JP2004293997A

JP2004293997A - 積層型熱交換器

Info

Publication number: JP2004293997A
Application number: JP2003089544A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Isoda; 勝弘磯田; Tsugio Suzuki; 次男鈴木; Susumu Aikawa; 進相川; Masahiro Kuroishi; 正宏黒石
Original assignee: Toto Ltd; Tennex Corp
Current assignee: Toto Ltd; Mahle Filter Systems Japan Corp
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】各段の被加熱流体流通部に熱歪みが発生した場合でも破損することのない積層型熱交換器を提供する。
【解決手段】積層型熱交換器１は、被加熱流体３を流通させる被加熱流体流通部６と、被加熱流体３を加熱する加熱流体７を流通させる加熱流体流通部８と、が交互に配置されている。被加熱流体流通部６は、周壁２１〜２４と、被加熱流体３を導く複数の仕切部２５〜２９と、を一体に形成した一対のプレート３１，３２の周壁部と仕切部の先端部を突き合わせて接合することにより構成されている。加熱流体流通部８は、隣接する被加熱流体流通部６のプレート３１，３２に一体に形成した多数のエンボス状の突起４６を突き合わせて隣接する被加熱流体流通部間に所定の隙間を設定すると共に、隣接する被加熱流体流通部のプレート３１，３２を連通部１１〜１５において部分的に結合することにより構成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池やアルコール改質ガスエンジンの改質器等に使用される積層型熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの排気熱を利用し液体アルコールを、水素を主成分とするガスに改質する熱交換器として、金属外枠内に触媒を含浸させた多孔金属体を収納して改質部を形成したアルコール通路ユニットと、伝熱フィンの両端部をガイドバーで挟持しこれらの両面に金属製隔板を設けた高温ガスユニットと、を交互に重合して連結し、アルコール通路ユニット間を連通させて流通路を形成したアルコール改質器が知られている。
【０００３】
前記アルコール通路ユニットの各段は、高温ガスユニットを構成するガイドバーと伝熱フィンとによりロー付された状態で一体的に結合されている。（例えば特許文献１）
【０００４】
【特許文献１】
特公平２−４４７６２号公報（特許請求の範囲、第２頁右欄第５〜２７行、第３頁左欄第２〜１８行、第２図Ａ、第２図Ｂ）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記改質器には次に述べるような課題があった。
（１）各段のアルコール通路ユニットは、高温ガスユニットを構成する伝熱フィンやガイドバー等で一体的に結合された状態になっているために、各段のアルコール通路ユニットの間に大きな温度差が発生すると、各段のアルコール通路ユニットに熱歪みが発生する。熱歪み量が大になると改質器が破損してしまう。
（２）高温ガスユニットは、伝熱フィンの両端部をガイドバーで挟持しこれらの両面に金属製隔板を設けた構成になっているために、多数の部品を必要とし、組立てが煩雑になり、コストも高くなる。
【０００６】
本発明の目的は、各段のアルコール通路ユニットに熱歪みが発生した場合でも簡単に破損することのない改質器を提供することにある。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、部品点数を削減し、組立が容易でコストの安い改質器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、被加熱流体を蛇行通路に沿って流通させる被加熱流体流通部と、前記被加熱流体を加熱し加熱流体を流通させる加熱流体流通部と、を交互に配置するとともに、前記加熱流体流通部を挟んで隣接する被加熱流体流通部相互を連通部を介して連通させた積層型熱交換器において、
