JP2002206891A - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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JP2002206891A
JP2002206891A JP2001001551A JP2001001551A JP2002206891A JP 2002206891 A JP2002206891 A JP 2002206891A JP 2001001551 A JP2001001551 A JP 2001001551A JP 2001001551 A JP2001001551 A JP 2001001551A JP 2002206891 A JP2002206891 A JP 2002206891A
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡潔な構成で燃料供給から蒸発までの応答性
のよい熱交換器を提供する。 【解決手段】 ヘッダ入口部３ａから分散空間部７に流
入した燃料は分岐形成成された流体通路５に分流し、多
数の開口部４から下方の熱交換部６へと流入する。この
とき、ヘッダ部内の流体が通過する通路部分の容積は限
定された流体通路５により必要最小限となっているた
め、ヘッダ部１に供給された燃料は速やかに熱交換部６
へと到達する。したがってこの熱交換器を燃料電池の蒸
発器として適用した場合には、燃料の供給から蒸発燃料
が得られるまでの応答時間を確実に短縮して燃料電池の
起動を早めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
の蒸発器などに適用可能な熱交換器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】燃料電池システムにお
いて、蒸発器に液体燃料を供給するとき、熱交換部ヘッ
ダには燃料を均一に分配をさせるような構造が必要であ
り、例えば特開平9-79694号公報に開示されたものでは
複数の燃料供給ノズルを配設することにより均一に燃料
を分配させるようにしている。しかしながら、このよう
な構造にあってはヘッダ部の容積が大きくなり熱交換器
本体が大きくなってしまう。また、特開2000-111244号
公報に開示されたものでは、燃料を均一に分配させるた
めに熱交換部ヘッダ部に液分配手段として焼結体やセレ
ーテッドフィン等を用いているが、このような構造によ
ると燃料供給開始から熱交換部内部へ燃料が到達するま
でに上記液分配手段部を燃料で満たす時間が必要となり
応答性が悪化してしまうという問題が生じる。
【０００３】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、流体が通
過する通路部を多数形成した熱交換部の上部に前記通路
部に液状流体を分散供給するヘッダ部を設けた熱交換器
において、前記ヘッダ部を、該ヘッダ部の側面に設けた
入口部から流入する液状流体を前記通路部に通過させる
開口部を多数設けた下プレートと、この下プレートとの
間に分散空間部を形成する上プレートとで形成し、前記
分散空間部には、前記入口部から流入する液状流体の流
れを横断する方向に分配空間を形成し、この分配空間か
ら前記入口部に対向して延びる複数の流体通路を形成す
る通路壁部を設けた。
【０００４】第２の発明は、前記通路壁部を、下プレー
トおよび／または上プレートと一体に形成した。
【０００５】第３の発明は、前記第２の発明の通路壁部
を、前記入口部側辺部から前記入口部に対向する辺部に
向けて形成した多数の波形状部からなり、この波形状部
に沿って前記入口部と前記開口部とを連通する流体通路
を形成するものとした。
【０００６】第４の発明は、前記第３の発明における多
数の波形状部を、互いの間隔が熱交換部の通路部の開口
ピッチに対応するように形成するものとした。
【０００７】第５の発明は、前記各発明の熱交換部を、
高温流体が流通する高温流体用層状部と低温流体が上下
