JP2004044870A - ハイブリッド熱交換器 - Google Patents
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- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
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- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
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Abstract
【課題】高合金のような高級材料を使用せずに、しかも大型化を回避しつつ耐用期間の大幅延長を可能にするハイブリッド熱交換器を提供する。
【解決手段】複数枚のチューブプレート1,1・・を厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間3A,3Bを複数段に形成する。形成された複数段の空間3A,3Bに、複数本のチューブ4,4・・を径方向に並列させて構成されたチューブ列と、コルゲートフィン5とを交互に配置する。チューブ列が配置された空間3A内に高温流体を流通させ、コルゲートフィン5が配置された空間3B内に低温流体を流通させる。固体電解質型燃料電池において排熱回収により空気を予熱する装置に適する。
【選択図】 図1
【解決手段】複数枚のチューブプレート1,1・・を厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間3A,3Bを複数段に形成する。形成された複数段の空間3A,3Bに、複数本のチューブ4,4・・を径方向に並列させて構成されたチューブ列と、コルゲートフィン5とを交互に配置する。チューブ列が配置された空間3A内に高温流体を流通させ、コルゲートフィン5が配置された空間3B内に低温流体を流通させる。固体電解質型燃料電池において排熱回収により空気を予熱する装置に適する。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池(SOFC)において排熱回収により空気を予熱する装置に好適に使用されるハイブリッド熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の一つとして固体電解質型燃料電池(SOFC)がある。発電効率、耐久性に優れたこの燃料電池では、電池モジュールから高温の排ガスが排出されるため、この排ガスの保有熱を利用して、電池モジュールに供給される空気を予熱することなどが行われている。
【0003】
この排熱回収による空気予熱装置には、小型化が要求される。このために、例えばプレートフィン型熱交換器が使用されている。プレートフィン型熱交換器は、チューブプレートと呼ばれる分離板を厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間を複数段に形成すると共に、形成された複数段の空間にコルゲートフィンと呼ばれる伝熱フィンを配置した構造になっている。そして、形成された複数段の偏平な空間に高温媒体と低温媒体を交互に流通させることにより、両者間で熱交換を行わせる。
【0004】
空間に配置されたコルゲートフィンは、表面積の増大により熱伝導性を高めると共に、熱交換器の剛性確保に寄与する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
固体電解質型燃料電池(SOFC)で排出される高温排ガスは1000℃程度の酸化性ガスである。このため、この排熱回収に使用されるプレートフィン型熱交換器には、高い耐酸化性が要求され、耐酸化性に優れたステンレス鋼系の材料が使用されている。
【0006】
しかしながら、コルゲートフィンのピッチが小さいために、コルゲートフィンの厚さを0.3mm程度以上に厚くすることが困難である。その結果、高温媒体が流通する空間でコルゲートフィンが短期間に酸化され、使用限界に至る。
【0007】
高温媒体が流通する空間に配置されるコルゲートフィンの材質を、ステンレス鋼より耐酸化性に優れた高合金に変更すれば、耐用期間の大幅延長が可能である。しかしながら、そのような高級材料は非常に高価であり、入手性も良好とはいえない。
【0008】
本発明の目的は、高合金のような高級材料を使用せずに、しかも大型化を回避しつつ耐用期間の大幅延長を可能にするハイブリッド熱交換器を提供することにある。
【0009】
上記目的を達成するために、本発明のハイブリッド熱交換器は、複数枚のチューブプレートを厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間を複数段に形成すると共に、形成された複数段の空間に、複数本のチューブを径方向に並列させて構成されたチューブ列とコルゲートフィンとを交互に配置したものである。
【0010】
そして、チューブ列が配置された空間内に高温流体を流通させ、プレートフィンが配置された空間内に低温流体を流通させることことにより、高合金のような高級材料を使用せずに、しかも大型化を回避しつつ耐用期間の大幅延長が可能になる。
