DE10042895A1 - Indirekter Wasserstoffabsorptionswärmetauscher - Google Patents
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Abstract
Ein Gehäuse für einen indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher der vorliegenden Erfindung weist einen viereckigen Zylinderabschnitt auf, von dem jeder Abschnitt einstückig durch Formgießen oder Extrusionsformen ausgebildet ist. Die Ecken 11a dieses viereckigen Zylinderabschnitts 11 und die Mittenabschnitte von dessen Seiten 11b sind mit einer größeren Dicke als andere Abschnitte gestaltet. Das Gewicht des Gehäuses kann reduziert werden, während die Gehäusepulverkapazität sichergestellt wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse eines indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauschers mit einem indirekten
Wärmetauscher und einem wasserstoffabsorbierenden
Legierungspulver, das in dieses gefüllt ist.
In der japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift (Kokai)
Nr. 11-30397, die von dem Anmelder der vorliegenden Erfindung
eingereicht wurde, ist ein indirekter
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher offenbart, der hergestellt
wird, indem ein abgedichtetes Gehäuse ein
wasserstoffabsorbierendes Legierungspulver und einen indirekten
Wärmetauscher enthält, und der Wasserstoffgas durch die Nutzung
des Wasserstoffabsorptions/-desorptionsvorgangs eines
wasserstoffabsorbierenden Legierungspulvers speichert.
Da der indirekte Wärmetauscher bei diesem indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher im Wesentlichen rechteckig
ist, hat das abgedichtete Gehäuse einen Aufbau, bei welchem jede
Öffnung eines viereckigen Zylinderabschnitts eine vorbestimmte
Dicke hat und bei welchem ein im Wesentlichen rechteckiger
Abschnitt mit einer Deckplatte verschlossen ist.
Bei dem herkömmlichen abgedichteten Gehäuse mit dem Aufbau, bei
dem jede Öffnung des viereckigen Zylinderabschnitts durch die
Deckplatte verschlossen ist, muss das abgedichtete Gehäuse eine
große Dicke haben, um dem Anstieg eines Innendrucks zu
widerstehen, der sich aus der Ausdehnung des
wasserstoffabsorbierenden Legierungspulvers beim Absorbieren des
Wasserstoffs ergibt. Daraus ergibt sich ein hohes Gewicht und es
entsteht ein Problem, wenn der Wärmetauscher an einem Fahrzeug
oder desgleichen montiert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben
beschriebene Problem gemacht und soll ein Gehäuse für einen
indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher schaffen, welches
das Gewicht reduzieren kann, während die Gehäusepulverkapazität
sichergestellt wird.
Das Gehäuse für den indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß der vorliegenden
Erfindung weist einen viereckigen Zylinderabschnitt, wobei jeder
Abschnitt davon einstückig durch Formgießen oder
Extrusionsformen ausgebildet ist, und eine Deckplatte zum
Abdecken jeder Öffnung des viereckigen Zylinderabschnitts auf.
Die Ecken des viereckigen Zylinderabschnitts und der
Mittenabschnitt von jeder Seite, welche
Spannungskonzentrationsabschnitte sind, sind mit einer größeren
Dicke als die anderen Abschnitte gestaltet. Daher kann die
vorliegende Erfindung ein Gehäuse schaffen, das dem Anstieg des
Innendrucks ohne Steigerung der Dicke aller Abschnitte gemäß dem
Stand der Technik widerstehen und das Gewicht reduzieren kann,
während die Gehäusepulverkapazität sichergestellt wird.
Die vorliegende Erfindung kann mit der Beschreibung eines
nachstehend dargelegten bevorzugten Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines
indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher in seiner
Längsrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
Fig. 2 ist eine teilweise Explosionsansicht einer
Wärmetauschereinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 zeigt eine Längsschnittansicht eines indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauschers in dessen seitlicher
Richtung, der in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 4 ist eine horizontale geschnittene Draufsicht eines
Abschnitts in der Nähe eines gemeinsamen Sammlers in Fig. 1; und
Fig. 5 ist eine teilweise vergrößerte vertikale Schnittansicht
eines abgedichteten Gehäuses des Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung.
Ein indirekter Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt.
Der indirekte Wasserstoffabsorptionswärmetauscher hat einen
indirekten Wärmetauscher 1 mit einer Wärmetauschereinheit 1a,
ein abgedichtetes Gehäuse 10 und nicht gezeigtes
wasserstoffabsorbierendes Legierungspulver (Feststoff-Gas-
Reaktionspulver), das in das abgedichtete Gehäuse 10 gefüllt
ist.
