JP2008164177A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高圧ガスを冷却する熱交換器に関し、特に水素自動車に燃料となる水素を充填する際に使用する熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger that cools high-pressure gas, and more particularly to a heat exchanger that is used when a hydrogen vehicle is filled with hydrogen as a fuel.
次世代の自動車として、水素ガスを燃料として用いる水素自動車(燃料電池自動車および水素エンジン自動車)の開発が進められている。水素自動車は、炭酸ガス、NOx、SOx等の排出量がなく、水を排出するだけの環境にやさしい自動車とされている。
水素自動車は、燃料補給時には通常のガソリン自動車と同様に、その燃料である水素ガスを充填する燃料充填装置(ディスペンサー)を備えた供給基地まで走行し、この燃料充填装置から水素ガスを補給することになる。
As next-generation vehicles, development of hydrogen vehicles (fuel cell vehicles and hydrogen engine vehicles) using hydrogen gas as fuel is underway. Hydrogen automobiles are considered to be environmentally friendly automobiles that do not emit carbon dioxide, NOx, SOx, etc., and only discharge water.
A hydrogen vehicle travels to a supply base equipped with a fuel filling device (dispenser) for charging hydrogen gas as fuel, and replenishes hydrogen gas from the fuel filling device in the same manner as a normal gasoline vehicle when refueling. become.
一般に圧縮天然ガス、他の高圧ガス(窒素ガス、酸素ガス等)は、圧縮状態(例えば圧力35MPa)から断熱膨張させると、ジュールトムソン効果によりガス温度が低下する。
しかしながら、水素ガスは、一般のガスと異なり、ジュールトムソン効果により温度が上昇する性質を有するガスである。そのため水素ガスは、弁などの機器などを通過する際に温度が上昇しやすい。
また、水素ガスを燃料タンクに充填する際には、短時間での充填が望まれており、燃料タンクへの急速充填に伴う断熱圧縮による温度上昇も起きることから、ガス温度が高くなりやすい問題がある。
In general, when compressed natural gas and other high-pressure gases (nitrogen gas, oxygen gas, etc.) are adiabatically expanded from a compressed state (for example, pressure of 35 MPa), the gas temperature is lowered by the Joule-Thompson effect.
However, unlike general gases, hydrogen gas is a gas that has the property of increasing temperature due to the Joule-Thompson effect. For this reason, the temperature of hydrogen gas tends to rise when passing through devices such as valves.
In addition, when filling a fuel tank with hydrogen gas, it is desired to fill the fuel tank in a short time, and the temperature rises due to adiabatic compression accompanying rapid filling of the fuel tank, so the gas temperature tends to rise. There is.
水素自動車の燃料タンクは、通常、軽量化のために繊維強化プラスチック(FRP)製容器が使用されている。FRPからなる燃料タンクは、耐久性を考慮して使用温度の上限値が規定され、その設計値は一般に約85℃である。
このようにFRPからなる燃料タンクでは、使用温度に上限があるため、水素ガスの充填を行うに際しては厳重な温度管理が要求される。
A fuel tank of a hydrogen automobile usually uses a fiber reinforced plastic (FRP) container for weight reduction. In the fuel tank made of FRP, the upper limit value of the use temperature is defined in consideration of durability, and the design value is generally about 85 ° C.
As described above, in the fuel tank made of FRP, since there is an upper limit on the use temperature, strict temperature control is required when filling with hydrogen gas.
燃料タンクの設計温度を超えて水素を充填することは厳禁であり、圧力監視により満充填を感知し、充填を終了させると充填後、燃料タンク内温度が下がった際にタンク内圧力が減少する。これは燃料タンクへの充填可能な最大充填量(重量)が見かけ上少なくなることを意味しており、水素自動車の一充填当たりの走行距離に大きく影響する。 Filling hydrogen beyond the design temperature of the fuel tank is strictly prohibited. When full filling is detected by pressure monitoring and the filling is terminated, the tank pressure decreases when the fuel tank temperature drops after filling. . This means that the maximum filling amount (weight) that can be filled into the fuel tank is apparently reduced, which greatly affects the travel distance per filling of the hydrogen vehicle.