【0011】
すなわち、径方向に並列された複数本のチューブは、コルゲートフィンと同様に、流体が流通する偏平な空間に配置されて、その空間の圧壊を阻止し、構造材として機能することにより、熱交換器の機械的強度を確保する。また、複数本のチューブの内外を流体が流通することにより、空間内の表面積を増大させ、伝熱性能を向上させる。その一方、コルゲートフィンと異なり厚肉化が容易で、汎用の厚肉チューブも多品種市販されており、この厚肉チューブの使用により、比較的低級な材料の場合も耐用期間を大幅に延長することができる。
【0012】
チューブ列が配置される空間の高さをHとすると、チューブ径DはほぼHである。チューブの肉厚Tは0.5〜1.5mmが好ましい。この肉厚が薄すぎる場合は耐用期間の延長が困難である。厚すぎる場合は重量増加の問題が生じる。チューブの配列ピッチPは最小で接触状態の1.0×Dであり、1.0×D〜2.0×Dが好ましい。このピッチが大きすぎる場合は2次伝面が不足し、熱交換器の体積が増加する。
【0013】
本発明のハイブリッド熱交換器は、固体電解質型燃料電池において排熱回収により空気を予熱する装置に特に好適である。熱交換器の構成材料としてはステンレス鋼や高ニッケル鋼等が耐酸化性と経済性の両立の点から好ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示すハイブリッド熱交換器の斜視図である。
【0015】
本実施形態のハイブリッド熱交換器は、板厚方向に所定の間隔で配列された複数枚のチューブプレート1,1・・と、隣接するチューブプレート1,1の間に流体が流通する偏平な空間を形成するために、この間の両側部に配置されたスペーサバー2,2とを備えている。
【0016】
前記空間は、ここでは高温流体Aが流通する偏平な空間3Aと、低温流体Bが流通する偏平な空間3Bとが、交互に且つ流通方向を変えて積層された構成(直交流型式)になっており、空間3Aには複数本のチューブ4,4・・が、空間3Bにはコルゲートフィン5が、構造材を兼ねる伝熱促進部材として配置されている。
【0017】
チューブプレート1,1・・、スペーサバー2,2、チューブ4,4・・及びコルゲートフィン5は、いずれもステンレス鋼からなり、ろう付けにより接合一体化されている。伝熱促進部材であるチューブ4,4・・及びコルゲートフィン5は、当該部材を挟むチューブプレート1,1と伝熱可能に接触している。
【0018】
伝熱促進部材のうち、空間3Aに配置された複数本のチューブ4,4・・は例えば1mm厚程度の厚肉材であり、当該部材を挟むチューブプレート1,1に沿い、且つ隣接するチューブ4,4間に若干の隙間をあけて、管径方向に並列している。一方、コルゲートフィン5は0.1〜0.3mm程度の薄肉材である。波形プレートであるコルゲートフィン5の具体的な形状は特に問わず、プレーンタイプのほか、パーフォレイトタイプ、ルーバータイプ、セレートタイプなどでもよい。
【0019】
このような構成のハイブリッド熱交換器を、固体電解質型燃料電池における排熱利用の空気予熱装置に使用した場合、高温で酸化性の排ガスが高温流体Aとして空間3Aに通される。また、加熱すべき空気が低温流体Bとして空間3Bに通される。
【0020】
空間3Aに配置される伝熱促進部材がコルゲートフィンの場合、厚肉化が困難なため、素材がステンレス鋼であると、短期間で使用限界に到達するが、複数本のチューブ4,4・・の場合は厚肉化が容易であり、その厚肉化により、素材がステンレス鋼であっても、高合金からなるコルゲートフィン並に耐用期間を延長することができる。
【0021】
空間3Aに配置される伝熱促進部材の構造材としての性能については、形状的にはコルゲートフィンより劣るが、厚肉によりこれを補うことができる。このため、コルゲートフィンと同等である。伝熱性能については、コルゲートフィンより伝熱面積が減少するが、各チューブ4の内外面を利用でき、低温流体Bが通過する空間3Bには伝熱面積が大きいコルゲートフィン5が残されているので、問題のない程度の性能を確保できる。
【0022】
空間3Bに配置されるコルゲートフィン5は、酸化の懸念が少ないので、薄肉であっても、十分な耐用期間を確保できる。
【0023】
かくして、本実施形態のハイブリッド熱交換器では、高合金のような高級材料を使用せずに、耐用期間の大幅延長が可能になる。従って、経済性に優れる。しかも、プレートフィン型熱交換器の基本構成を踏襲することにより、大型化が回避される。
【0024】
空間3Bに配置される伝熱促進部材の損耗が問題になるような場合は、熱交換性能は多少低下するものの、その伝熱促進部材としてチューブ4,4・・と同様のチューブを使用することは可能である。
【0025】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のハイブリッド熱交換器は、複数枚のチューブプレートを厚み方向に所定間隔で配列して形成された複数段の空間に、複数本のチューブを径方向に並列させて構成されたチューブ列とコルゲートフィンとを交互に配置したことにより、高合金のような高級材料を使用せずとも、耐用期間の大幅延長を可能にする。従って、高い耐久性能を確保しつつ、経済性の悪化を回避できる。しかも、プレートフィン型熱交換器の基本構成を踏襲することにより、大型化を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すハイブリッド熱交換器の斜視図である。
