JP2005536706A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、一次流体流の蒸気を凝縮するための流体−流体式の隔壁介在型の熱交換器であって、一次流体流の流路（５）が、内側円筒部（１）と、当該内側円筒部に同軸的に配置されこれを取り囲む外側円筒部（２）と、内側円筒部と外側円筒部との間に配置されたらせん状の空間保持部材（３）とにより画定される熱交換器を提供するものである。加えて、一次流路を画定する円筒面が、一次流体の汚染を低減するために耐食性材料からなるか、あるいは該材料で被覆されている。この熱交換器は、同じ定格の他の凝縮器と比較すると、流動抵抗がより小さく、結果的に送風器またはポンプの電力需要がより少なくなる。したがって、この熱交換器は、特に、凝縮水が装置内で再循環されなければならず、純度要求が高く、送風器の寄生電力が最小となる必要がある燃料電池装置に適している。かかる二重エンベロープ型の円筒形熱交換器の製造は、特に簡単で費用効果が高い。

Description

本発明は、流体流の蒸気を凝縮するための流体−流体式で隔壁介在型の熱交換器の分野に関する。また、本発明は、かかる熱交換器の燃料電池装置における使用にも関する。

燃料電池では、水素、炭化水素、金属、またはその他の還元剤などの燃料が電解質隔壁の一方の側にあるアノード電極に供給されるとともに、酸素、またはその他の酸化剤がカソード電極に供給されることが必要である。酸素は、純性の酸素源から供給することができるが、ほとんどの場合、周囲空気を酸素源として用いて供給される。一般的な実施では、必要な流速の空気をカソードに供給するようにし、ここで、空気中の酸素の何分の１かが化学反応に用いられ、残りのガスが排気ガスの一部として排出される。

大抵の燃料電池は、周囲温度以上の温度で作動し、上述した排気ガス中の反応副生成物として水蒸気を生成する。この水蒸気は、燃料電池装置に新鮮な水を定期的に補充する必要を回避するため、応用例に応じて凝縮および再回収される必要がある。一般的な実施では、熱交換器の周囲空気に熱を移すことにより水蒸気を含んだ湿った排気ガスを冷却し、凝縮された液体の水を燃料電池装置に再導入する。これは、固定式の燃料電池装置における一般的な処理である。燃料電池装置用に用いられる市販の凝縮器は、銅またはアルミニウム製の冷却フィン内に広がるステンレス鋼製のチューブを備えるフィン付チューブ型熱交換器である。このような熱交換器は、帰還ループによって接続された直線形のチューブから作製され、それゆえ、小型で基本的に長方形の設計となる。小型化が比較的優先度の低い固定式の燃料電池では、かかる凝縮器は、幾つかの不利な点を有する。

まず、熱交換器の一次側の流動抵抗が大きい。このため、供給空気を燃料電池およびそれと同じ流路で続く熱交換器まで運ぶポンプが高圧力に抵抗して作動しなければならない。これにより、結果的に、空気ポンプの電力需要が増し、燃料電池装置の燃料出力の総量が低くなる。

第２に、二次側の冷却空気が、好ましくはチューブ面と垂直な方向に流され、この直交流形構造により、流動抵抗が再び比較的高くなり、更には送風器用の寄生電力の需要が高まり、それゆえに装置の出力電力の総量が低くなる。

第３に、燃料電池、特に、高分子薄膜形燃料電池は、イオン不純物に非常に感度が高い。燃料電池に水が再度入った場合、燃料電池は、最小限の量の金属イオンしか含まない脱イオン水の性質を有していなければならない。市販の凝縮器は、金属製の熱交換用隔壁を有し、燃料電池の性能を悪化させるような無視できない量の（金属の）不純物を有する水を運ぶものである。また、熱伝導性が限られるため、非金属性材料から完璧な熱交換器を製造することは不利である。さらに、上述したフィン付きチューブ型熱交換器の薄いチューブの内壁に薄膜を形成することも非常にコスト高となる。

以上、従来の流体−流体式のフィン付きチューブ型熱交換器の不利な点を、燃料電池装置のカソード側の排気流中の水分の凝縮を目的としたことに関して述べてきたが、これらの不利な点は、圧力降下が最小限とされ且つ高い凝縮純度が求められる他の凝縮応用例にも関連するものである。

仏国特許出願（特許文献１)では、加熱水用のらせん状の流路を形成する環状空間により取り囲まれた円筒形貯水部を備える水−水式の熱交換器が開示されている。このらせん状流路は、貯水部の壁部に垂直に方向付けられ、これに半田付けまたは糊付けされ、らせん形態で壁部を取り囲む平坦な金属片から構成されている。

