JP2005049066A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 第３流体によって、第１流体と第２流体とを同時に冷却または加熱する熱交換器において、第１流体の熱交換量と第２流体の熱交換量とがアンバランスであっても、何れか一方が過冷却または過加熱になることがない熱交換器の提供。
【解決手段】 第１コア３を構成する複数の第１チューブ２と、第２コア６を構成する複数の第２チューブ５とが並列され、それらの外周にケーシング８が被蔽される。そしてケーシング８の一端から他端に第３流体７が流通し、各第１チューブ２内に第１流体１が、第２チューブ５内に第２流体４が流通する。そしてそれらの流通方向が同一方向とされ、第３流体７は第１チューブ２と第２チューブ５の外周を同時に流通すると共に、その中間において互いに攪拌混合される。そのため、一方の流体が過冷却または過加熱されることがない。
【選択図】 図１
【解決手段】 第１コア３を構成する複数の第１チューブ２と、第２コア６を構成する複数の第２チューブ５とが並列され、それらの外周にケーシング８が被蔽される。そしてケーシング８の一端から他端に第３流体７が流通し、各第１チューブ２内に第１流体１が、第２チューブ５内に第２流体４が流通する。そしてそれらの流通方向が同一方向とされ、第３流体７は第１チューブ２と第２チューブ５の外周を同時に流通すると共に、その中間において互いに攪拌混合される。そのため、一方の流体が過冷却または過加熱されることがない。
【選択図】 図１
Description
本発明は、２つの被冷却流体または被加熱流体を第３の流体で冷却または加熱する熱交換器であって、２つの流体の熱交換量がアンバランスの場合でも、一方を過冷却または過加熱することのないものに関する。
ケーシング内にチャージエア用コアとオイルクーラ用コアとエンジン冷却用コアとを並列し、ケーシング内に冷却水を流通して、各コア内のチャージエアとオイルとエンジン冷却水とを同時に冷却する船舶用熱交換器が知られている。これは海水を冷却水とし、その入口側のチャージエア用コアを通過した冷却水が、次いでオイルクーラ用コアを通過し、最後にエンジン冷却用コアを流通し、各被冷却用流体と熱交換して、ケーシングの出口側から流出するものである。
この場合、通常入口側に存在するチャージエアと冷却水との間の熱交換が最も促進され、次いでオイル、エンジン冷却水の順に熱交換が促進される。
また、細長いケーシング内に夫々細長い３つのコアを並列させ、各コアに夫々別個の流体を流通させると共に、各コアの長手方向に冷却水を同時に流通させることも可能である。この場合、通常、冷却水の流通方向と各被冷却用流体の流通方向とは互いに対向する対向流とされる。これは、対向流にすると熱交換が促進されるからである。
実開昭６３−１８５７９９号公報
また、細長いケーシング内に夫々細長い３つのコアを並列させ、各コアに夫々別個の流体を流通させると共に、各コアの長手方向に冷却水を同時に流通させることも可能である。この場合、通常、冷却水の流通方向と各被冷却用流体の流通方向とは互いに対向する対向流とされる。これは、対向流にすると熱交換が促進されるからである。
冷却水が各コアの幅方向に流通する場合、その下流端に位置するコアの熱交換を充分行うとき、上流側の熱交換器コアは過冷却となりがちである。なお、第３の流体が加熱流体で各コア内の流体を加温する場合には、上流側のコア内の流体が過加熱となりがちである。
次に、コアを並列しコアの長手方向に第３の流体である冷却水を流通する場合、第１および第２の流体の熱交換量にアンバランスが生じると、一方が過冷却になる。また、第３の熱交換流体によって第１および第２の流体を加熱する場合には、一方の流体が過加熱ととなる。
そこで本発明は、２つの流体の熱交換量がアンバランスであっても、過冷却や過加熱にならないものを提供することを目的とする。
次に、コアを並列しコアの長手方向に第３の流体である冷却水を流通する場合、第１および第２の流体の熱交換量にアンバランスが生じると、一方が過冷却になる。また、第３の熱交換流体によって第１および第２の流体を加熱する場合には、一方の流体が過加熱ととなる。