Der indirekte Wärmetauscher 1 hat flache Rohre 2, gewellte
Rippen 3, rohrförmige Sammler 4, einen stromaufwärtigen
Wärmetauschersatz 5, einen stromabwärtigen Wärmetauschersatz 6,
einen gemeinsamen Sammler 7 und ein Gastransportrohr 8. Der
stromaufwärtige Wärmetauschersatz 5 und der stromabwärtige
Wärmetauschersatz 6 bilden zusammen die Wärmetauschereinheit 1a.
Das flache Rohr 2 weist eine große Zahl von kleinen
Strömungsbahnen 20 auf, die unabhängig ausgebildet sind und die
sich in eine längsgerichtete Richtung erstrecken, während sie
zur rechten und linken Seite ausgerichtet sind. Die gewellten
Rippen 3 sind mit den oberen und unteren Flächen des flachen
Rohres 2 verlötet bzw. hartverlötet. Die gewellte Rippe 3 weist
eine große Zahl von Rippen auf, die sich in die längsgerichtete
Richtung und in die vertikale Richtung erstrecken, und eine
Blende bzw. ein Schlitz zum seitlichen Durchleiten des
Wasserstoffs ist in jede Rippe geschnitten.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weisen der stromaufwärtige
Wärmeaustauschersatz 5 und der stromabwärtige
Wärmeaustauschersatz 6 jeweils sechs flache Rohre 2 und sieben
gewellte Rippen 3 auf, die in Höhenrichtung abwechselnd
ausgerichtet sind. Die stromabwärtigen Wärmetauschersätze 6 sind
an der linken Seite der stromaufwärtigen Wärmetauschersätze 5
mit vorbestimmten Abständen dazwischen angeordnet, wie in Fig. 3
gezeigt ist. Die gewellten Rippen 30 der obersten und untersten
Stufen sind in vertikale Richtung halb so breit wie die
gewellten Rippen 31 der mittleren Stufen.
Jeder rohrförmige Sammler 4 ist in der Nähe des hinteren Endes
von jedem flachen Rohr 2 angeordnet, erstreckt sich in die
Breitenrichtung (in die seitliche Richtung) des flachen Rohrs 2
und verbindet die hinteren Enden eines Paars flacher Rohre 2,
die sich auf der gleichen Höhe befinden, wie die beiden
Wärmetauschersätze 5 und 6. Daher sind insgesamt sechs
rohrförmige Sammler 4 angeordnet, und ein vorbestimmter Abstand
s zwischen dem angrenzenden Paar rohrförmiger Sammler 4 ist
sichergestellt. Die flachen Rohre 2 und die gewellten Rippen 3
der mittleren Stufen werden teilweise in Fig. 2 weggelassen.
Es folgt eine genauere Erklärung. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist
jeder rohrförmige Sammler 4 an seiner Umfangswand mit einer
Öffnung 41, in welches das flache Rohr 2 des stromaufwärtigen
Wärmetauschers 5 eingepasst und hartgelötet wird, und mit einer
Öffnung 42 ausgestattet, in welches das flache Rohr 2 des
stromabwärtigen Wärmetauschersatzes 6 eingepasst und hartgelötet
ist. Nicht gezeigte Stopfen dichten beide Enden des rohrförmigen
Sammlers 4 ab.
Das abgedichtete Gehäuse hat einen im wesentlichen viereckigen
Zylinderabschnitt 11, der durch Extrusionsformen einer
Aluminiumligierung (z. B. JIS A7N01 (Japanischer
Industriestandard)) gestaltet ist, eine Deckplatte 12 zum
Schließen einer Öffnung an dem hinteren Ende des viereckigen
Zylinderabschnitts 11, die an das hintere Ende des viereckigen
Zylinderabschnitts 11 z. B. durch WIG-Schweißen geschweißt ist,
und eine Deckplatte 13 zum Schließen einer Öffnung an dem
vorderen Ende des viereckigen Zylinderabschnitts 11, die an das
vordere Ende des viereckigen Zylinderabschnitts 11 geschweißt
ist.