【符号の説明】
1 チューブプレート
2 スペーサバー
3A,3B 流体が通過する空間
4 チューブ
5 コルゲートフィン
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池(SOFC)において排熱回収により空気を予熱する装置に好適に使用されるハイブリッド熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池の一つとして固体電解質型燃料電池(SOFC)がある。発電効率、耐久性に優れたこの燃料電池では、電池モジュールから高温の排ガスが排出されるため、この排ガスの保有熱を利用して、電池モジュールに供給される空気を予熱することなどが行われている。
【0003】
この排熱回収による空気予熱装置には、小型化が要求される。このために、例えばプレートフィン型熱交換器が使用されている。プレートフィン型熱交換器は、チューブプレートと呼ばれる分離板を厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間を複数段に形成すると共に、形成された複数段の空間にコルゲートフィンと呼ばれる伝熱フィンを配置した構造になっている。そして、形成された複数段の偏平な空間に高温媒体と低温媒体を交互に流通させることにより、両者間で熱交換を行わせる。
【0004】
空間に配置されたコルゲートフィンは、表面積の増大により熱伝導性を高めると共に、熱交換器の剛性確保に寄与する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
固体電解質型燃料電池(SOFC)で排出される高温排ガスは1000℃程度の酸化性ガスである。このため、この排熱回収に使用されるプレートフィン型熱交換器には、高い耐酸化性が要求され、耐酸化性に優れたステンレス鋼系の材料が使用されている。
【0006】
しかしながら、コルゲートフィンのピッチが小さいために、コルゲートフィンの厚さを0.3mm程度以上に厚くすることが困難である。その結果、高温媒体が流通する空間でコルゲートフィンが短期間に酸化され、使用限界に至る。
【0007】
高温媒体が流通する空間に配置されるコルゲートフィンの材質を、ステンレス鋼より耐酸化性に優れた高合金に変更すれば、耐用期間の大幅延長が可能である。しかしながら、そのような高級材料は非常に高価であり、入手性も良好とはいえない。
【0008】
本発明の目的は、高合金のような高級材料を使用せずに、しかも大型化を回避しつつ耐用期間の大幅延長を可能にするハイブリッド熱交換器を提供することにある。
【0009】
上記目的を達成するために、本発明のハイブリッド熱交換器は、複数枚のチューブプレートを厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間を複数段に形成すると共に、形成された複数段の空間に、複数本のチューブを径方向に並列させて構成されたチューブ列とコルゲートフィンとを交互に配置したものである。
【0010】
そして、チューブ列が配置された空間内に高温流体を流通させ、プレートフィンが配置された空間内に低温流体を流通させることことにより、高合金のような高級材料を使用せずに、しかも大型化を回避しつつ耐用期間の大幅延長が可能になる。
【0011】
すなわち、径方向に並列された複数本のチューブは、コルゲートフィンと同様に、流体が流通する偏平な空間に配置されて、その空間の圧壊を阻止し、構造材として機能することにより、熱交換器の機械的強度を確保する。また、複数本のチューブの内外を流体が流通することにより、空間内の表面積を増大させ、伝熱性能を向上させる。その一方、コルゲートフィンと異なり厚肉化が容易で、汎用の厚肉チューブも多品種市販されており、この厚肉チューブの使用により、比較的低級な材料の場合も耐用期間を大幅に延長することができる。
【0012】
チューブ列が配置される空間の高さをHとすると、チューブ径DはほぼHである。チューブの肉厚Tは0.5〜1.5mmが好ましい。この肉厚が薄すぎる場合は耐用期間の延長が困難である。厚すぎる場合は重量増加の問題が生じる。チューブの配列ピッチPは最小で接触状態の1.0×Dであり、1.0×D〜2.0×Dが好ましい。このピッチが大きすぎる場合は2次伝面が不足し、熱交換器の体積が増加する。
【0013】
本発明のハイブリッド熱交換器は、固体電解質型燃料電池において排熱回収により空気を予熱する装置に特に好適である。熱交換器の構成材料としてはステンレス鋼や高ニッケル鋼等が耐酸化性と経済性の両立の点から好ましい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示すハイブリッド熱交換器の斜視図である。
【0015】