米国特許公報（特許文献２)では、二重管式熱交換器が開示されている。比較的薄い金属から作製される内側チューブ状部材には、らせん状のフィンが形成されており、好ましくは一体形成されている。この内側チューブ状部材は、らせん状の流路を形成する外側チューブ状部材に挿入される。加えて、フィンは、内側チューブ状部材を通るチューブ長の単位当たりの熱伝達率を増加する。

ＦＲ２，６９３，５４０号明細書 米国特許第２，３４１，３１９号明細書

そこで、本発明は、一次流体流および冷却流体の両方における流動抵抗が低く、イオン不純物による一次流体の汚染を回避する一次流体流中の蒸気を凝縮するための流体−流体式の隔壁介在型の熱交換器を製造することを目的とする。この目的は、請求項１に記載の熱交換器および請求項１０に記載の熱交換器の使用により実現されるものである。より好ましい実施形態は、従属請求項から明らかである。

本発明の熱交換器では、凝縮される蒸気からなる、あるいはこれを含む一次流体用のらせん状の一次流路が、内側円筒部とともに二重隔壁型の円筒部を形成する外側円筒部と、これら２つの円筒部間に配置されたらせん状の空間保持部材とにより画定される。空間保持部材は、若干の鋭角な折り曲げ部も無いらせん状の流路に沿って一次流体を案内する隔壁を形成しており、これにより、一次流体に対して流動抵抗が低くなる。同時に、空間保持部材は、２つの円筒部間の径方向の距離を決定する。内側円筒部の内側円筒壁、または外側円筒部の外側円筒壁は、前記円筒壁に沿って流れる冷却流体に対して流動抵抗を低減させる二次流路を画定する。一次および二次流路を分離する内側円筒部の外側円筒壁、または外側円筒部の内側円筒壁は、縮合物の汚染を回避するために、耐薬品性材料、好ましくは非金属または非腐食材料で被覆されている。

有利な実施形態では、冷却流体用の二次流路を画定する円筒部は、円筒部の一方の側から進入するとともに他方の側から流出する冷却流体に接触可能となる内部空間を備えた内側円筒部である。この内側円筒部は、それ自身で二次流路を画定しており、更に画定手段を提供する必要がない。加えて、内側円筒部の外側面は、中空の外側円筒部の内側面よりも、より容易に耐薬品性材料で被覆することができる。

本発明の熱交換器に関する更なる良好な実施形態では、空間保持部材が２種の流体を分離する上記円筒部に固定されていない。このため、被覆される表面は、被覆処理をさらに容易にするのに平坦で且つ均一に維持されるようになる。空間保持部材は、一次流路を画定する他方の円筒部に取り付けられるか、あるいは、被覆後に内側円筒部周りに最終的に巻かれる。

更なる実施形態によれば、二次流路をさらに画定し、且つ冷却流体を内側円筒部の内側円筒壁または外側円筒部の外側円筒壁に近づけて通過させる第３の同軸円筒部が設けられている。

熱は、内側円筒部の内側円筒面および／または外側円筒部の外側円筒面に接触する冷却フィンを通して二次流体に伝達される。あるいは、らせん状の第２の空間保持部材が冷却流体を案内するのに設けられても良い。

さらに、より好ましい実施形態では、これら円筒部は、垂直位置に配置され、内側円筒部が二次冷却流体に対して煙突として機能するような大きさとなされており、二次冷却流体が自然対流によって少なくとも部分的に移動する。また、二次流体用の送風器またはポンプの電力がさらに低減され、仮に送風器が壊れても、装置は、それを持たずとも、すなわち受動的に作動し続ける。

以下、本発明の主題について、添付図面に示した好ましい実施形態を参照しながら、より詳細に説明する。

なお、添付図面中に用いた参照記号およびその意味は、参照記号の項目で簡単に列挙している。

図１および図２に示すように、二重壁式円筒形熱交換器は、内側円筒部１とこの周りに同軸的に配置された外側円筒部２とからなる。これら２つの円筒部間には、らせん状の空間保持部材３が配置され、これが入口４と出口６の間のらせん状の流路５を画定している。凝縮される蒸気を含む流体は、入口４で熱交換器に進入し、空間保持部材３により案内されながら２つの円筒壁部間のらせん状流路５を通る。蒸気（成分)は、熱が二次側に伝達されることにより凝縮し、２相（液体および気体)流が一次流路の出口６から出る。

多数のラジアルフィン７が、開放した内側円筒部１の内部に設けられ、熱が二次側の冷却流体、例えば周囲空気８の流れに伝達されるのに十分な表面積を補償している。この開放された内側円筒部１は、冷却流体流を、好ましくは、一次流体の方向とは反対の方向に伝達し、すなわち、出口６付近の内側チューブをそのままにする。円筒軸が上部で入口６に垂直である場合、これにより、煙突効果が生じるようになり、二次流体は、自然対流により少なくとも部分的に移動し、送風器またはポンプの二次側での電力がさらに低減され、あるいは、送風器を完全に省略することができる。ただし、１つまたは幾つかのファン（図１中には図示せず)を用いて、フィンを介して周囲空気を導くようにしても良い。このようなファンは、熱交換器の二次側を通して空気を引っ張るまたは送風するものであり、熱交換器の上部または底部のいずれかに配置することができる。