Die Dicke des viereckigen Zylinderabschnitts 11 ist an jedem
Abschnitt von seiner Umfangswand verschieden, wie in Fig. 3
gezeigt ist. In den vertikalen und seitlichen Abschnitten sind
die äußeren Ränder (äußeren Umfangsränder) 111a und die inneren
Ränder (inneren Umfangsränder) 111b an den vier Ecken 11a mit
vorbestimmten Krümmungsradien gekrümmt, um gekrümmte Ecken
auszubilden. Die Dicke an den Ecken 11a zwischen den äußeren
Rändern (äußeren Umfangsrändern) 111a und den inneren Rändern
(inneren Umfangsrändern) 111b ist größer als die minimale Dicke
jeder Seite 11b des viereckigen Zylinderabschnitts 11, wird
maximal an der Mitte der Ecken 11a in der Umfangsrichtung und
wird fortschreitend kleiner von dieser Mitte in der
Umfangsrichtung in Richtung von im Wesentlichen flachen
blattähnlichen Seiten an beiden Seiten. Die Dicke der vier
Seiten 11b des viereckigen Zylinderabschnitts 11 ist ebenfalls
in der Mitte jeder Seite in der Umfangsrichtung maximal und wird
fortschreitend geringer in Richtung der Ecken 11a an beiden
Seiten. Es wurde herausgefunden, dass eine solche Anordnung die
Druckwiderstandsfähigkeit der Ecken 11a pro Gewichtseinheit
verbessern kann.
Wenn mit anderen Worten der Innendruck ansteigt, schwillt die
Mitte jeder Seite 11b nach außen an, wobei jede Ecke 11a ein
Knotenpunkt ist. Dann wirkt die größte Zugspannung an der Mitte
jeder Seite 11b in der Umfangsrichtung, während die größte
Druckspannung an jeder Ecke 11a wirkt. Wenn daher die Dicke
selektiv in der Mitte jeder Ecke 11a und jeder Seite 11b
gesteigert wird, kann die Druckwiderstandfähigkeit im Vergleich
mit einem Anstieg des Gewichts des viereckigen
Zylinderabschnitts 11 merklich verbessert werden.
Das Simulationsergebnis der optimalen Dickenverteilung an jeder
Umfangswand des oben beschriebenen viereckigen
Zylinderabschnitts 11 wird weiter unter Bezugnahme auf Fig. 5
erklärt.
Wenn die Gestalt mit in Fig. 5 gezeigter Schnittfläche
eingesetzt wird, so ist der maximale Spannungswert, der in dem
abgedichteten Gehäuse 10 auftritt 9,21 kg/mm2 bei einem Gasdruck
von 10 kg/cm2, wenn das Material eine Aluminiumlegierung (JIS
A7N01-T5) ist. Dagegen beträgt sie 14,00 kg/mm2, wenn der
viereckige Zylinderabschnitt eine konstante Dicke hat. Gemäß dem
in Fig. 5 gezeigtem Modell kann daher die
Druckwiderstandsleistungsfähigkeit um ungefähr 30% im Vergleich
mit der Schnittgestalt mit einer konstanten Dicke verbessert
werden. Genauso werden die Innenraumkapazitäten beider Modelle
als gleich angenommen.
Der gemeinsame Sammler 7 weist eine viereckige Dose bzw. einen
viereckigen Kasten mit flachem Boden auf, die mit dem gesamten
Randbereich der Deckplatte 13 auf eine solche Weise verschweißt
ist, dass sie diese Deckplatte 13 abdeckt. Sie ist durch
Aluminiumformgießen hergestellt. Der gemeinsame Sammler 7 hat
eine Trennwand 70 an der Mitte in der seitlichen Richtung, wie
in Fig. 4 gezeigt ist. Die Trennwand 70 teilt den abgedichteten
Raum, der durch den gemeinsamen Sammler 7 und die Deckplatte 13
definiert ist, in zwei Teile in die seitliche Richtung und
definiert einen abgedichteten Raum, der einen stromaufwärtigen
gemeinsamen Sammler 71 ausbildet und einen abgedichteten Raum,
der einen stromabwärtigen gemeinsamen Sammler 72 der
vorliegenden Erfindung ausbildet.
Das Gastransportrohr 8 ist ein poröses Keramikfilterrohr, das
durch eine Sinterbronze hergestellt ist, und ist mit einem nicht
gezeigten externen Wasserstoffrohr verbunden. Bezugsnummer 9
bezeichnet einen Klemmplattenabschnitt, der den rohrförmigen
Sammler 4 vertikal klemmt, der mit der inneren Fläche der
Deckplatte 12 verschweißt ist.
