JP2005291672A - 積層型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】積層型熱交換器において、シール材の偏りを防止して、熱交換器コアとシール材との間に余分な隙間が形成されないようにすることで、熱交換性能を向上させる。
【解決手段】積層型熱交換器１において、熱交換器コア５は、第１のチューブシート５２の外側壁に第２のチューブシート５３の内側壁を接合し、第２のチューブシート５３の側壁端にバーリング５５を配設している。この熱交換器コア５を複数積層してなる熱交換器コア群６はケース３に収納され、ケース３内壁と熱交換器コア群６との間には熱交換器コア５のバーリング５５が噛み込むようにシール材８が配設されている。熱交換器コア５をシール材８を介在してケース３内に収納すると、バーリング５５がシール材８に噛み込むため、シール材８の偏りを防止して、熱交換器コア５とシール材８との間に余分な隙間が形成されないようにすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、積層型熱交換器に関し、特に燃料電池車（ＦＣＶ車）の発電システムの排熱回収熱交換器等に使用され、熱交換器コアを複数積層してケース内に収納した積層型熱交換器に関する。

燃料電池車の発電システムにおいては、排熱回収熱交換器として積層型熱交換器が使用されている。この種の積層型熱交換器は、熱交換器コアを複数重ね合わせて、熱交換性能を向上する構造を採用している。従来技術の一つを図９に示す。

図９に示す積層型熱交換器１００は、上側チューブシート１１０と下側チューブシート１１１とを重ね合わせた熱交換器コア１０１と、この熱交換器コア１０１を上下方向に複数重ね合わせた熱交換器コア群１０２と、この熱交換器コア群１０２を収納するケース１０３と、熱交換器コア群１０２の側面周囲とケース１０３の内壁との間に配設されたシール材１０４とを備えて構成されている。熱交換器コア１０１においては、上側チューブシート１１０の外側面と下側チューブシート１１１の内側面とが密着するように接合されている。例えば５００℃〜６００℃の高温に達する熱交換流体を扱う積層型熱交換器１００においては、高温耐性のファイバー樹脂により形成された、弾力性を有するマットレス状のシール材１０４が使用されている。

このように構成される積層型熱交換器１００においては、熱交換器コア１０１の上側チューブシート１１０の外側壁と下側チューブシート１１１の内側壁とを接合し、熱交換器コア１０１の外側面を平坦な形状にすることにより、上下の熱交換器コア１０１の間に生じる隙間Ｓ１を小さくするようにしている。結果的に、この隙間Ｓ１を通じて熱交換流体の一部の流出を抑制することができるので、積層型熱交換器１００の熱交換性能を向上することができる。

なお、図９に示す積層型熱交換器は、本願出願人により先に出願されたものであり、本願出願時に公知文献でないことを補足する（特許文献１参照）。
特願２００３−３８２４１５号

しかしながら、上記の積層型熱交換器１００においては、熱交換器コア１０１の外側面を平坦な形状としたことにより、図１０に示すように、ケース１０３内に熱交換器コア１０１とシール材１０４とを収納する際に、熱交換器コア１０１はシール材１０４を押さえ付けることができない。このため、同図に矢印で示すようにシール材１０４に伸びが生じ、シール材１０４に偏りが生じたままケース１０３内にシール材１０４が収納されることになる。このようなシール材１０４の偏りは、熱交換流体の一部を流出させてしまう隙間を形成してしまい、積層型熱交換器１００の熱交換性能を低下させてしまう可能性があった。

また、ケース１０３内に熱交換器コア１０１及びシール材１０４が収納された状態において、シール材１０４の厚さのばらつきにより、図１１に示すように、熱交換器コア１０１とシール材１０４との間に隙間Ｓ２が、シール材１０４とケース１０３との間に隙間Ｓ３が生じることがあった。このような隙間Ｓ２、Ｓ３は、熱交換流体の一部を流出させてしまい、積層型熱交換器１００の熱交換性能を低下させてしまう可能性があった。