そこで本発明は、２つの流体の熱交換量がアンバランスであっても、過冷却や過加熱にならないものを提供することを目的とする。
請求項１に記載の本発明は、内部に第１流体(1) が流通する複数の第１チューブ(2) からなる第１コア(3) と、
内部に第２流体(4) が流通する複数の第２チューブ(5) からなる第２コア(6) と、
それら第１コア(3) および第２コア(6) が並列され、両コア(3) (6) の外周を被蔽して、その一端部から他端部に第３流体(7) が流通するケーシング(8) と、を具備し、
前記第１チューブ(2) と第２チューブ(5) とが並列されると共に、第１流体(1) と第２流体(4) と第３流体(7) が夫々同一方向に流通し、第１流体(1) と第３流体(7) との間および第２流体(4) と第３流体(7) との間に夫々熱交換が行われ且つ、その第３流体(7) は第１チューブ(2) の外周を流通すると共に、第２チューブ(5) の外周を流通して、それら各部を流通した第３流体(7) がケーシング(8) 内の途中で互いに混合されつつ流通する熱交換器である。
内部に第２流体(4) が流通する複数の第２チューブ(5) からなる第２コア(6) と、
それら第１コア(3) および第２コア(6) が並列され、両コア(3) (6) の外周を被蔽して、その一端部から他端部に第３流体(7) が流通するケーシング(8) と、を具備し、
前記第１チューブ(2) と第２チューブ(5) とが並列されると共に、第１流体(1) と第２流体(4) と第３流体(7) が夫々同一方向に流通し、第１流体(1) と第３流体(7) との間および第２流体(4) と第３流体(7) との間に夫々熱交換が行われ且つ、その第３流体(7) は第１チューブ(2) の外周を流通すると共に、第２チューブ(5) の外周を流通して、それら各部を流通した第３流体(7) がケーシング(8) 内の途中で互いに混合されつつ流通する熱交換器である。
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記ケーシング(8) が筒状に形成されると共に、そのケーシング(8) の両端が一対のチューブプレート(9) で閉塞され、夫々のチューブプレート(9) には第１タンク本体(10)と第２タンク本体(11)とが並列して接合されて、一対づつの第１タンク(12)と第２タンク(13)とが形成され、
一対の第１タンク(12)に複数の第１チューブ(2) の両端が連通されると共に、一対の第２タンク(13)に複数の第２チューブ(5) の両端が連通し、ケーシング(8) の両端部に第３流体(7) の一対の出入口(14)が形成された熱交換器である。
前記ケーシング(8) が筒状に形成されると共に、そのケーシング(8) の両端が一対のチューブプレート(9) で閉塞され、夫々のチューブプレート(9) には第１タンク本体(10)と第２タンク本体(11)とが並列して接合されて、一対づつの第１タンク(12)と第２タンク(13)とが形成され、
一対の第１タンク(12)に複数の第１チューブ(2) の両端が連通されると共に、一対の第２タンク(13)に複数の第２チューブ(5) の両端が連通し、ケーシング(8) の両端部に第３流体(7) の一対の出入口(14)が形成された熱交換器である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
前記第１コア(3) と第２コア(6) とがケーシング８の幅方向に並列され、ケーシング(8) の長手方向両端部に外面側に膨出する一対の環状膨出部(15)が形成され、その両環状膨出部(15)の対角位置に一対の出入口(14)が配置された熱交換器である。
前記第１コア(3) と第２コア(6) とがケーシング８の幅方向に並列され、ケーシング(8) の長手方向両端部に外面側に膨出する一対の環状膨出部(15)が形成され、その両環状膨出部(15)の対角位置に一対の出入口(14)が配置された熱交換器である。