前記被加熱流体流通部を、外周壁を構成する周壁部と、前記蛇行通路を構成する複数の仕切部と、を一体に形成した一対のプレートの前記周壁部と仕切部の先端部を突き合わせて結合することにより構成するとともに、
前記加熱流体流通部を、隣接する被加熱流体流通部のうちの少なくとも一方のプレートに一体に形成した複数のエンボス状の突起を他方のプレートに突き合わせて隣接する被加熱流体流通部間に所定の隙間を設定するとともに筒状に突出する突出部を設け、これら加熱流体流通部の突出部のみを結合し、前記突起を当接することにより構成した。
【０００９】
従って、被加熱流体流通部は、隣接する加熱流体流通部よりプレート平場部及びエンボス状の突起を介して加熱されて熱交換が行われるが、加熱流体流通部の突合わされて隣接するエンボス状の突起は、結合されていない（ロー付けされていない）為、被加熱流体流通部各段は、相互に拘束されていない状態となり、過大な熱応力が被加熱流体流通部に及ばない。
【００１０】
また、被加熱流体流通部及び加熱流体流通部は、薄板のプレートにより構成され積層されているので、熱交換器の熱容量が小さく抑えられる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の積層型熱交換器において、
前記被加熱流体流通部の蛇行通路上に、少なくとも蒸発器と、改質器と、を設けることにより、
配管通路長が短縮された圧力損失の少ない熱交換を連続的に行なうことができるようにした。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１の発明は、隣接する被加熱流体流通部のうちの少なくとも一方のプレートに一体に形成した複数のエンボス状の突起を他方のプレートに突き合わせて隣接する被加熱流体流通部間に所定の隙間を設定するとともに筒状に突出する突出部を設け、これら加熱流体流通部の突出部のみを結合し、前記突起を当接することにより前記加熱流体流通部を構成したので、
各段の被加熱流体流通部に熱歪みが発生した場合でもエンボス状の突起の先端部は、他方のプレートに当接しているだけで結合されていないので、エンボス状の突起の先端部は、他方のプレートに対して位置ずれを起こし、前記熱歪みを効果的に吸収して被加熱流体流通部が破損するのを未然に防止する。そして、被加熱流体流通部は、薄板のプレートで構成されているので、積層型熱交換器が安定した性能を発揮するまでのウォーミングアップ時間が短縮される。また、積層型熱交換器の構成、特に、加熱流体流通部の構成を簡素化し、部品点数の削減と組付工数の削減を図ることができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の積層型熱交換器において、
前記被加熱流体流通部の蛇行通路上に、少なくとも蒸発器と、改質器と、を設けたので、
配管継手及び配管を削減することができるので、熱交換器としての圧力損失を小さくすることができる。さらに、連通部の伝熱面積が増加し、熱交換効率も上昇する。従って、積層段数を減らしてコンパクトな積層型熱交換器としたものでも従来品と同等以上の性能を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を具体化し燃料電池の熱交換器に適用した一実施形態について説明する。図１は積層型熱交換器１の一部破断側面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１５】
積層型熱交換器１は、第１の被加熱流体導入口２から導入した被加熱流体３を蛇行通路４を蛇行させながら加熱して第２の被加熱流体導出口５へと導く複数の被加熱流体流通部６と、複数の被加熱流体流通部６内を流通する被加熱流体３を加熱する加熱流体７を流通させる複数の加熱流体流通部８と、を交互に配置するとともに、隣接する被加熱流体流通部６相互を第１〜第５の連通部１１〜１５で連通させることにより構成されている。
【００１６】