方向に流通する低温流体用層状部とを積層して構成し、
前記高温流体用層状部にはヘッダ部に対向する端部に隔
壁部を設けると共に前記低温流体用層状部はヘッダ部に
対向する端部に前記通路部を開口させ、かつ前記高温流
体用層状部の隔壁部はヘッダ部に対向する凸形状に形成
した。
【０００８】第６の発明は、前記第４の発明において、
その通路壁部を、前記入口部側辺部から前記入口部に対
向する辺部に向けて下プレートに形成した多数の波形状
部からなり、この波形状部に沿って前記入口部と前記開
口部とを連通する流体通路を形成する。また、前記熱交
換部を、高温流体が流通する高温流体用層状部と低温流
体が上下方向に流通する低温流体用層状部とを積層して
構成し、前記高温流体用層状部にはヘッダ部に対向する
端部に隔壁部を設けると共に前記低温流体用層状部はヘ
ッダ部に対向する端部に前記通路部を開口させ、前記高
温流体用層状部の隔壁部はヘッダ部に対向する凸形状に
形成し、かつ前記波形状部の凸形状を前記高温流体用層
状部の隣接する隔壁部間の凹部に嵌合する態様で前記ヘ
ッダ部と熱交換部とを形成した。
【０００９】第７の発明は、前記第１の発明または第５
の発明において、その通路壁部を、前記入口部に対向し
て位置する辺部から該入口部に向かって延びる腕部を該
辺部に沿って多数配設した形状の櫛形部材で構成し、こ
の櫛形部材の隣接する腕部間の空間を前記入口部と前記
開口部とを連通する流体通路とした。
【００１０】第８の発明は、前記第７の発明の櫛形部材
を、複数のものを積層してなり、かつこれら積層した櫛
形部材の各々の腕部および空間を、該空間同志が交互的
にかつ相互に連通するように配置したものとした。
【００１１】第９の発明は、前記各発明における多数の
開口部を、互いの間隔が熱交換部の通路部の開口ピッチ
に対応するように形成したものとした。
【００１２】
【作用・効果】第１の発明によれば、ヘッダ部の入口部
から分散空間部に流入した液状流体は通路壁部により分
岐状に画成された流体通路に分流して各流体通路に面し
た開口部から下方の熱交換部の通路部へと流入する。こ
のとき、液状流体は分散空間部内を通路壁部により画成
された限られた容積の通路部を経由して熱交換部へと流
れ込む。ヘッダ部内の流体が通過する部分の容積は通路
壁部により必要最小限となっているため、ヘッダ部に供
給された液状流体は速やかに熱交換部へと到達する。こ
れにより、本発明による熱交換器を燃料電池の蒸発器と
して適用した場合には、液状燃料の供給から蒸発燃料が
得られるまでの応答時間を確実に短縮して燃料電池の起
動を早めることができる。また、改質器停止時において
も、ヘッダ部内に留まっている燃料量を抑えることがで
きるので、燃料供給停止から改質器停止までの時間を短
くすることができる。
【００１３】第２の発明として示したように、通路壁部
は上プレートまたは下プレートの何れか一方または双方
に一体的に形成した構成とすることができ、特に第３の
発明として示したように多数の波形状部を形成した構成
はビードプレス成形により容易に実現でき、またヘッダ
部の剛性向上にも寄与する。
【００１４】第４の発明によれば、前記多数の波形状部
の間隔を熱交換部の通路部の開口ピッチに対応して形成
したことにより、流体通路に流れ込んだ流体をより円滑
に熱交換部へと流入させることができる。
【００１５】第５の発明によれば、高温流体用層状部の
上部隔壁部をヘッダ部に向かって凸の形状としたことか
ら、ヘッダ部の開口部から供給された燃料等を速やかに
熱交換部の低温流体用層状部（通路部）に供給でき、こ
れにより熱交換の応答性をより改善できる。
【００１６】第６の発明によれば、下プレートの波形状
部が対向的に凸形状を有する隔壁部９ａの相互間の空間
部に嵌合するように設定したので、当該空間部の容積を
最小限として流体がヘッダ部流体通路から熱交換器通路
部へと達するまでの時間をより短縮し、熱交換が開始さ
れるまでの応答性をさらに改善できると共に、熱交換器
の小型化を図ることができる。
【００１７】第７の発明によれば、櫛形部材によりヘッ