請求項１に記載の本発明は、夫々複数の第１チューブ２と第２チューブ５とが並列されると共に、それらの外周にケーシング８が被蔽され、第１チューブ２内を流通する第１流体１と、第２チューブ５内を流通する第２流体４と、ケーシング８内を流通する第３流体７とが夫々同一方向に流通し、第１流体１と第３流体７との間および、第２流体４と第３流体７との間に夫々熱交換が行われる。そして第３流体７は、第１チューブ２の外周を流通すると共に第２チューブ５の外周を流通して、それら各部を流通しつつ第３流体７がケーシング８内の途中で互いに混合されるように構成されたものである。
そのため、第１流体１および第２流体４は第３流体７によって熱交換され、それらが各チューブ内を流通する間に次第に同一温度に近づくことになる。即ち、第３流体７はケーシング８内で互いに混合されつつ、第１チューブ２および第２チューブ５に沿ってその下流側に流通するから、第３流体７との温度差が大きい流体ほど熱交換が促進され、第１流体１と第２流体４とはその下流端側に至る間に次第に温度差がなくなるものとなる。そのため、各コアの熱交換量にアンバランスがあっても、一方の流体が過冷却または過加熱になることがない。
そのため、第１流体１および第２流体４は第３流体７によって熱交換され、それらが各チューブ内を流通する間に次第に同一温度に近づくことになる。即ち、第３流体７はケーシング８内で互いに混合されつつ、第１チューブ２および第２チューブ５に沿ってその下流側に流通するから、第３流体７との温度差が大きい流体ほど熱交換が促進され、第１流体１と第２流体４とはその下流端側に至る間に次第に温度差がなくなるものとなる。そのため、各コアの熱交換量にアンバランスがあっても、一方の流体が過冷却または過加熱になることがない。
請求項２に記載の本発明は、上記構成においてケーシング８の両端が一対のチューブプレート９で閉塞され、夫々のチューブプレート９に一対づつの第１タンク本体10および第２タンク本体11が並列して接合されて、一対づつの第１タンク12と第２タンク13が形成される。そして第１チューブ２の両端が一対の第１タンク12に、第２チューブ５の両端が一対の第２タンク13に連通され、第３流体７の一対の出入口14がケーシング８の両端部に設けられたものである。
従って、構造が簡単で第１流体１と第２流体４を第３流体７によって同時に冷却することができる熱交換器を提供できる。
従って、構造が簡単で第１流体１と第２流体４を第３流体７によって同時に冷却することができる熱交換器を提供できる。
請求項３に記載の本発明は、上記構成において第１コア３と第２コア６とがケーシング８の幅方向に並列され、ケーシング８の長手方向両端部に外面側に膨出する一対の環状膨出部15が形成され、その両環状膨出部15の対角位置に一対の出入口14が配置されたものである。
このように構成することにより、第３流体７が第１チューブ２および第２チューブ５の外周を均等に流通すると共に、その流通の間に円滑に攪拌される。それにより、第１流体１の出口温度および第２流体４の出口温度を可及的に近づけることができる。
このように構成することにより、第３流体７が第１チューブ２および第２チューブ５の外周を均等に流通すると共に、その流通の間に円滑に攪拌される。それにより、第１流体１の出口温度および第２流体４の出口温度を可及的に近づけることができる。
次に、図面に基づいて本発明の各実施の形態につき説明する。
図１は燃料電池用熱交換器として、或いは自動車用のオイルクーラとインタークーラを兼ねる熱交換器、その他として利用できるものであり、その熱交換器の平面図である。図２は図１のII−II矢視断面図、図３は図１の III− III矢視断面図である。また、図４は同熱交換器の分解斜視図である。
この熱交換器は、図４に示す如く複数の偏平な第１チューブ２によって構成された第１コア３と、同様に複数の偏平な第２チューブ５によって構成された第２コア６とが平面方向に並列され、夫々の第１チューブ２，第２チューブ５の両端が一対のチューブプレート９のチューブ挿通孔28に挿通され、その挿通部が液密にろう付けまたは溶接固定される。そして第１コア３および第２コア６の外周にケーシング８が被蔽される。