第１の被加熱流体導入口２から導入された被加熱流体３は、第１の連通部１１を介して各段の被加熱流体流通路６に導入されるようになっている。第１の連通部１１を介して各段の被加熱流体流通部６に導入された被加熱流体３は、蛇行通路４の途中において、第２の連通部１２において集められて、第１の被加熱流体導出口１６から一旦、外部に排出され、都市ガス等の燃料ガスを混合した状態で第２の被加熱流体導入口１７から再び被加熱流体流通部６に導入され、導入された被加熱流体３は、第３の連通部１３を介して各段の被加熱流体流通部６に導入され、蛇行通路４を蛇行して、第２の被加熱流体導出口５から外部に導出されるようになっている。被加熱流体流通部６は、縦長の偏平な方形の箱型状に作られている。
【００１７】
各段の被加熱流体流通部６は、図３に示すように、一側面側に、外周壁を構成する第１〜第４の周壁部２１〜２４と、蛇行通路４を構成する第１〜第５の仕切部２５〜２９と、を一体に突出形成した略方形状の一対のプレート３１、３２の第１〜第４の周壁部２１〜２４と、第１〜第５の仕切部２５〜２９の先端部を突き合わせて両者をロー付け等により結合することにより構成されている。第１〜第４の周壁部２１〜２４と第１〜第５の仕切部２５〜２９は、略同じ高さに形成されている。
【００１８】
図４に示すように、一対のプレート３１，３２の他側面側には、第１〜第５の連通部１１〜１５を構成する筒状の突出部４１〜４５と、多数のエンボス状の突起４６が一体に突出形成されている。筒状の突出部４１〜４５と、多数のエンボス状の突起４６は、略同じ高さに形成されているとともに、一方のプレート３１の筒状の突出部４１〜４５及びエンボス状の突起４６と、他方のプレート３２の筒状の突出部４１〜４５及びエンボス状の突起４６とは、対称位置に形成されている。
【００１９】
図３に示すように、第１の仕切部２５は、第１の周壁部２１との間で第１の連通部１１を挟むようにして第４の周壁部２４から第３の周壁部２３に向けて伸びる水平方向の仕切部２５ａと該水平方向の仕切部２５ａの先端部から第１の周壁部２１に向かって伸びる垂直方向の仕切部２５ｂとからなっている。垂直方向の仕切部２５ｂの先端部と第１の周壁部２１との間には被加熱流体３が流通する隙間（通路）５１が形成されている。
【００２０】
第２の仕切部２６は、第１の仕切部２５の下方に設けられており、該第１の仕切部２５との間で、第２の連通部１２を挟むようにして第４の周壁部２４から第３の周壁部２３に向かって伸びていて、その先端部が第３の周壁部２３に繋がっていて、蛇行通路４は、塞がれた状態になっている。
【００２１】
第１，第２の仕切部２５，２６及び第１，第３，第４の周壁部２１，２３，２４によって蛇行通路４上に蒸発室５２が形成されている。
【００２２】
第３の仕切部２７は、第２の仕切部２６の下方に設けられており、該第２の仕切部２６との間で、第３の連通部１３を挟むようにして第３の周壁部２３から第４の周壁部２４に向かって伸びていて、その先端部と第４の周壁部２４の間には隙間が設けられている。
【００２３】
第４の仕切部２８は、第３の仕切部２７の下方に設けられており、第２の仕切部２６との間で、第３の仕切部２７を挟むようにして第４の周壁部２４から第３の周壁部２３に向かって伸びていて、その先端部と第３の周壁部２３の間には隙間が設けられている。
【００２４】
そして、第２，第３，第４の仕切部２６，２７，２８及び第３，第４の周壁部２３，２４によって蛇行通路４上に加熱室５３が形成されている。
【００２５】
第５の仕切部２９は、第４の仕切部２８の下方に設けられており、第２の周壁部２２との間で、第４の連通部１４を挟むようにして第３の周壁部２３から第４の周壁部２４に向かって伸びていて、その先端部と第４の周壁部２３の間には隙間が設けられている。隙間の略中央部には、第５の連通部１５が位置している。
【００２６】
そして、第４，第５の仕切部２８，２９及び第２，第３，第４の周壁部２２，２３，２４によって蛇行通路４上に改質室５４が形成されている。改質室５４内には第５の連通部１５に連なるペレット挿入口から改質材としての多数のペレット状触媒５５が充填される。ペレット挿入口は、ペレット状触媒５５を充填した後にペレット状触媒５５が流出するのを防止するキャップ（図示せず）で塞がれる。
【００２７】