特に、水素の充填圧力が70MPaになると、充填速度の制御だけでは急速充填と温度上昇のバランスを保つことは難しく、何らかの冷却装置が必要であった。
また、充填圧力が高圧になればなるほど配管や継ぎ手、バルブの肉厚が増すことにより熱容量が大きくなるため、充填開始後に充填ラインの冷却が開始されたのでは、冷却した水素ガスも配管や継ぎ手などにより暖められてしまい、燃料タンクへの充填に対して当初の目的を達成できない問題がある。
In particular, when the hydrogen filling pressure is 70 MPa, it is difficult to maintain a balance between rapid filling and temperature rise only by controlling the filling speed, and some kind of cooling device is required.
In addition, the higher the filling pressure, the greater the heat capacity due to the increased wall thickness of pipes, joints, and valves. Therefore, if cooling of the filling line is started after filling has started, the cooled hydrogen gas is also removed from the pipes and fittings. There is a problem that the initial purpose cannot be achieved for filling the fuel tank.
図6は、従来の高圧水素ガス充填の際に用いられている高圧水素ガスを冷却するための熱交換器の要部を示すものである。この熱交換器は、図示しない筐体内に収容されており、二重配管構造を有するものである。
この熱交換器では、内部配管51に水素を、内部配管51と外部配管52との間にブラインなどの冷却媒体を流し熱交換を行うようになっている。熱交換器としてはコンパクトであることが望まれるが、このためには、熱交換の伝熱面積を増やす必要があることから、筐体内で内部配管51を複数回屈曲させ、往復させる構造としている。
FIG. 6 shows a main part of a heat exchanger for cooling the high-pressure hydrogen gas used in the conventional high-pressure hydrogen gas filling. This heat exchanger is accommodated in a housing (not shown) and has a double piping structure.
In this heat exchanger, heat is exchanged by flowing hydrogen through the
また、内部配管51には、高圧の水素ガスが流れるため、肉厚が厚いステンレス鋼管などが用いられているが、肉厚のステンレス鋼管などの管材の定尺が2mであるので、内部配管51にはこのような定尺直管をU字状の屈曲管で接続するか、あるいは図に示すように、内部配管51となる定尺直管をエルボ54、54と短管55とで接続した往復構造としている。
接続方法としては、溶接やねじ込み等による方法が用いられる。
このような構造の熱交換器には必ず継ぎ目部が生じることになるが、内部配管51内に高圧水素ガスが流れるため、高圧ガス保安法上、継ぎ目部からのリークがないこと、また定期的な検査が必要である。
Further, since a high-pressure hydrogen gas flows in the
As a connection method, a method such as welding or screwing is used.
In the heat exchanger having such a structure, a seam is always generated. However, since high-pressure hydrogen gas flows in the
そのため、熱交換部の内部配管51には継ぎ目部がない1本の直管を使用し、この内部配管51の外部に外部配管52を設けて一体化した二重配管とし、二重配管と二重配管とを内部配管51のみからなる屈曲部を介して一体化することで継ぎ目部を大気開放状態とし、検査を容易に行うことができるようにしていた。
しかしながら、この継ぎ目部では冷媒との熱交換が行われず、効率が悪いと言う問題があった。
Therefore, a single straight pipe without a seam is used as the
However, there is a problem that heat is not exchanged with the refrigerant at the joint, and the efficiency is low.
また、冷却媒体を二重配管と二重配管とに連続的に流す必要があり、各外部配管52の一部に分岐部56を設け、この分岐部56間を接続する構造としている。外部配管52は、内部配管51より径が大きいため、曲がり部の半径は内部配管51の曲がり部の半径より大きくなる。またメンテナンス上、外部配管52と外部配管52との接続はフランジ57による接合である。従って外部配管52と外部配管52との間隔は広くなってしまい、熱交換器として大きなものとなる問題があった。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、水素自動車などに水素ガスを充填する経路の途中に設ける熱交換器を小型化するとともに、大きな伝熱面積を有する熱交換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and provides a heat exchanger having a large heat transfer area while reducing the size of a heat exchanger provided in the middle of a path for filling hydrogen gas into a hydrogen vehicle or the like. For the purpose.