図１は燃料電池用熱交換器として、或いは自動車用のオイルクーラとインタークーラを兼ねる熱交換器、その他として利用できるものであり、その熱交換器の平面図である。図２は図１のII−II矢視断面図、図３は図１の III− III矢視断面図である。また、図４は同熱交換器の分解斜視図である。
この熱交換器は、図４に示す如く複数の偏平な第１チューブ２によって構成された第１コア３と、同様に複数の偏平な第２チューブ５によって構成された第２コア６とが平面方向に並列され、夫々の第１チューブ２，第２チューブ５の両端が一対のチューブプレート９のチューブ挿通孔28に挿通され、その挿通部が液密にろう付けまたは溶接固定される。そして第１コア３および第２コア６の外周にケーシング８が被蔽される。
ケーシング８は、その長手方向両端に環状膨出部15が形成されている。その環状膨出部15の開口は、チューブプレート９の外周に整合する。そして、そのチューブプレート９の外周と環状膨出部15との間が液密に溶接またはろう付け固定される。さらに、チューブプレート９の平面には一対の第１タンク本体10，第２タンク本体11が溶接等の手段により接合されて熱交換器を完成する。
なお、第１タンク本体10および第２タンク本体11には夫々入口側のパイプと出口側のパイプとが接合され、そこに第１流体入口16，第１流体出口17，第２流体入口18，第２流体出口19が形成される。
また、ケーシング８の一対の環状膨出部15にはその対角位置に一対の出入口パイプが取付けられ、そこに出入口14が形成される。
なお、この例では第１チューブ２および第２チューブ５の内部に図３の如くインナーフィン20が挿入され、そのインナーフィン20と第１チューブ２，第２チューブ５との間がろう付け固定されている。
なお、第１タンク本体10および第２タンク本体11には夫々入口側のパイプと出口側のパイプとが接合され、そこに第１流体入口16，第１流体出口17，第２流体入口18，第２流体出口19が形成される。
また、ケーシング８の一対の環状膨出部15にはその対角位置に一対の出入口パイプが取付けられ、そこに出入口14が形成される。
なお、この例では第１チューブ２および第２チューブ５の内部に図３の如くインナーフィン20が挿入され、そのインナーフィン20と第１チューブ２，第２チューブ５との間がろう付け固定されている。
このように組立てられた熱交換器は、図１の如く使用される。
一例として、燃料電池の水素ガスおよび空気を同時に冷却し、それらを燃料電池のアノードおよびカソードに供給する場合には、この例では第３流体７が冷却水として図１のケーシング８の右下の出入口14から流入し、各第１コア３，第２コア６の夫々の第１チューブ２，第２チューブ５の外周を流通してケーシング８の左上の出入口14からそれが流出する。そして、第１コア３には第１流体１として空気が右側の第１タンク本体10の第１流体入口16から流入し、各第１チューブ２内を流通して、左側の第１タンク本体10の第１流体出口17から流出する。また、第２流体４として水素ガスが右側の第２タンク本体11の第２流体入口18から流入し、各第２チューブ５内を流通して、左側の第２タンク本体11の第２流体出口19からそれが流出する。それらの３つの流体の流通方向は同一方向であり、この例では何れも右から左に流通する。
一例として、燃料電池の水素ガスおよび空気を同時に冷却し、それらを燃料電池のアノードおよびカソードに供給する場合には、この例では第３流体７が冷却水として図１のケーシング８の右下の出入口14から流入し、各第１コア３，第２コア６の夫々の第１チューブ２，第２チューブ５の外周を流通してケーシング８の左上の出入口14からそれが流出する。そして、第１コア３には第１流体１として空気が右側の第１タンク本体10の第１流体入口16から流入し、各第１チューブ２内を流通して、左側の第１タンク本体10の第１流体出口17から流出する。また、第２流体４として水素ガスが右側の第２タンク本体11の第２流体入口18から流入し、各第２チューブ５内を流通して、左側の第２タンク本体11の第２流体出口19からそれが流出する。それらの３つの流体の流通方向は同一方向であり、この例では何れも右から左に流通する。
