１の中心軸線１２に対して直角に一直線上に延びる孔２１と、ノズルボディインサート５の外径の、半径方向で貫流開口１１の中心軸線１２の周囲を延びる台形の引込み部２２とにより形成される。孔２１および引込み部２２はその都度通路１４の一部を形成する。
【００３７】
燃料もしくは燃料／ガス・混合物の一部は貫流開口１１から孔２１と引込み部２２とを通して流動し、それにより、図１に示したノズルボディ２の、ここには図示されていない噴射開口３を通して、図示されていない配量室内に噴射されることができる。
【００３８】
ノズルボディ２が、少なくとも１つのノズルボディインサート５により形成されるのなら、その構造は以下の通りである。
【００３９】
貫流開口１１の中心軸線１２に対して直角に一直線上に延びる孔２１が通路１４と噴射開口３とを形成する。ノズルボディインサート５の外径の、半径方向で貫流開口１１の中心軸線１２の周囲を延びる台形の引込み部２２は、壁厚さを減じた区分１３を形成する。壁厚さを減じた区分１３は例えば熱絶縁のために役立つ。
【００４０】
燃料もしくは燃料／ガス・混合物の一部は貫流開口１１から、孔２１として形成された通路１４を通して流動し、それにより、やはり噴射開口３を形成する同じ孔２１の端部で、図示されていない配量室内に噴射されることができる。
【００４１】
図３には、ノズルボディインサート５の、第１の実施形態にほぼ類似する第２の実施形態が示されている。ノズルボディインサート５は、図２に示した実施形態とは異なり、若干長い軸方向の経過を有しており、かつ流出側に配置された雄ねじ山１８を有している。雄ねじ山１８はノズルボディインサート５の、外径を減じた流出側の端部に配置されている。
【００４２】
本発明は図示の実施例に限定されるものではなく、任意の別の噴霧装置のために使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明によるスプレーノズルの一実施例の概略断面図である。
【図２】ノズルボディインサートの第１の実施形態の概略図である。
【図３】ノズルボディインサートの第２の実施形態の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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