かかる課題を解決するため、
請求項1にかかる発明は、高圧ガスを冷却するための熱交換器であって、
筐体内に複数の仕切板を互いに平行に設けて1本の屈曲した冷媒流路を形成し、この冷媒流路内に空隙を介して1本の屈曲した冷却配管を設け、
前記冷媒流路に冷却媒体を流し、前記冷却配管に前記高圧ガスを流すようにしたことを特徴とする熱交換器である。
To solve this problem,
The invention according to
A plurality of partition plates are provided in the casing in parallel to each other to form one bent refrigerant flow path, and one bent cooling pipe is provided in the refrigerant flow path via a gap,
In the heat exchanger, a cooling medium is allowed to flow through the refrigerant flow path, and the high-pressure gas is allowed to flow through the cooling pipe.
請求項2にかかる発明は、前記配管にその長手方向に沿って延びるフィンを設けたことを特徴とする請求項1記載の熱交換器である。
請求項3にかかる発明は、前記筐体を本体とこれを塞ぐ蓋部とから構成し、本体または蓋部に前記複数の仕切板を設けたことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
The invention according to
The invention according to claim 3 is characterized in that the casing is composed of a main body and a lid portion that closes the main body, and the plurality of partition plates are provided on the main body or the lid portion. vessel.
本発明の熱交換器にあっては、冷却されるべき高圧ガスが流れる配管のほぼ全長が冷媒流路内に位置することになって、伝熱面積を大きくすることができ、結果的に熱交換器を小型とすることができる。
また、前記配管にフィンを設けたものでは、さらに伝熱面積が増加し、一層小型の熱交換器を得ることができる。
In the heat exchanger of the present invention, almost the entire length of the pipe through which the high-pressure gas to be cooled flows is located in the refrigerant flow path, so that the heat transfer area can be increased, and as a result, the heat The exchanger can be made small.
Further, in the case where fins are provided in the pipe, the heat transfer area is further increased, and a further smaller heat exchanger can be obtained.
さらに、筐体を本体と蓋部とから構成し、本体または蓋部に前記複数の仕切板を設けた形態とすれば、蓋部を必要に応じて取り外すことができ、内部の高圧ガスが流れる配管を簡単に点検することができる。
また、構造が簡単であるので製造が容易で安価に提供できる。
Furthermore, if the casing is composed of a main body and a lid portion and the main body or the lid portion is provided with the plurality of partition plates, the lid portion can be removed as necessary, and the internal high-pressure gas flows. The piping can be easily checked.
In addition, since the structure is simple, manufacturing is easy and can be provided at low cost.
図1および図2は、本発明の熱交換器の一例を示すものである。
図1および図2において、符号1は、筐体を示す。
この筐体1は、ステンレス鋼などの金属からなる密閉箱状のもので、本体2と蓋部3とから構成されている。
1 and 2 show an example of the heat exchanger of the present invention.
In FIG. 1 and FIG. 2, the code |
The
本体2は、長方形のトレー状のもので、広い開口を有しており、この開口を平板状の蓋部3が塞ぐようになっている。蓋部3は、図示しないネジによって本体2にパッキング(図示略)を介して液密に取り付けられ、必要に応じて本体2から取り外すことができるようになっている。
The
本体2内には、多数の金属からなる仕切板4、4・・・が設けられている。この仕切板4は、本体2の長手方向に沿ってほぼ互いに平行に間隔を空けて、本体2の底部から立ち上がった状態で設けられている。
また、仕切板4の長手方向の2つの端部のうち、一方の端部が本体2の一方の側壁部と直接接しており、他方の端部は、本体2の他方の側壁部にまでは届かずに空隙が残るようになっている。
In the
Of the two end portions in the longitudinal direction of the
そして、このような仕切板4の本体2側壁部への接合形態は、互いに隣接する仕切板4、4において、交互に反対側の側壁部に接合するように構成されている。
複数の仕切板4、4・・と本体2との接合は、溶接によるもの以外に、直方体状の金属塊を削り出すことによって、本体2と複数の仕切板4、4・・が一体となったものを作製してもよい。なお、複数の仕切板4、4・・を本体2と一体化せずに、蓋部3の内面に溶接等で固着するようにしてもよい。