そして第３流体７としての冷却水と、第２流体４としての水素との間、およびこの冷却水と第１流体１としての空気との間に夫々熱交換が行われる。このとき、冷却水は第２チューブ５および第１チューブ２の各部を上流側から下流側に移動しつつ夫々混合攪拌される。そして各流体が上流側から下流側に流通するに従って、次第に３つの流体は同一温度に近づく。即ち、第３流体７の温度と第１流体１の温度と第２流体４の温度とが、熱交換と第３流体７の攪拌混合とを通じて同一温度に近づく。
図５は夫々の流体の上流端から下流端における温度変化の模式説明図であり、図６は燃料電池のブロック図である。
この例では、改質器25から流出した水素ガスの温度が９０℃程度であり、ブロア27から供給される空気温度が７０℃程度の場合であり、夫々のガス体を本発明の熱交換器21で６５℃程度に冷却し、燃料電池22のアノードとカソードに夫々供給するものである。
この例では、改質器25から流出した水素ガスの温度が９０℃程度であり、ブロア27から供給される空気温度が７０℃程度の場合であり、夫々のガス体を本発明の熱交換器21で６５℃程度に冷却し、燃料電池22のアノードとカソードに夫々供給するものである。
供給される水素ガスの温度は空気温度より高い。従って、水素ガスの方が冷却水との温度差が高く、熱交換器の上流部において水素ガスとの熱交換量が大きくなる。そして第２流体４の温度は急激に下がると共に、第１流体１の温度はなだらかに下がり、第３流体７の冷却水は中間部から下流に向かうに従って、各コアのチューブ外周を流通しつつ互いに攪拌混合されて上がる。結果として下流端において第１流体１と第２流体４と第３流体７との温度差が次第に少なくなり、３流体の温度が互いに同一に近づく。このようにして同一の温度に近づいた水素ガスと空気とが、燃料電池22のアノードおよびカソードに供給されることにより、燃料電池22の発電性能を向上させることができる。逆にいえば、水素温度と空気温度との間に大きな温度差が存在すると、発電性能が低下する。
図６において空気および水素ガスを冷却した冷却水は温められ、熱交換器21の下流端から流出し、次いで冷却器および加湿器を介して凝縮器・熱交換器24から冷却水タンク23に導かれる。なお、改質器25には冷却水タンク23から水が供給され水蒸気となって改質器25の改質部に供給される。また、改質部には都市ガスが脱硫器を介して供給される。改質部を通過した改質ガスは、ＣＯ除去部において空気が供給され、ＣＯが除去されて水素リッチな改質ガスとして熱交換器21に供給される。
このように本発明は、図１において第１流体１と第２流体４と第３流体７との流通方向に特徴があると共に、第１コア３と第２コア６とがケーシング８内に並列され、第３流体７がそれらの第１チューブ２，第２チューブ５を同時に流通して攪拌されるものである。このようにすることにより、第１コア３，第２コア６の熱交換量にアンバランスがあっても、一方の流体のみが過冷却または過加熱されることがない。
このように本発明は、図１において第１流体１と第２流体４と第３流体７との流通方向に特徴があると共に、第１コア３と第２コア６とがケーシング８内に並列され、第３流体７がそれらの第１チューブ２，第２チューブ５を同時に流通して攪拌されるものである。このようにすることにより、第１コア３，第２コア６の熱交換量にアンバランスがあっても、一方の流体のみが過冷却または過加熱されることがない。
上記の例では、燃料電池に供給される水素ガスと空気とを同時に冷却水によって冷却したが、本発明の熱交換器は他の用途にも利用できる。例えば、自動車用オイルクーラとインタークーラとを兼ねた熱交換器として用いることができる。その場合、第３流体７が冷却水であり、第１流体１と第２流体４の一方がオイルであり他方がチャージエアである。 次に、第３流体７として温水や蒸気等を用い、第１流体１，第２流体４を加熱する熱交換器として利用することもできる。