第５の連通部１５から改質室５４内に充填されたペレット状触媒５５が加熱室５３側に流出するのを阻止するために、第４の仕切部２８の先端部と第５の仕切部２９との間には第６の仕切部５６が形成されている。
【００２８】
第６の仕切部５６は、第４，第５の仕切部２８，２９等の高さよりも若干低めに形成されていて、一対のプレート３１，３２を突き合わせて被加熱流体流通部６を形成したときに、ペレット状触媒５５の通過は阻止するが、被加熱流体３の流通を許容する隙間（通路）を形成するようになっている。また、第５の仕切部２９と第２の周壁部２２の間には第６の仕切部５６と同様の第７の仕切部５７が形成されていて、改質室５４内に充填されたペレット状触媒５５が第４の連通部１４に流出するのを阻止するようになっている。
【００２９】
蒸発室５２内には、２点鎖線で示すように、蒸発促進用の第１，第２のフィン７１，７２が収容される。加熱室５３内には、加熱促進用の第３，第４のフィン７３，７４が収容される。改質室５４内には、ペレット状触媒５５の他に、これらペレット状触媒５５への熱伝導を促進するための第５，第６のフィン７５，７６が収容され、図５に示すように、ペレット状触媒５５は、第５，第６のフィン７５，７６に充填、保持された状態で改質室５４内に収容されている。これらフィン７１〜７６は、波形や矩形等任意の断面形状のものが使用できる。なお、図３に示すように、一対のプレート３１，３２の第１の連通部１１と第２の連通部１２の間にはスリット７７が形成されていてプレート３１，３２の熱歪みを吸収するようになっている。このスリット７７は、熱歪みが発生するその他の部分、第３の連通部１３と加熱室５３の第３の仕切部２７上、第４の連通部１４と改質室５４の第５の仕切部２９上および第５の連通部１５と改質室５４の第４の仕切部２８上等の任意の位置に形成してもよい。このようにスリットを設けることにより蒸発室と加熱室、加熱室と改質室および蒸発室、加熱室、改質室相互が熱膨張により過大な熱応力が発生したとしても、熱応力を可及的速やかに小さくして、亀裂の発生を防止し、寿命の長い積層型熱交換器を提供できる。
【００３０】
次に、積層型熱交換器１の組立方法の一例について説明する。先ず、一方のプレート３１内に第１〜第６のフィン７１〜７６を位置決めした状態で配置する。第１〜第６のフィン７１〜７６の位置決めは、プレート３１に形成した位置決め突起（図示省略）等により行われる。
【００３１】
そして、被加熱流体流通部６側においては、一方のプレート３１の第１〜第４の周壁部２１〜２４及び第１〜第５の仕切部２５〜２９に、他方のプレート３２の第１〜第４の周壁部２１〜２４及び第１〜第５の仕切部２５〜２９を、ロー材を介在させた状態で突き合わせる。また、加熱流体流通部８側においては、一方のプレート３１のエンボス状の突起４６の先端面に他方のプレート３２のエンボス状の突起４６の先端面を突き合せるのみでロー材は介在させない（ロー付けしない）と共に、第１〜第５の連通部１１〜１５を構成する一方のプレート３１の筒状の突出部４１〜４５の先端のフランジ部４１ａ〜４５ａに、他方のプレート３２の筒状の突出部４１〜４５の先端のフランジ部４１ａ〜４５ａを、ロー材を介在させた状態で重ね合せる。ここで、ロー材は、ロー付け個所に箔やペースト状のものを介在させてもよいし、あるいは、プレート３１，３２に予めロー材が積層されたクラッド材又はメッキ材等を用いてもよい。また、筒状の突出部４１〜４５は、丸型や角型の筒状の突出部とすることができ、突出部の形状は、任意のものを選択することができる。このようにして第１のプレート３１と第２のプレート３２を交互に所定枚数重ね合せたものを加熱炉に入れて加熱すれば、一方のプレート３１の第１〜第４の周壁部２１〜２４及び第１〜第５の仕切部２５〜２９と、他方のプレート３２の第１〜第４の周壁部２１〜２４及び第１〜第５の仕切部２５〜２９と、がロー付けにより結合されると共に、一方のプレート３１の筒状の突出部４１〜４５の先端のフランジ部４１ａ〜４５ａと他方のプレート３２の筒状の突出部４１〜４５の先端のフランジ部４１ａ〜４５ａとがロー付けにより結合されて積層型熱交換器１が形成される。そして、積層型熱交換器１は、図１に示すように、一対の枠体８１，８２により燃料電池システム内に組付けられて使用される。
【００３２】