本実施形態のハイブリッド熱交換器は、板厚方向に所定の間隔で配列された複数枚のチューブプレート1,1・・と、隣接するチューブプレート1,1の間に流体が流通する偏平な空間を形成するために、この間の両側部に配置されたスペーサバー2,2とを備えている。
【0016】
前記空間は、ここでは高温流体Aが流通する偏平な空間3Aと、低温流体Bが流通する偏平な空間3Bとが、交互に且つ流通方向を変えて積層された構成(直交流型式)になっており、空間3Aには複数本のチューブ4,4・・が、空間3Bにはコルゲートフィン5が、構造材を兼ねる伝熱促進部材として配置されている。
【0017】
チューブプレート1,1・・、スペーサバー2,2、チューブ4,4・・及びコルゲートフィン5は、いずれもステンレス鋼からなり、ろう付けにより接合一体化されている。伝熱促進部材であるチューブ4,4・・及びコルゲートフィン5は、当該部材を挟むチューブプレート1,1と伝熱可能に接触している。
【0018】
伝熱促進部材のうち、空間3Aに配置された複数本のチューブ4,4・・は例えば1mm厚程度の厚肉材であり、当該部材を挟むチューブプレート1,1に沿い、且つ隣接するチューブ4,4間に若干の隙間をあけて、管径方向に並列している。一方、コルゲートフィン5は0.1〜0.3mm程度の薄肉材である。波形プレートであるコルゲートフィン5の具体的な形状は特に問わず、プレーンタイプのほか、パーフォレイトタイプ、ルーバータイプ、セレートタイプなどでもよい。
【0019】
このような構成のハイブリッド熱交換器を、固体電解質型燃料電池における排熱利用の空気予熱装置に使用した場合、高温で酸化性の排ガスが高温流体Aとして空間3Aに通される。また、加熱すべき空気が低温流体Bとして空間3Bに通される。
【0020】
空間3Aに配置される伝熱促進部材がコルゲートフィンの場合、厚肉化が困難なため、素材がステンレス鋼であると、短期間で使用限界に到達するが、複数本のチューブ4,4・・の場合は厚肉化が容易であり、その厚肉化により、素材がステンレス鋼であっても、高合金からなるコルゲートフィン並に耐用期間を延長することができる。
【0021】
空間3Aに配置される伝熱促進部材の構造材としての性能については、形状的にはコルゲートフィンより劣るが、厚肉によりこれを補うことができる。このため、コルゲートフィンと同等である。伝熱性能については、コルゲートフィンより伝熱面積が減少するが、各チューブ4の内外面を利用でき、低温流体Bが通過する空間3Bには伝熱面積が大きいコルゲートフィン5が残されているので、問題のない程度の性能を確保できる。
【0022】
空間3Bに配置されるコルゲートフィン5は、酸化の懸念が少ないので、薄肉であっても、十分な耐用期間を確保できる。
【0023】
かくして、本実施形態のハイブリッド熱交換器では、高合金のような高級材料を使用せずに、耐用期間の大幅延長が可能になる。従って、経済性に優れる。しかも、プレートフィン型熱交換器の基本構成を踏襲することにより、大型化が回避される。
【0024】
空間3Bに配置される伝熱促進部材の損耗が問題になるような場合は、熱交換性能は多少低下するものの、その伝熱促進部材としてチューブ4,4・・と同様のチューブを使用することは可能である。
【0025】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明のハイブリッド熱交換器は、複数枚のチューブプレートを厚み方向に所定間隔で配列して形成された複数段の空間に、複数本のチューブを径方向に並列させて構成されたチューブ列とコルゲートフィンとを交互に配置したことにより、高合金のような高級材料を使用せずとも、耐用期間の大幅延長を可能にする。従って、高い耐久性能を確保しつつ、経済性の悪化を回避できる。しかも、プレートフィン型熱交換器の基本構成を踏襲することにより、大型化を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すハイブリッド熱交換器の斜視図である。
【符号の説明】
1 チューブプレート
2 スペーサバー
3A,3B 流体が通過する空間
4 チューブ
5 コルゲートフィン
Claims (3)
- 複数枚のチューブプレートを厚み方向に所定間隔で配列して、流体が通過する偏平な空間を複数段に形成すると共に、形成された複数段の空間に、複数本のチューブを径方向に並列させて構成されたチューブ列とコルゲートフィンとを交互に配置したことを特徴とするハイブリット熱交換器。
- チューブ列が配置された空間内に高温流体を流通させ、コルゲートフィンが配置された空間内に低温流体を流通させることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド熱交換器。
- 固体電解質型燃料電池において排熱回収により空気を予熱する装置であることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド熱交換器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002201164A JP2004044870A (ja) | 2002-07-10 | 2002-07-10 | ハイブリッド熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002201164A JP2004044870A (ja) | 2002-07-10 | 2002-07-10 | ハイブリッド熱交換器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004044870A true JP2004044870A (ja) | 2004-02-12 |