Der Zusammenbau dieses Geräts wird nachstehend erklärt.
Die Deckplatte 13 mit Löchern zum Einsetzen der flachen Rohre 2,
der gemeinsame Sammler 7 und der viereckige Zylinderabschnitt 11
werden verschweißt, um einen viereckigen Dosen- bzw.
Kastenkörper auszubilden. Nachdem die Wärmetauschereinheit 1a in
diesem viereckigen Dosenkörper untergebracht ist, wird das
entfernte Ende jedes flachen Rohres 2 durch die Öffnungen 41, 42
des rohrförmigen Sammlers 4 eingesetzt.
Als nächstes wird das wasserstoffabsorbierende Legierungspulver
durch die Zwischenräume zwischen den rohrförmigen Sammlern 4 und
die Zwischenräume zwischen den rohrförmigen Sammlern 4 und der
Umfangswand des viereckigen Zylinderabschnitts 11 hinzugefügt,
und wird zwischen die gewellten Rippen 3 gefüllt.
Die Deckplatte 12 wird dann durch WIG-Schweißen mit dem
viereckigen Zylinderabschnitt 11 verschweißt und das
abgedichtete Gehäuse 10 wird so definiert.
Der stromaufwärtige gemeinsame Sammler 71 und der stromabwärtige
gemeinsame Sammler 72 in dem gemeinsamen Sammler 7 werden
jeweils individuell mit Anordnungen zum Fördern eines flüssigen
Wärmespeichermediums durch nicht gezeigte Rohre verbunden.
Im folgenden wird der Betrieb erklärt.
Wenn das Wasserstoffgas in das abgedichtete Gehäuse 10 durch das
Gastransportrohr 8 transportiert wird, wird das Wasserstoffgas
durch das wasserstoffabsorbierende Legierungspulver absorbiert.
Das wasserstoffabsorbierende Legierungspulver wird dann einem
exothermen Vorgang unterzogen, und seine Wärme wird über die
gewellten Rippen 3 und das flache Rohr 2 auf das
Wärmespeichermedium in dem flachen Rohr 2 übertragen. Das
Wärmespeichermedium überträgt die Wärme von dem stromaufwärtigen
gemeinsamen Sammler 71 nach außen über das flache Rohr 2 des
stromaufwärtigen Wärmetauschersatzes 5, den rohrförmigen Sammler
4, das flache Rohr 2 des stromabwärtigen Wärmetauschersatzes 6
und den stromabwärtigen gemeinsamen Sammler 2.
Wenn das Wasserstoffgas aus dem abgedichteten Gehäuse 10 über
das Gastransportrohr 8 nach außen transportiert wird, gibt das
wasserstoffabsorbierende Legierungspulver das Wasserstoffgas ab
und wird einem endothermen Vorgang unterzogen. Wärme wird auf
das Wärmespeichermedium innerhalb der flachen Rohre 2 über die
gewellten Rippen 3 und das flache Rohr 2 übertragen. Das
abgedichtete Gehäuse 10 hat einen Innendruck von einigen
Atmosphären während des Betriebs, aber seine
Druckwiderstandsfähigkeit ist auf das Mehrfache dieses
Innendrucks festgesetzt, um Sicherheit zu gewährleisten.
Gemäß diesem Aufbau ist die seitliche Breite der gewellten
Rippen 30 der obersten und untersten Stufen der gewellten Rippen
31 kleiner als die der gewellten Rippen 31 der mittleren Stufen
in den seitlichen und vertikalen Abschnitten des viereckigen
Zylinderabschnitts 11, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Daher können
die Ecken (auch "gekrümmte Ecken" genannt) des viereckigen
Zylinderabschnitts 11 bis zu im wesentlichen einem Viertelkreis
mit einem vorbestimmten Radius der Krümmung gekrümmt sein, und
die Druckwiderstandsfähigkeit des viereckigen Zylinderabschnitts
11 kann ohne Steigern der Dicke der gekrümmten Ecken des
viereckigen Zylinderabschnitts 11 und anderer flacher
blattähnlicher Abschnitte verbessert werden. Wie in Fig. 3
gezeigt ist, ist der indirekte
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher in der mit Aussparungen
versehenen Form an dem Mittenabschnitt gegenüber der Mitte jeder
Seite 11b des viereckigen Zylinderabschnitts 11 angeordnet.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das
abgedichtete Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung hergestellt,
aber es kann ebenso aus Edelstahl oder desgleichen hergestellt
sein. Der viereckige Zylinderabschnitt 11 ist in Übereinstimmung
mit dem Extrusionsgussverfahren erzeugt, aber er kann durch
Formgießen oder desgleichen erzeugt werden.