次に、積層型熱交換器１の作用について説明する。第１の被加熱流体導入口２から水が導入される。導入された水は、第１の連通部１１を介して各段の被加熱流体流通部６の蒸発室５２内に流入する。蒸発室５２に流入した水は、第１のフィン７１で水蒸気に変えられ、第２のフィン７２で更に加熱されて第２の連通部１２及び第１の被加熱流体導出口１６を介して一旦、外部に導き出される。外部に導き出された水蒸気は、都市ガス等と混合されて、第２の被加熱流体導入口１７及び第３の連通部１３を介して各段の被加熱流体流通部６の加熱室５３に流入する。加熱室５３に流入した水蒸気と都市ガスの混合体は、第３，第４のフィン７３，７４で更に加熱されて改質室５４に流入する。改質室５４に流入した水蒸気と都市ガスの混合体は、第５，第６のフィン７５，７６に抱持されている多数のペレット状触媒５５により高温の水素に改質されて第４の連通部１４及び第２の被加熱流体導出口５から発電セル等に供給されるのである。
【００３３】
一方、複数の加熱流体流通部８においては、燃料電池のセル部で発生した高温ガスが加熱流体流通部８の下部側から上部側に向かって多数のエンボス状の突起４６を加熱しながら上昇して流れて、各段の被加熱流体流通部６内を流れる被加熱流体３を効果的に加熱するのである。
【００３４】
なお、前記実施例では、積層型熱交換器１を燃料電池システムに使用した場合を示したが、アルコール改質ガスエンジン等にも使用できる。また、実施例では、被加熱流体流通部６内に蒸発室５２、加熱室５３、改質室５４のこれら３つの室を一体に形成した場合を示したが、加熱室５３を別体とし、被加熱流体流通部６内には蒸発室５２、改質室５４の２つの室を形成してもよく、被加熱流体流通部６内の室（部屋）割りは、積層型熱交換器１の使用目的等に応じて適宜に設定することができる。また、実施例では、一方のプレート３１のエンボス状の突起４６の先端面と、他方のプレート３２のエンボス状の突起４６の先端面と、を突き当てる構成にしたが、エンボス状の突起４６の先端面を突き当てないで、一方のプレート３１のエンボス状の突起４６の先端面を他方のプレート３２のエンボス状の突起４６以外の部分に突き当てる構成にしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】積層型熱交換器の一部破断側面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】被加熱流体流通部の展開図。
【図４】加熱流体流通部の展開図。
【図５】改質室の断面の拡大図。
【符号の説明】
１…積層型熱交換器、２…第１の被加熱流体導入口、３…被加熱流体、４…蛇行通路、５…第２の被加熱流体導出口、６…被加熱流体流通部、７…加熱流体、８…加熱流体流通部、１１〜１５…第１〜第５の連通部、１６…第１の被加熱流体導出口、１７…第２の被加熱流体導入口、２１〜２４…第１〜第４の周壁、２５〜２９…第１〜第５の仕切部、３１，３２…一対のプレート、４１〜４５…筒状の突出部、４１ａ〜４５ａ…フランジ部、４６…エンボス状の突起、５２…蒸発室、５３…加熱室、５４…改質室、５５…ペレット状触媒。

Claims

被加熱流体を蛇行通路に沿って流通させる被加熱流体流通部と、前記被加熱流体を加熱し加熱流体を流通させる加熱流体流通部と、を交互に配置するとともに、前記加熱流体流通部を挟んで隣接する被加熱流体流通部相互を連通部を介して連通させた積層型熱交換器であって、
前記被加熱流体流通部は、外周壁を構成する周壁部と、前記蛇行通路を構成する複数の仕切部と、を一体に形成した一対のプレートの前記周壁部と仕切部の先端部を突き合わせて結合するとともに、
前記加熱流体流通部は、隣接する被加熱流体流通部のうちの少なくとも一方のプレートに一体に形成した複数のエンボス状の突起を他方のプレートに突き合わせて隣接する被加熱流体流通部間に所定の隙間を設定するとともに筒状に突出する突出部を設け、これら加熱流体流通部の突出部のみを結合し、前記突起を当接することにより構成されていることを特徴とする積層型熱交換器。
前記被加熱流体流通部は、少なくとも蒸発器と、改質器と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の積層型熱交換器。