Family
ID=31707780
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002201164A Pending JP2004044870A (ja) | 2002-07-10 | 2002-07-10 | ハイブリッド熱交換器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004044870A (ja) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100774572B1 (ko) | 2006-11-06 | 2007-11-09 | 한국에너지기술연구원 | 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기 |
JP2011503500A (ja) * | 2007-11-12 | 2011-01-27 | ベール ゲーエムベーハー ウント コー カーゲー | 自動車用の排ガス冷却器 |
KR101266917B1 (ko) | 2011-12-13 | 2013-05-27 | 주식회사 코렌스 | 웨이브핀을 이용한 과열증기발생장치 |
KR101266916B1 (ko) | 2011-12-13 | 2013-05-29 | 주식회사 코렌스 | 폐열회수를 이용한 과열증기발생장치 |
JP2016071961A (ja) * | 2014-09-26 | 2016-05-09 | Toto株式会社 | 固体酸化物形燃料電池装置 |
CN106500126A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-15 | 洛阳明远石化技术有限公司 | 内置式空气预热器和具有其的co锅炉 |
CN109786785A (zh) * | 2019-01-04 | 2019-05-21 | 潮州三环(集团)股份有限公司 | 一种平板式固体氧化物燃料电池电堆 |
CN113865261A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-12-31 | 凯珀瑞润滑科技(东台)有限公司 | 一种润滑油自动化生产用高效冷却设备 |
-
2002
- 2002-07-10 JP JP2002201164A patent/JP2004044870A/ja active Pending
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100774572B1 (ko) | 2006-11-06 | 2007-11-09 | 한국에너지기술연구원 | 고체산화물 연료전지 발전시스템용 열교환기 |
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US8794300B2 (en) | 2007-11-12 | 2014-08-05 | Behr Gmbh & Co. Kg | Exhaust gas cooler for a motor vehicle |
KR101266917B1 (ko) | 2011-12-13 | 2013-05-27 | 주식회사 코렌스 | 웨이브핀을 이용한 과열증기발생장치 |
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WO2013089315A1 (ko) * | 2011-12-13 | 2013-06-20 | 주식회사 코렌스 | 웨이브핀을 이용한 과열증기발생장치 |
WO2013089314A1 (ko) * | 2011-12-13 | 2013-06-20 | 주식회사 코렌스 | 폐열회수를 이용한 과열증기발생장치 |
US9631539B2 (en) | 2011-12-13 | 2017-04-25 | Korens Co., Ltd. | Apparatus for generating superheated vapor using wave fin |
JP2016071961A (ja) * | 2014-09-26 | 2016-05-09 | Toto株式会社 | 固体酸化物形燃料電池装置 |
CN106500126A (zh) * | 2016-12-07 | 2017-03-15 | 洛阳明远石化技术有限公司 | 内置式空气预热器和具有其的co锅炉 |
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A02 | Decision of refusal |
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