Die Dicke kann örtlich dadurch erhöht werden, dass das
Anschwellen des viereckigen Zylinderabschnitts 11 nach außen
erlaubt wird.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Dicke
örtlich in eine linsenähnliche Schnittgestalt erhöht, aber die
Dicke kann in zwei oder mehr Stufen geändert werden. Der
Umfangswandabschnitt des viereckigen Zylinderabschnitts 11, der
sich in horizontale Richtung erstreckt, steht insbesondere den
gewellten Rippen 3 gegenüber, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Wenn
daher die Dicke stufenartig geändert wird, muss die
Feinabstimmung der Rippenlänge der gewellten Rippen 3 nicht in
dem Fall durchgeführt werden, bei dem die entfernten
Endabschnitte der gewellten Rippen in Kontakt mit dem
Umfangsabschnitt des viereckigen Zylinderabschnitts 11 oder in
die Nähe von diesem gebracht werden, der sich in die horizontale
Richtung erstreckt.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein besonderes
Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, das zum Zweck der
Darstellung ausgewählt wurde, sollte es klar sein, dass
zahlreiche Abwandlungen vom Fachmann durchgeführt werden können,
ohne von dem Konzept und dem Anwendungsbereich der Erfindung
abzuweichen.
Das Gehäuse für den indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher der vorliegenden Erfindung
weist den viereckigen Zylinderabschnitt auf, von dem jeder
Abschnitt einstückig durch Formgießen oder Extrusionsformen
ausgebildet ist. Die Ecken 11a dieses viereckigen
Zylinderabschnitts 11 und die Mittenabschnitte von dessen Seiten
11b sind mit einer größeren Dicke als andere Abschnitte
gestaltet. Das Gewicht des Gehäuses kann reduziert werden,
während die Gehäusepulverkapazität sichergestellt wird.
Claims (6)
1. Gehäuse für einen indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher, um darin den indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher zusammen mit
wasserstoffabsorbierendem Legierungspulver unterzubringen, der
mit Rippen ausgestattete Wärmemediumrohrleitungsanordnungen hat
und mit einer im Wesentlichen rechteckigen Parallelepipedform
gestaltet ist, das
einen viereckigen Zylinderabschnitt und Deckplatten zum Schließen von Öffnungen des viereckigen Zylinderabschnitts aufweist,
wobei die Ecken des viereckigen Zylinderabschnitts und die Mitte jeder Seite davon eine Dicke haben, die größer als die von anderen Abschnitten ist.
einen viereckigen Zylinderabschnitt und Deckplatten zum Schließen von Öffnungen des viereckigen Zylinderabschnitts aufweist,
wobei die Ecken des viereckigen Zylinderabschnitts und die Mitte jeder Seite davon eine Dicke haben, die größer als die von anderen Abschnitten ist.
2. Gehäuse für einen indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dicke des Mittenabschnitts von jeder Seite des viereckigen
Zylinderabschnitts sich fortschreitend von der Mitte der Seite
verringert.
3. Gehäuse für einen indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Mittenabschnitt von jeder Seite des viereckigen
Zylinderabschnitts nach innen anschwillt.
4. Gehäuse für einen indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Mittenabschnitt von jeder Seite des viereckigen
Zylinderabschnitts nach innen anschwillt.
5. Gehäuse für einen indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der indirekte Wasserstoffabsorptionswärmetauscher in der mit
Aussparungen versehenen Form an dem Abschnitt angeordnet ist,
der dem Mittenabschnitt von jeder Seite des viereckigen
Zylinderabschnitts gegenübersteht.
6. Gehäuse für einen indirekten
Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der indirekte Wasserstoffabsorptionswärmetauscher in der mit
Aussparungen versehenen Form an dem Abschnitt angeordnet ist,
der dem Mittenabschnitt von jeder Seite des viereckigen
Zylinderabschnitts gegenübersteht.
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Owner name: KABUSHIKI KAISHA TOYOTA JIDOSHOKKI, KARIYA, AICHI, Owner name: TOYOTA JIDOSHA K.K., TOYOTA, AICHI, JP |
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