ダ部内の分散空間部を画成して多数の流体通路を形成す
るようにしたので、櫛形部材の腕部の寸法に応じて燃料
通路の長さや通路断面積を精密に決めることができ、加
えて第８の発明によれば、櫛形部材の腕部間の流体通路
が交互的に連通するように複数の櫛形部材を積層した構
成としたので、ヘッダ部内に流入した液状流体を、流体
通路を横切る方向にも拡散させることができる。
【００１８】第９の発明によれば、前記各発明において
下プレートに形成した多数の開口部を、互いの間隔が熱
交換部の通路部の開口ピッチに対応するようにしたこと
から、熱交換部への流体の分配をより確実かつ均等に行
うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を燃料電池装置の蒸
発器として構成した実施形態につき図面に基づいて説明
する。図１〜図３において、１は蒸発器のヘッダ部であ
り、上プレート１ａ、下プレート１ｂ、櫛型部材２、燃
料供給部材３からなる。６はその上面に前記ヘッダ部１
が取り付けられる熱交換部である。
【００２０】上プレート１ａと下プレート１ｂは上下方
向に結合され、その一辺に燃料供給部材３が取り付けら
れる。これらは溶接またはろう付けにより結合され、内
部に薄い偏平状の分散空間部７を画成する。燃料供給部
材３に設けられた２つの燃料入口部３ａは前記分散空間
部７に臨んで開口し、図示しない燃料系統から圧送され
てくる燃料をヘッダ部１内に導入する。
【００２１】櫛形部材２は前記入口部３ａに対向して位
置する辺部２ａから該入口部３ａに向かって延びる腕部
２ｂを該辺部２ａに沿って多数配設した形状をしてお
り、上プレート１ａと下プレート１ｂとの間の挟持され
る態様で分散空間部７に収装されている。櫛形部材２
は、図２にも示したようにヘッダ部１内の分散空間部７
内を前記腕部２ｂにより画成して複数の分岐した燃料通
路（流体通路）５を形成している。また、櫛形部材２と
燃料供給部材３の間には、燃料を燃料通路５に均一に分
配するための分配空間８が設けられている。
【００２２】ヘッダ部１のデッドボリュームを最小限と
するために、分散空間部７および櫛形部材２の厚みはた
とえば１ｍｍ程度に小さく抑えられ、また腕部２ｂの幅
はできるだけ大きくして燃料通路５の幅も最小限とされ
ている。
【００２３】熱交換部６は、高温流体が流通する高温流
体用層状部９と低温流体（燃料）が上下方向に流通する
低温流体用層状部１０とを積層して構成し、前記高温流
体用層状部９にはヘッダ部１に対向する端部に隔壁部９
ａを備えると共に前記低温流体用層状部１０はヘッダ部
１に対向する端部に前記低温流体が流通する多数の通路
部６ａを開口させてある。
【００２４】下プレート１ｂには、前記分岐状の各燃料
通路５に臨むように多数の小穴状の開口部４が形成され
ている。これらの開口部４の通路部横断方向の開口間隔
（ピッチ）ａは、ヘッダ部１を取り付けた状態で、前述
した熱交換部６の通路部６ａに連通するように、通路部
６ａ相互の間隔ｂと同一に設定されている。
【００２５】前記構成において、燃料入口部３ａから供
給された燃料は分配空間８、分散空間部７ないしは燃料
通路５内を満たしたのち、下プレート１ｂに設けられた
開口部４により熱交換部６の通路部６ａへと均等に供給
される。このとき、櫛形部材２によって分散空間部７内
の余剰容積が削減されているので燃料供給開始から熱交
換部流入までの時間が大幅に短縮される。
【００２６】図４および図５に本発明の第２の実施形態
による蒸発器ヘッダ部の構成を示す。これは２個の櫛形
部材２を上下に積層し、それぞれの腕部２ｂの間に画成
される通路５が交互に位置しかつ相互に連通するように
形成したものである。このような構成とすることによ
り、ヘッダ部３内に流入した燃料は通路５に沿った方向
のみならず、通路５を横断する方向にも分散するので燃
料の分配性能がより向上する。
【００２７】図６および図７に本発明による蒸発器の第
３の実施形態を示す。図において、ヘッダ部１は上プレ
ート１ａ、下プレート１ｂ、燃料供給部材３からなり、