本発明の目的は、シール材の偏りを防止することにより、熱交換器コアとシール材との間に余分な隙間が形成されないようにした積層型熱交換器を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、第１のチューブシートの外側壁に第２のチューブシートの内側壁が接合され、第２のチューブシートの側壁端にバーリングが配設された熱交換器コアと、熱交換器コアを複数積層した熱交換器コア群と、熱交換器コア群を収納するケースと、ケース内壁と熱交換器コア群との間に、熱交換器コアのバーリングが噛み込むように配設されたシール材とを備えたことを特徴とする積層型熱交換器である。

請求項２の発明は、請求項１において、前記バーリングが、第２のチューブシートの側壁端を、第１のチューブシートの外側壁よりも外側に折り曲げて構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記バーリングが、熱交換器コアの側面周囲において、第１のチューブシートと第２のチューブシートとの接合部分に配設されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項において、第１のチューブシートの外側壁と第２のチューブシートの側壁端に配設されたバーリングとの間に接合材溜まりを設け、この接合材溜まりに接合材が充填されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、熱交換器コアの第２のチューブシートの側壁端に配設したバーリングをシール材に噛み込ませることができるため、噛み込ませた状態でケース内に熱交換器コアを収納することにより、ケース内におけるシール材の偏りを防止して、熱交換器コアとシール材との間の隙間をなくすことができる。

請求項２の発明によれば、第２のチューブシートの側壁端を外側に折り曲げた簡易な構造によりバーリングを構成することができる。

請求項３の発明によれば、第１のチューブシートと第２のチューブシートとの接合部分の全域に渡ってバーリングを配設することができるので、シール材の偏りを広い範囲に渡って防止することができる。

請求項４の発明によれば、第１のチューブシートの外側壁と第２のチューブシートの側壁端との間に接合材の充填に充分な接合材溜まりを形成することができ、この接合材溜まりに充分な接合材を充填することができるので、第１のチューブシートと第２のチューブシートとの間の接合性を向上することができる。結果的に、熱交換器コア内からの熱交換流体の接合部を通じた流出を防止することができる。

以下、本発明に係わる積層型熱交換器の実施例を図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１に係る積層型熱交換器１は、図１に示すように、第１のチューブシート５１、５２の外側壁に第２のチューブシート５３、５４の内側壁が接合され、第２のチューブシート５３、５４の側壁端にバーリング５５が配設された熱交換器コア５と、熱交換器コア５を複数積層した熱交換器コア群６と、熱交換器コア群６を収納するケース３と、ケース３内壁と熱交換器コア群６との間に、熱交換器コア５のバーリング５５が噛み込むように配設されたシール材８とを備えて構成されている。この積層型熱交換器１は、例えば燃料電池車の発電システムにおける排熱回収熱交換器として使用することができる。

ケース３は、同図１及び図２に示すように、上面が開口された中空立方体もしくは中空直方体により構成されている。このケース３の内部にシール材８を介在して熱交換器コア群６が収納されるようになっている。ケース３の上面にはプレート（上側プレート）２が配設される。プレート２には、図２に示すように、熱交換流体Ｈ（図３参照）と熱交換を行なう冷却水Ｃを供給する入口パイプ２１と、熱交換後の冷却水Ｃを排出する出口パイプ２２とが配設されている。

熱交換器コア群６の最上層の熱交換器コア５は、図１及び図２に示すように、第１のチューブシート（アッパエンドチューブシート）５１と第２のチューブシート（ロワーチューブシート）５３とを上下重ね合わせて構成されている。熱交換器コア群６の最下層の熱交換器コア５は、第１のチューブシート（アッパチューブシート）５２と第２のチューブシート（ロワーエンドチューブシート）５４とを上下重ね合わせて構成されている。熱交換器コア群６の中層の熱交換器コア５は、第１のチューブシート５２と第２のチューブシート５３とを重ね合わせて構成されている。

第１のチューブシート５１と５２とは基本的には同様の機能を備えているが、第１のチューブシート５１は、プレート２の入口パイプ２１、出口パイプ２２のそれぞれに接続するように、冷却水の供給口、排出口の形状を入口パイプ２１、出口パイプ２２のそれぞれの円形状に一致させている点が第１のチューブシート５２に対して異なっている。第１のチューブシート５２は、図２乃至図４に示すように、熱交換器コア５の全体に冷却水Ｃが供給されるように、冷却水Ｃの供給口、排出口の形状が楕円形状で構成されている。