１ 第１流体
２ 第１チューブ
３ 第１コア
４ 第２流体
５ 第２チューブ
６ 第２コア
７ 第３流体
８ ケーシング
９ チューブプレート
10 第１タンク本体
２ 第１チューブ
３ 第１コア
４ 第２流体
５ 第２チューブ
６ 第２コア
７ 第３流体
８ ケーシング
９ チューブプレート
10 第１タンク本体
11 第２タンク本体
12 第１タンク
13 第２タンク
14 出入口
15 環状膨出部
16 第１流体入口
17 第１流体出口
18 第２流体入口
19 第２流体出口
20 インナーフィン
12 第１タンク
13 第２タンク
14 出入口
15 環状膨出部
16 第１流体入口
17 第１流体出口
18 第２流体入口
19 第２流体出口
20 インナーフィン
21 熱交換器
22 燃料電池
23 冷却水タンク
24 凝縮器・熱交換器
25 改質器
26 ポンプ
27 ブロア
28 チューブ挿通孔
22 燃料電池
23 冷却水タンク
24 凝縮器・熱交換器
25 改質器
26 ポンプ
27 ブロア
28 チューブ挿通孔
Claims (3)
- 内部に第１流体(1) が流通する複数の第１チューブ(2) からなる第１コア(3) と、
内部に第２流体(4) が流通する複数の第２チューブ(5) からなる第２コア(6) と、
それら第１コア(3) および第２コア(6) が並列され、両コア(3) (6) の外周を被蔽して、その一端部から他端部に第３流体(7) が流通するケーシング(8) と、を具備し、
前記第１チューブ(2) と第２チューブ(5) とが並列されると共に、第１流体(1) と第２流体(4) と第３流体(7) が夫々同一方向に流通し、第１流体(1) と第３流体(7) との間および第２流体(4) と第３流体(7) との間に夫々熱交換が行われ且つ、その第３流体(7) は第１チューブ(2) の外周を流通すると共に、第２チューブ(5) の外周を流通して、それら各部を流通した第３流体(7) がケーシング(8) 内の途中で互いに混合されつつ流通する熱交換器。 - 請求項１において、
前記ケーシング(8) が筒状に形成されると共に、そのケーシング(8) の両端が一対のチューブプレート(9) で閉塞され、夫々のチューブプレート(9) には第１タンク本体(10)と第２タンク本体(11)とが並列して接合されて、一対づつの第１タンク(12)と第２タンク(13)とが形成され、
一対の第１タンク(12)に複数の第１チューブ(2) の両端が連通されると共に、一対の第２タンク(13)に複数の第２チューブ(5) の両端が連通し、ケーシング(8) の両端部に第３流体(7) の一対の出入口(14)が形成された熱交換器。 - 請求項１または請求項２において、
前記第１コア(3) と第２コア(6) とがケーシング８の幅方向に並列され、ケーシング(8) の長手方向両端部に外面側に膨出する一対の環状膨出部(15)が形成され、その両環状膨出部(15)の対角位置に一対の出入口(14)が配置された熱交換器。
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|---|---|---|---|
| JP2003283673A JP4395342B2 (ja) | 2003-07-31 | 2003-07-31 | 燃料電池用熱交換器 |
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| JP2003283673A JP4395342B2 (ja) | 2003-07-31 | 2003-07-31 | 燃料電池用熱交換器 |
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|---|---|
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