前記上プレート１ａには、燃料の入口部３ａに対向する
辺部に向けて多数の波形状部１ｃがプレス成形等により
形成され、この波形状部１ｃと下プレート１ｂとの間に
形成した空間を前記入口部３ａと下プレート１ｂの開口
部４とを連通する燃料通路５としている。なお、前記波
形状部１ｃの間隔は下プレート１ｂの開口部４の間隔ａ
と同一に設定されている。また、上プレート１ａには波
形状部１ｃへの燃料を燃料通路５に均一に分配するため
に、燃料供給部材３の間に所定の空間１ｄが設けられて
いる。
【００２８】この構成によれば、入口部３ａから供給さ
れた燃料は所定の空間１ｄで分配され、波形状部１ｃと
下プレート１ｂとの間の燃料通路５を満たしたのち下プ
レート１ｂの開口部４から熱交換部６の通路部６ａへと
均等に供給される。このとき、波形状部１ｃによってヘ
ッダ部１内の余剰容積が削減されているので、燃料供給
開始から熱交換部６への流入までの時間が大幅に短縮で
きる。なお、開口部４が通路部６ａと同じ間隔ないし位
置に配置されていない場合には滴下した燃料が高温流体
用層状部９の上部に留まり熱交換の開始が遅れることに
なるが、本実施形態では前述のように開口部４と通路部
６ａの間隔ないし位置を同一としており、さらに前記高
温流体用層状部９上端の隔壁部９ａを図７に示したよう
にヘッダ部１に向けて凸の形状にしており、このためよ
り速やかかつ均一に燃料を通路部６ａに供給することが
できる。一方、波形状部１ｃはヘッダ部１の強度および
剛性の向上に寄与し、また部品点数も比較的少なくて済
む。
【００２９】なお、図８に示したように、複数の波形状
部１ｃ間の底面部は下プレート１ｂと接合していなくて
もよく、その場合は波形状部１ｃの相互の間隔は開口部
４と同じピッチとしなくともよい。
【００３０】図９および図１０に本発明による蒸発器の
第４の実施形態を示す。この実施形態は、多数の波形状
部１ｃを下プレート１ｂに形成し、これを平板状の上プ
レート１ａに接合した点で前記第３の実施形態と異な
る。各波形状部１ｃは相互の間隔が熱交換器通路部６ａ
と同一の間隔ｂとなるように形成すると共に、それぞれ
が画成する流体通路５に沿って多数の開口部４を備えて
いる。この場合、複数の波形状部１ｃ間の凸部は上プレ
ート１ａと接合していなくてもよい。一方、各波形状部
１ｃは、図１０に示したようにヘッダ部側に凸形状に形
成した隔壁部９ａの相互間の凹部に嵌合する態様で設け
てある。
【００３１】この実施形態によれば、前記第３の実施形
態と同様の効果が得られることに加えて、特に波形状部
１ｃが隔壁部９ａの相互間の空間部に嵌合するように設
定したので、当該空間部の容積を最小限として流体がヘ
ッダ流体通路５から熱交換器通路部６ａへと達するまで
の時間をより短縮し、熱交換が開始されるまでの応答性
をさらに改善できると共に、熱交換器の小型化を図るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による蒸発器の第１の実施形態の組み立
て図。
【図２】第１の実施形態のヘッダ部の縦断面図。
【図３】第１の実施形態のヘッダ部の横断面図。
【図４】本発明による蒸発器の第２の実施形態のヘッダ
部の組み立て図。
【図５】第２の実施形態のヘッダ部の横断面図。
【図６】本発明による蒸発器の第３の実施形態の組み立
て図。
【図７】第３の実施形態のヘッダ部付近の横断面図。
【図８】第３の実施形態のヘッダ部の変形例を示す横断
面図。
【図９】本発明による蒸発器の第４の実施形態の組み立
て図。
【図１０】第４の実施形態のヘッダ部付近の横断面図。
【符号の説明】
１ 蒸発器のヘッダ部 １ａ 上プレート １ｂ 下プレート １ｃ 波形状部 １ｄ 空間 ２ 櫛形部材 ２ａ 辺部 ２ｂ 腕部 ３ 燃料供給部材 ３ａ 燃料入口部 ４ 開口部 ５ 燃料通路（流体通路） ６ 熱交換部 ６ａ 通路部 ７ 分散空間部 ８ 分配空間 ９ 高温流体用層状部 ９ａ 高温流体用層状部の隔壁部 １０ 低温流体用層状部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ａ (72)発明者 吉田 宏行 東京都中野区南台五丁目24番15号 カルソ ニックカンセイ株式会社内 Ｆターム(参考） 3L065 DA17 5H027 AA02 BA01 KK28 KK48 MM08 MM12