空間保持部材３は、好ましくは、任意で、ＥＰＤＭゴム（エチレンプロピレンターポリマー)またはポリプロピレンのホース、あるいはフレキシブルＰＴＦＥチューブ（ポリテトラフルオロエチレン）から作製され、断面が中空である必要はないが、内側円筒部１回りに強固に巻き付いている。あるいは、外側チューブ２の内面２２または内側チューブ１の外面１１のいずれかに、半田付けで固定されていても良い。この後、二次円筒部を外側チューブ内に挿入するか、あるいは内側チューブ周りに配置する。空間保持部材３が弾性ゴム材料から作製される場合、円筒部１および２の相対位置は、他の機械的手段により固定されねばならない。

なお、らせん状の流路の隣接する曲がり部間には一定の割合の漏れがあるが、許容できる程度のものであることに留意すべきである。特に、円筒部の中心軸が垂直である限り、且つ空間保持部材３と円筒部の壁部との間に残る隙間が流路の断面の底部に対して閉じている限り、凝縮される水分は、重力により曲がり部の底に蓄積し、これにより空間保持部材とチューブとの間の若干の隙間も閉じるようになる。なお、この隙間は、らせん状の隣接する曲がり部間に流体流の流路の近道を形成するおそれがある。これは、隣接する曲がり部を通って生じる圧力降下が一次流路の全体の圧力降下のうちのごく少量に過ぎないために起こり得る。

熱交換器の２種の流体を分離する任意の隔壁に関しては、次の２つの基本的な条件が要求される。まず一方で、隔壁が著しい温度の低下を伴わずに一次流体から二次流体へ熱を伝達する必要がある。その結果、隔壁は、薄膜で機械的に安定した熱伝導体、すなわち、好ましくは金属から作製されなければならない。他方、縮合物または任意の一次流体が汚染されるのを防がねばならず、その点からは、結果的に、高分子材料から作製される隔壁が最も適していると考えられる。したがって、最適化された熱伝導性および機械的特性を有する第１の材料から作製される隔壁を、それ自身では許容可能な断熱層を構成するような耐食性材料により厚さ５０μｍ〜５００μｍで被覆すると有利である。ポリマーからなる薄層は、薄層材料流またはその前駆体流に最も容易に露出可能な平坦面を有する金属本体に対して、最も効果的に塗布または噴霧される。したがって、内側円筒部１（２種の流体を分離する)の全外側円筒面１１（一次流路５を画定する)を相応して用意し、空間保持部材３自身を、好ましくは外側円筒部２の内側円筒面２２に固定する。

外側円筒部２が熱伝導に寄与しないことを想定した場合には、外側円筒部をポリマー、好ましくは、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などで作製することができる。ただし、外側円筒部は、内側面２２に耐薬品性材料を被覆した金属製の円筒部（例えば、ステンレス鋼製)とすることも可能である。ここで、この耐薬品性材料としては、好ましくは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＥＥＫ（ポリアリールエーテルエーテルケトン）、Ｅ−ＣＴＦＥ（エチレン−クロロトリフルオロエチレン−コポリマー）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ−コポリマー）、または貴金属などが挙げられる。内側円筒部１は、好ましくは、外側面１１を薄膜の耐薬品性材料で被覆した金属製の円筒部（例えば、ステンレス鋼製)である。ここで、この耐薬品性材料としては、好ましくは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＥＥＫ（ポリアリールエーテルエーテルケトン）、Ｅ−ＣＴＦＥ（エチレン−クロロトリフルオロエチレン−コポリマー）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ−コポリマー）などが挙げられる。このような被覆した円筒部を用いることにより、確実に、金属が凝縮水に接触せず、またこのため凝縮水のイオン汚染が最小限となる。他方、フィン７は、凝縮水に接触しないので、銅やアルミニウムなどから作製することができる。また、これらのフィンは、金属製シートを適切に折畳むことにより１片で用意することもできる。

熱伝導は、フィンと二次冷却流体との間の接触面積、およびこのため内側円筒部１の内側１２から円筒部の中心に向かって測定したフィンの長さに依存する。二次側の冷却流体を内側円筒部１近傍に限定するためには、より小径で閉じた上面および底面を有する第３の円筒部９を、二次流路が内側円筒部１と前記第３の円筒部９との間の空間に限定されるように設けることができる。