以上の構成により、本体2内には1本の九十九折り状の連続した、かつ屈曲した流路が形成されることになり、この流路は冷却媒体が流れる冷媒流路5とされる。
And the joining form to the
In addition to welding, the plurality of
With the above configuration, a continuous and bent flow path having a ninety-nine fold shape is formed in the
この冷媒流路5内には、冷却すべき高圧ガスを流す1本の冷却配管6が設けられている。この冷却配管6は、冷媒流路5内のほぼ中心に位置するように、各仕切板4、本体2の底部および蓋部3から離れて空隙をもって設けられ、その全体の形状は、冷媒流路5の形状に倣う九十九折り状の屈曲した形状になっている。
冷却配管6の冷媒流路5内での支持は、本体2の底部に取り付けられた複数の支持台7、7・・によって行われている。なお、図2では、支持台7、7・・を省略して描いている。
A
The
前記冷却配管6は、直管とU字状の曲管とを接続して形成されており、この接続には、突き合わせ溶接、継手を用いた差し込み溶接などで行われるが、接続後の接続部分が太径化しない突き合わせ溶接が、冷媒流路5内での冷却媒体の流れが乱されることや流路が狭くなることがないこと、さらには冷却媒体の流れ抵抗が増大しないなどの点で、好適である。
また、長尺の直管に曲げ加工を施して湾曲部分を形成し、同様の形状を有する冷却配管6としてもよい。
The
Moreover, it is good also as the cooling piping 6 which performs a bending process on a long straight pipe | tube, forms a curved part, and has the same shape.
また、蓋部3における冷媒流路5の始端と終端とに対応する位置には冷却媒体を冷媒流路5内に導入する冷媒入口8と冷媒流路5から冷却媒体を導出する冷媒出口9とが形成されている。さらに、蓋部3における前記冷却配管6の始端と終端とに対応位置には、開口が形成され、この開口に冷却配管6の始端部61と終端部62とがパッキングを介して蓋部3に対して液密状態に挿通され、外部に導出されている。
A
この熱交換器では、冷媒入口8からブラインなどの冷却媒体を冷媒流路5内に流し、冷媒出口9から導出するようにし、冷却配管6の始端部61から冷却すべき高圧水素などのガスを冷却配管6に流し、終端部62から導出するようにすることで使用に供されることになり、熱交換効率を高めるため、冷却媒体の流れ方向とガスの流れ方向とが向流するように、それぞれを流すようになっている。
In this heat exchanger, a cooling medium such as brine flows from the
このような熱交換器にあっては、冷却配管6のほぼ全長が冷媒流路5内に存在するので、冷却配管6全体が熱交換に寄与し、伝熱面積が大きくなる。このため、小型化が可能になる。さらに、蓋部3を取り外すことができ、筐体1内の冷却配管6が露出するので、簡単にその接続部分を観察、点検できる。
In such a heat exchanger, since almost the entire length of the
この例では、筐体1の底部に冷却媒体を抜く際に使用する弁を設けることもでき、蓋部3には、運転当初に流入する空気を排気する弁を配置することもできる。
さらに、冷却配管6の外周面に冷却配管6の長手方向に延びる1以上のフィンを設けて伝熱面積を増加させてもよい。
In this example, a valve used when removing the cooling medium can be provided at the bottom of the
Further, one or more fins extending in the longitudinal direction of the
また、この例の熱交換器では、筐体1の蓋部3は筐体1の表面Aを構成するものであるが、熱交換器の使用時の設置形態によっては、筐体1の表面Bまたは表面Cを蓋部3で構成することができる。この場合には、筐体1の表面Aを構成する側壁部に仕切板4、4・・と冷却配管6とを接合あるいは支持して一体化しておくことで、蓋部3を取り外せば冷却配管6が露出し、冷却配管6を点検することができる。
Moreover, in the heat exchanger of this example, the cover part 3 of the housing | casing 1 comprises the surface A of the housing | casing 1, However, Depending on the installation form at the time of use of a heat exchanger, the surface B of the housing | casing 1 Alternatively, the surface C can be constituted by the lid 3. In this case, the
さらに、前記冷媒入口8に冷却媒体の温度を測定する温度センサーを設け、この温度センサーで測定した冷却媒体の温度に基づいて、冷却配管6に流すガスの流量を制御することによって、ガスを所定温度にまで冷却することができる。
Further, a temperature sensor for measuring the temperature of the cooling medium is provided at the
図3および図4は、この発明の熱交換器の他の例を示すもので、このものでは全体の形状が円柱状となっている。
この例では、筐体11は、円柱状であり、筐体11を構成する本体12は、有底円筒状であって、この本体12の円形の開口を塞ぐ蓋部13は、円板状となっている。
なお、図4においては、本体12内部を説明するため、本体12の円筒部分を取り除いた状態で描いてある。
3 and 4 show another example of the heat exchanger according to the present invention. In this example, the overall shape is a cylindrical shape.