第２のチューブシート５３と５４とは基本的には同様の機能を有しているが、図１乃至図３に示すように、第２のチューブシート５３は、供給口から供給された冷却水Ｃを下層の熱交換器コア５に供給するために供給口と同じ形状に貫通され、また排水される冷却水Ｃを上層の熱交換器コア５に排出するために排出口と同じ形状に貫通されている点が第２のチューブシート５４に対して異なっている。第２のチューブシート５４は、図２に示すように、上層の熱交換器コア５から供給口を通して供給された冷却水Ｃを、排水口を通して上層の熱交換器コア５に排出し循環させるため、貫通されていない。

ここで、最上層の熱交換器コア５において第１のチューブシート５１と第２のチューブシート５３とを分解した状態、最下層の熱交換器コア５において第１のチューブシート５２と第２のチューブシート５４とを分解した状態を図３に示す。更に、中層の熱交換器コア５において第１のチューブシート５２と第２のチューブシート５３とを分解した状態を図３に示し、その組み立てた状態を図２及び図４に示す。図３においては、熱交換器コア５の供給口から排出口に流れる冷却水Ｃの経路を矢印で示している。

熱交換器コア５の冷却水Ｃの供給口と排出口との間には扁平状の領域が配設されており、この扁平状の領域は上層の熱交換器コア５と下層の熱交換器コア５との間にフィン７を配設する間隙を形成する。燃焼ガスである熱交換流体Ｈは、図３に矢印で示すように、冷却水Ｃの流れる経路に対して直交する方向に流れるようになっている。

シール材８は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、熱交換流体Ｈの流入部分及び流出部分を除き、図１及び図２に示す熱交換器コア群６の側面及び底面を取り囲むように構成されており、ケース３内部においてこのケース３の内壁及び底面と熱交換器コア群６の外側面及び底面との間に配設されるようになっている。シール材８は、実施例１において、例えば５００℃〜６００℃の高温に達する熱交換流体Ｈを扱うので、高温耐性のファイバー樹脂により形成された、弾力性を有するマットレス状のシール材を使用することができる。

実施例１に係る積層型熱交換器１においては、特に図１、図６及び図７に示すように、第２のチューブシート５３、５４の側壁端に配設されたバーリング５５がシール材８に噛み込むようになっている。バーリング５５は、第２のチューブシート５３、５４の側壁端を第１のチューブシート５１、５２の外側壁よりも外側に向かって好ましくは若干円弧を描くように折り曲げて構成されている。特に図６に示すように、バーリング５５は、熱交換器コア群６のすべての熱交換器コア５に配設されているので、熱交換器コア５の積層ピッチ毎に均一にシール材８の内壁に噛み込み、シール材８をケース３の内壁に適度に押し付けることができる。

バーリング５５の配設により、このバーリング５５の内壁と第１のチューブシート５１、５２の外側壁との間には適度な空間の接合材溜まりを形成することができる。そして、この接合材溜まりには、第１のチューブシート５１と第２のチューブシート５３との間、第１のチューブシート５２と第２のチューブシート５３との間、第１のチューブシート５２と第２のチューブシート５４との間のそれぞれを接合する接合材９が充填される。接合材９としては、例えばろう材を使用することができる。

バーリング５５は、熱交換器コア５の側面周囲において、第１のチューブシート５１、５２と第２のチューブシート５３、５４との間の接合部分の全域に、言い換えると、シール材８との当接部分の全域に配設されている。

このように構成される実施例１に係る積層型熱交換器１においては、熱交換器コア５の第２のチューブシート５３、５４の側壁端にバーリング５５を備え、このバーリング５５をシール材８に噛み込ませることができるので、熱交換器コア群６をシール材８を介在させてケース３内に収納する場合に、ケース３内におけるシール材８の偏りを防止することができ、熱交換器コア５とシール材８との間の隙間をなくすことができる。この隙間をなくすことができる結果、積層型熱交換器１においては、熱交換流体Ｈの隙間を通じての流出がなくなるので、熱交換性能を向上することができる。