らせん状の一次流路における圧力降下は、鋭角な折り曲げ部を避けたため最小限となるが、流路の断面および長さに依存する。したがって、圧力降下および熱伝導率の両方は、らせん状の流路またはフィン構成の外形寸法をそれぞれ変えることによって装置の要求に適合させることができる。

外側円筒部２が金属製である場合には、フィンは、内側円筒部１内部のフィンに加えて、またはその代わりに、外側円筒部２の外側面２１に配置しても良い。この場合、外側円筒部に配置されたこれらのフィン周りの第３の円筒部９は、冷却流体がこれらのフィンに沿って確実に通過するためには必要である。なお、この状態は、図１には図示していない。

円筒部の構成は、必ずしも断面円筒形である必要はないことは明らかである。楕円形、あるいは適切な丸みを帯びた縁部で接続された直線部分を含む断面も、十分満足のいくように機能することが分かっている。同様に、断面を円筒部の高さに沿って変化させても良く、これにより、二次側で冷却流体用の円錐部を形成しても良い。

本文で述べた熱変換器は、特に、凝縮水が装置内で再循環されねばならず、純度要求が高く、送風機の寄生電力を最小限とする必要がある、直接メタノール型または水素型燃料電池などの燃料電池と関連して適している。ただし、このように設けた熱交換器は、圧力降下を最小限とし凝縮純度を高くする必要がある他の凝縮応用例においても有利である。

本発明は、流体流中の蒸気を凝縮するための二重エンベロープ型で流体−流体式の隔壁介在型の円筒形熱交換器を提供するものである。これと同じ定格で蛇行形状を形成する長い金属チューブから作製される他の凝縮器と比較すると、本凝縮器は、容易に耐食性膜で被覆され、流動抵抗がより小さくなり、その結果、送風器の電力需要を低減することになる。かかる二重エンベロープ型の円筒形熱交換器の製造は、特に簡単で費用効果が高い。

熱交換器の正面斜視図を概略的に示す。 本発明による熱交換器の上面図を概略的に示す。

符号の説明

１ 内側円筒部
２ 外側円筒部
３ 空間保持部材
４ 入口
５ 流路
６ 出口
７ ラジアルフィン
８ 冷却流体
９ 第３の円筒部

Claims (10)

1. 入口（４）とらせん状の一次流路（５）と一次流体流用の出口（６）とを備え、前記一次流体流の蒸気を凝縮するための流体−流体式で隔壁介在型の熱交換器であって、らせん状の一次流路（５）は、内側円筒部（１）の外側円筒面（１１）と、内側円筒部（１）に同軸的に配置された外側円筒部（２）の内側円筒面（２２）と、内側円筒部と外側円筒部との間に配置されたらせん状の空間保持部材（３）とにより画定される熱交換器において、
   内側円筒部（１）の内側面（１２）または外側円筒部（２）の外側面（２１）の少なくとも一方は、前記円筒面（１２、２１）に沿って流れる冷却流体（８）用の二次流路を画定し、かつ
   一次および二次流路を分離する前記円筒部（１、２）は、第１の材料から作製され、らせん状の一次流路（５）を画定する円筒面（１１、２２）を、前記第１の材料以外の耐薬品性材料を含む層で被覆されていることを特徴とする熱交換器。
2. 内側円筒部（１）は、少なくとも部分的に開いており、前記冷却流体（８）用の二次流路を画定することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. らせん状の空間保持部材（３）は、一次および二次流路を分離する前記円筒部（１、２）に取り付けられていないことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. らせん状の空間保持部材（３）は、耐薬品性材料、好ましくは非金属材料からなるか、あるいは該材料で被覆されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 第３の円筒部（９）が二次流路を画定する円筒面（１２、２１）から径方向に距離ｄ２離れた所で円筒部（１、２）に同軸的に設けられており、
   第３の円筒部（９）が冷却流体（８）用の二次流路をさらに画定していることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
6. 冷却フィン（７）が二次流路を画定する円筒面（１２、２１）に設けられていることを特徴とする請求項１または５に記載の熱交換器。
7. らせん状の第２の空間保持部材が円筒面（１２、２１）と二次流路を画定する第３の円筒部（９）との間に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
8. 円筒軸は、上部で一次流体流用の入口（４）に垂直に方向付けられており、
   内側円筒部（１）は、冷却流体（８）の自然対流を受けるような大きさとなされていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
9. 円筒軸は、垂直に方向付けられており、空間保持部材（３）は、該空間保持部材（３）とらせん状の一次流路（５）を画定する円筒面（１１、２２）との間の境界面に向かって凝縮水を案内することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器。
10. 閉じた水循環を有する燃料電池装置中における水蒸気を凝縮するために用いる請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器の使用。

Images