In this example, the
In FIG. 4, in order to explain the inside of the
本体12の底部付近には、冷媒入口14と冷媒出口(図3では隠れている)とが外周面の互いに反対側に設けられている。本体12内には、その長手方向に本体12内部空間をほぼ二分して空間Aと空間Bとを形成する分離板16が、本体12の底部から開口に向けて設けられている。この分離板16の本体12の開口付近には開口部17が形成され、二分された空間Aと空間Bとがここで繋がるようになっている。
Near the bottom of the
前記分離板16の両側面と本体12の内周壁との間には、複数の仕切板18、18・・が互いに平行に間隔を空けて取り付けられている。この仕切板18の平面形状は、一部を切り欠いた半円状となっていて、その切り欠き部分が隣接する仕切板18、18・・間において交互に反対側に位置するように配置されている。仕切板18、18・・は、図示のように、空間Aと空間Bにおいて同様に配置されているが、本体12の長手方向での取り付け位置が若干異なっていてもよい。
A plurality of
このような仕切板18、18・・を設けることにより、冷媒入口14から流入した冷却媒体が一方の空間Aにある仕切板18、18・・の切り欠き部分をジグザグ状に開口側に向けて流れ、分離板16の開口部17をくぐって他方の空間Bに流れ込み、空間Bにある仕切板18、18・・の切り込み部分をジグザグ状に底部側に向かって流れ冷媒出口に到る1本の冷媒流路が形成されることになる。
By providing
また、本体12内には、その空間Aから空間Bにかけて1本の冷却配管19が設けられている。この冷却配管19は、複数の直管部20、20・・と複数のU字管部21、21・・とからなり、これら直管部20、20・・とU字管部21、21・・とが交互に接続されて1本の連続した管となるように構成されている。
複数の直管部20、20・・は、それぞれの空間A、Bに存在する複数の仕切板18、18・・と蓋部13を貫通して設けられており、複数のU字管部21、21・・のうち半数は、本体12の底部付近に置かれ、残りのU字管部21、21・・は、蓋部13の上方に置かれ、この部分のU字管部は連結ケース22内に収められている。
In the
The plurality of
また、この冷却配管19の始端部23と終端部とは、連結ケース22から外部に導出され、その始端部23から冷却すべきガスを導入し、終端部24から導出できるように構成されている。
この例の熱交換器においても、冷媒入口14から冷媒出口に向けてブラインなどの冷却媒体を流し、冷却配管19の始端部23から終端部24に向けて水素などの冷却すべきガスを流すことにより、このガスを冷却できる。
そして、この例でも、冷却配管19のほぼ全長が冷媒流路内に存在するので、伝熱面積が増大し、熱交換効率が高くなって、小型化が可能となる。また、蓋部13を取り外すことができ、筐体11内の冷却配管19が露出するので、簡単にその接続部分を観察、点検できる。
Further, the
Also in the heat exchanger of this example, a cooling medium such as brine flows from the
In this example as well, since the cooling
次に、このような熱交換器を用いて高圧水素ガスを冷却して所定の温度として水素自動車の燃料タンクなどの供給、充填する方法について説明する。
図5は、このような方法を実施するための装置の例を示すものである。
この装置は、常温の高圧水素ガスを貯える水素容器31・・・と、前記熱交換器10と、冷却媒体としてのブラインなどの冷却媒体を貯える貯槽32から概略構成されている。
Next, a method for cooling and supplying high-pressure hydrogen gas to a predetermined temperature using such a heat exchanger, such as a fuel tank of a hydrogen automobile, will be described.