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流体が通過する通路部を多数形成した熱交
    換部の上部に前記通路部に液状流体を分散供給するヘッ
    ダ部を設けた熱交換器において、 前記ヘッダ部を、該ヘッダ部の側面に設けた入口部から
    流入する液状流体を前記通路部に通過させる開口部を多
    数設けた下プレートと、この下プレートとの間に分散空
    間部を形成する上プレートとで形成し、 前記分散空間部には、前記入口部から流入する液状流体
    の流れを横断する方向に分配空間を形成し、この分配空
    間から前記入口部に対向して延びる複数の流体通路を形
    成する通路壁部を設けた熱交換器。
  2. 【請求項２】前記通路壁部は、下プレートおよび／また
    は上プレートと一体に形成した請求項１に記載の熱交換
    器。
  3. 【請求項３】前記通路壁部は、前記入口部側辺部から前
    記入口部に対向する辺部に向けて形成した多数の波形状
    部からなり、この波形状部に沿って前記入口部と前記開
    口部とを連通する流体通路を形成した請求項２に記載の
    熱交換器。
  4. 【請求項４】前記多数の波形状部は、互いの間隔が熱交
    換部の通路部の開口ピッチに対応するように形成した請
    求項３に記載の熱交換器。
  5. 【請求項５】前記熱交換部は、高温流体が流通する高温
    流体用層状部と低温流体が上下方向に流通する低温流体
    用層状部とを積層して構成し、前記高温流体用層状部に
    はヘッダ部に対向する端部に隔壁部を設けると共に前記
    低温流体用層状部はヘッダ部に対向する端部に前記通路
    部を開口させ、かつ前記高温流体用層状部の隔壁部はヘ
    ッダ部に対向する凸形状に形成した請求項１から請求項
    ４のいずれかに記載の熱交換器。
  6. 【請求項６】前記通路壁部は、前記入口部側辺部から前
    記入口部に対向する辺部に向けて下プレートに形成した
    多数の波形状部からなり、この波形状部に沿って前記入
    口部と前記開口部とを連通する流体通路を形成すると共
    に、 前記熱交換部は、高温流体が流通する高温流体用層状部
    と低温流体が上下方向に流通する低温流体用層状部とを
    積層して構成し、前記高温流体用層状部にはヘッダ部に
    対向する端部に隔壁部を設けると共に前記低温流体用層
    状部はヘッダ部に対向する端部に前記通路部を開口さ
    せ、前記高温流体用層状部の隔壁部はヘッダ部に対向す
    る凸形状に形成し、 かつ前記波形状部の凸形状を前記高温流体用層状部の隣
    接する隔壁部間の凹部に嵌合する態様で前記ヘッダ部と
    熱交換部とを形成した請求項４に記載の熱交換器。
  7. 【請求項７】前記通路壁部は、前記入口部に対向して位
    置する辺部から該入口部に向かって延びる腕部を該辺部
    に沿って多数配設した形状の櫛形部材で構成し、この櫛
    形部材の隣接する腕部間の空間を前記入口部と前記開口
    部とを連通する流体通路とした請求項１または請求項５
    のいずれかに記載の熱交換器。
  8. 【請求項８】前記櫛形部材は、複数のものを積層してな
    り、かつこれら積層した櫛形部材の各々の腕部および空
    間が、該空間同志が交互的にかつ相互に連通するように
    配置した請求項７に記載の熱交換器。
  9. 【請求項９】前記多数の開口部は、互いの間隔が熱交換
    部の通路部の開口ピッチに対応するように形成した請求
    項１から請求項８のいずれかに記載の熱交換器。
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