更に、実施例１に係る積層型熱交換器１においでは、第２のチューブシート５３、５４の側壁端を外側に折り曲げた簡易な構造によりバーリング５５を構成することができるので、安価に熱交換性能を向上することができる。

更に、実施例１に係る積層型熱交換器１においては、熱交換器コア５の第１のチューブシート５１、５２と第２のチューブシート５３、５４との接合部分の全域に渡ってバーリング５５を配設することができるので、シール材８の偏りを広い範囲に渡って防止することができ、熱交換性能を向上することができる。

更に、実施例１に係る積層型熱交換器１においては、バーリング５５を備えたことにより、第１のチューブシート５１、５２の外側壁と第２のチューブシート５３、５４の側壁端との間に接合材９の充填に充分な接合材溜まりを形成することができ、この接合材溜まりに充分な接合材９を充填することができるので、双方の間の接合性を向上することができる。結果的に、熱交換器コア５内からの熱交換流体Ｈの接合部を通じた流出を防止することができるので、熱交換性能を向上することができる。

本発明の実施例２は、実施例１に係る積層型熱交換器１において、熱交換器コア５のバーリングの配設位置を変えた例を説明するものである。

実施例２に係る積層型熱交換器１は、図８に示すように、熱交換器コア５の上側の第１のチューブシート５２（又は５１）を第２のチューブシート５２とし、下側の第２のチューブシート５３（又は５４）を第１のチューブシート５３として構成し、上側の第１のチューブシート５２の側壁端にバーリング５６を配設したものである。

このように構成される実施例２に係る積層型熱交換器１においては、実施例１に係る積層型熱交換器１で得られる効果と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例１に係る積層型熱交換器の断面図。 図１に示す積層型熱交換器の分解斜視図。 図１に示す積層型熱交換器の熱交換器コアの分解斜視図。 図３に示す熱交換器コアの斜視図。 （Ａ）は図１に示す積層型熱交換器のシール材の斜視図。（Ｂ）はシール材の展開図。 図１に示す積層型熱交換器の要部拡大断面図。 図４に示す熱交換器コアの要部拡大断面図。 本発明の実施例２に係る積層型熱交換器の要部断面図。 本発明の先行技術に係る積層型熱交換器の断面図。 図９に示す積層型熱交換の要部断面図。 図９に示す積層型熱交換の要部断面図。

符号の説明

１…積層型熱交換器
２…プレート
３…ケース
５…熱交換器コア
６…熱交換器コア群
７…フィン
８…シール材
９…接合材
２１…入口パイプ
２２…出口パイプ
５１，５２…第１又は第２のチューブシート
５３，５４…第２又は第１のチューブシート
５５，５６…バーリング

Claims (4)

1. 第１のチューブシート（５１，５２）の外側壁に第２のチューブシート（５３，５４）の内側壁が接合され、前記第２のチューブシート（５３，５４）の側壁端にバーリング（５５，５６）が配設された熱交換器コア（５）と、
   前記熱交換器コア（５）を複数積層した熱交換器コア群（６）と、
   前記熱交換器コア群を収納するケース（３）と、
   前記ケース（３）の内壁と前記熱交換器コア群（６）との間に、前記熱交換器コア（５）の前記バーリング（５５，５６）が噛み込むように配設されたシール材（８）と、
   を備えたことを特徴とする積層型熱交換器。
2. 前記バーリング（５５，５６）は、前記第２のチューブシート（５３，５４）の側壁端を、前記第１のチューブシート（５１，５２）の外側壁よりも外側に折り曲げて構成され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。
3. 前記バーリング（５５，５６）は、前記熱交換器コア（５）の側面周囲において、前記第１のチューブシート（５１，５２）と前記第２のチューブシート（５３，５４）との接合部分に配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層型熱交換器。
4. 前記第１のチューブシート（５１，５２）の外側壁と前記第２のチューブシート（５３，５４）の側壁端に配設された前記バーリング（５５，５６）との間に接合材溜まりを設け、この接合材溜まりに接合材（９）が充填されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の積層型熱交換器。
   

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