FIG. 5 shows an example of an apparatus for carrying out such a method.
This apparatus is roughly composed of a
水素容器31からの高圧水素は、開閉弁33、流量計34、流量調整弁35を介して高圧配管36を流れ、熱交換器10の本体の冷却配管の始端部61に供給されるようになっている。
熱交換器10の本体内には、貯槽32からの冷却媒体が流量調整弁37を介して管38から供給され、熱交換器10の冷媒入口8から冷媒流路に送られるようになっている。
High-pressure hydrogen from the
In the main body of the
熱交換器10の冷媒流路を流れた冷却媒体は、その冷媒出口9から導出され、管41を経て冷凍機42に送られ、ここで冷却されて貯槽32に循環されるようになっている。
熱交換器10の冷却配管を流れた水素は、ここで冷却され、冷却配管の終端部62から弁を介して低温配管39を通り、水素自動車などに供給され、その燃料タンク等に充填されるようになっている。
The cooling medium that has flowed through the refrigerant flow path of the
The hydrogen flowing through the cooling pipe of the
また、熱交換器10に温度センサー40が設けられ、低温配管39を流れる水素ガスの温度を測定する温度センサー44および高圧配管26を流れる水素ガスの温度を測定する温度センサー45が設けられている。
さらに、前記温度センサー40、44、45からの温度信号に基づき、前記流量調整弁35、37の開度を制御する制御部47が設けられている。
Further, the
Furthermore, a
水素容器31内の常温の高圧水素ガスは、高圧配管36を介して、熱交換器10の冷却配管に流れ、冷媒流路内の冷却媒体との熱交換により冷却され、低温配管39を通り、水素自動車の燃料タンクなどに供給される。
この際、水素自動車の燃料タンクには所定の温度(例えば−40℃)で供給することが要求されているため、所定の温度に制御する必要がある。
The normal-temperature high-pressure hydrogen gas in the
At this time, since the fuel tank of the hydrogen vehicle is required to be supplied at a predetermined temperature (for example, −40 ° C.), it is necessary to control the fuel tank to the predetermined temperature.
具体的には温度センサー40による熱交換器10の冷却媒体の温度と、温度センサー44によって低温配管39内の水素ガスの温度とを測定し、所定の温度よりも低い場合には流量調整弁35の開度を大きく、流量調整弁37の開度を小さくする制御を行う。
逆に、所定の温度よりも高い場合には流量調整弁35の開度を小さく、流量調整弁37の開度を大きくする制御を行う。
これにより、高圧水素ガスを所定の温度に保って水素自動車等の燃料タンクなどに充填できる。
なお、図3および図4に示した熱交換器にあっても、同様にして、高圧水素ガスの冷却に用いることができる。
Specifically, the temperature of the cooling medium of the
On the contrary, when the temperature is higher than the predetermined temperature, control is performed to reduce the opening degree of the flow
As a result, the high-pressure hydrogen gas can be maintained at a predetermined temperature and filled in a fuel tank such as a hydrogen automobile.
Note that the heat exchanger shown in FIGS. 3 and 4 can be similarly used for cooling the high-pressure hydrogen gas.
1・・・筐体、2・・・本体、3・・・蓋部、4・・・仕切板、5・・・冷媒流路、6・・・冷却配管
DESCRIPTION OF
Claims (3)
筐体内に複数の仕切板を互いに平行に設けて1本の屈曲した冷媒流路を形成し、この冷媒流路内に空隙を介して1本の屈曲した冷却配管を設け、
前記冷媒流路に冷却媒体を流し、前記冷却配管に前記高圧ガスを流すようにしたことを特徴とする熱交換器。 A heat exchanger for cooling high pressure gas,
A plurality of partition plates are provided in the casing in parallel to each other to form one bent refrigerant flow path, and one bent cooling pipe is provided in the refrigerant flow path via a gap,
A heat exchanger, wherein a cooling medium is allowed to flow through the refrigerant flow path, and the high-pressure gas is allowed to flow through the cooling pipe.
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