JP2009174784A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】水素吸蔵合金を用いた冷凍・冷蔵システムにおいて、水素吸蔵合金と熱媒体との間の熱伝導速度を向上させた熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】本実施形態に係る熱交換器１は、シェル１０と、ジャケット１５と、サイドカバー２０と、パイプ３０と、水素吸蔵合金（ＭＨ合金）板３５及び伝熱銅板４０が交互に積層された水素吸蔵合金部と、を備えている。シェル１０の内部には、ＭＨ合金部が格納されており、このシェル１０と、シェル１０の一部を覆うジャケット１５とによって仕切られた空間が、外側の熱媒体流路５０として機能する。パイプ３０は、水素吸蔵合金部の内部を延在するように設置されており、内部に内側熱媒体流路５５を形成している。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、水素吸蔵合金（ＭＨ合金）の反応熱を利用した冷凍・冷蔵システムに適した熱交換器に関する。

従来から、水素吸蔵合金の反応熱を利用した冷凍システムや冷蔵システムが提供されている。水素吸蔵合金は、加熱すると水素を放出して熱を吸収し、冷却すると水素を取り込んで発熱する性質を有している。したがって、この水素吸蔵合金の水素を放出するときに吸熱する性質を利用すれば、冷凍・冷蔵システムを実現することができる。

例えば、下記特許文献１に従来の水素吸蔵合金冷凍システムが開示されている。この従来の水素吸蔵合金冷凍システムは、水素平衡圧の異なる高温側の水素吸蔵合金と、低温側の水素吸蔵合金とを、一対の容器のそれぞれに格納して具備しており、以下に示すような動作を行う。

まず、ボイラーから供給される１６０〜１８０℃の蒸気にて高温側合金容器を加熱すると、高温側合金は水素を放出する。同時にクーリングタワーから供給される３５℃程度の冷却水にて低温側合金容器を冷却すると、低温側合金はその水素を吸収し、水素移動が行われる。水素移動終了後、高温側合金容器に供給される熱媒をバルブの操作により蒸気からクーリングタワーで供給される冷却水に切り換え、同時に低温側合金容器に供給される熱媒も、バルブの操作により冷却水からブライン液に切り換える。

すると高温側合金は冷却により水素を吸収し、これに伴って低温側合金は水素を放出する。この水素放出により低温側合金は、周囲の熱を吸収し冷却される。これにブライン液を通すことで冷熱が取り出せ、該冷熱を冷凍庫に供給することで冷凍を行うことができる。
特開２００３−１２１０２６号公報

しかし、従来の水素吸蔵合金を用いた冷凍システムにおいては、水素吸蔵合金を加熱する蒸気や冷却する冷却水等の熱媒体と、水素吸蔵合金との間の熱伝導の速度が遅く、熱交換に時間がかかった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、水素吸蔵合金を用いた冷凍・冷蔵システムにおいて、水素吸蔵合金と熱媒体との間の熱伝導の速度を向上させた熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、水素吸蔵合金部と、前記水素吸蔵合金部を内部に収容するケースであって、前記水素吸蔵合金部の周囲に外側熱媒体流路を形成するケースと、前記水素吸蔵合金部の内部を延在するように設置されたパイプであって、内部に内側熱媒体流路を形成するパイプと、を備えることを特徴とする。

本発明に係る熱交換器によれば、水素吸蔵合金と熱媒体との間の熱伝導の速度を向上させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る熱交換器の正面図であり、図２は、本実施形態に係る熱交換器の右側面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図、図４は、図１のＢ−Ｂ線における断面図、図５は、図３のＣ−Ｃ線における断面図である。

本実施形態に係る熱交換器は、水素吸蔵合金を用いた冷凍システムにおいて用いられる熱交換器であり、水素吸蔵合金と熱媒体との間の伝熱速度を向上させた熱交換器である。

図１乃至図５に示すように、本実施形態に係る熱交換器１は、シェル１０と、ジャケット１５と、サイドカバー２０と、パイプ３０と、水素吸蔵合金（ＭＨ合金）層３５及び伝熱銅板４０からなる水素吸蔵合金部と、を備えている。

シェル１０、ジャケット１５及びサイドカバー２０は、熱交換器１のケース（筐体）として機能している。シェル１０及びジャケット１５は、ステンレス製であり、外観はほぼ円筒形状の中空体である。また、シェル１０及びジャケット１５の一方の端部（図３における左側端部）は閉端であり、他方の端部（図３における右側端部）は開放端となっている。図３に示すように、シェル１０の開放端は、ネジ２６によって固定されたサイドカバー２０によって閉じられている。シェル１０よりも大径で短いジャケット１５の開放端は、シェル１０によって閉じられている。

シェル１０の内部には、後述するように、ＭＨ合金層３５及び伝熱銅板４０が交互に積層されたＭＨ合金部が格納されている。シェル１０の根元部分（図１における右側端部分）以外は、ジャケット１５によって覆われており、このシェル１０とジャケット１５によって仕切られた空間が、外側の熱媒体流路５０として機能する。ジャケット１５には、この熱媒体流路５０の入口である注入口１６と、出口である排出口１７が形成されている。

シェル１０の外周面には、熱媒体流路５０に突出して熱媒体の流れを拡散するための輪状の邪魔板１３が複数箇所に設置されている。これにより、ジャケット１５の一方の端部に位置する注入口１６から入って他方の端部に位置する排出口１７へと流れる熱媒体は、邪魔板１３に衝突して拡散されるので、熱媒体とシェル１０との間の伝熱速度が向上する。

シェル１０の側面には、温度計１９が設置されており、シェル１０内部の温度を測定可能である。また、シェル１０の右側端部近傍（図１及び図３）には、水素移動口１２が設けられている。本実施形態に係る熱交換器１は、冷凍システムにおいて用いられる際に、高温側のＭＨ合金を備える熱交換器１と、低温側のＭＨ合金を備える熱交換器１とからなる一対の熱交換器を組にして設置される。そして、双方の熱交換器１の水素移動口１２はパイプで接続されており、この水素移動口１２を介して、双方の熱交換器１内の水素が移動する。

図３乃至図５に示すように、シェル１０内には、内側の熱媒体流路５５を形成する折返しパイプ３０が設置されている。図６は、本実施形態に係る折返しパイプの構成を示す斜視図である。図６に示すように、折返しパイプ３０は、折返し部３０ｃ，３０ｄにおいて折り返す二本の長Ｕ字型パイプから構成されている。一方の長Ｕ字型パイプは、入口３０ａ及び折返し開口３０ｅが開放端であり、折返し部３０ｃで折り返している。他方の長Ｕ字型パイプは、折返し開口３０ｆ及び出口３０ｂが開放端であり、折返し部３０ｄで折り返している。

また、折返し開口３０ｅ，３０ｆは、後述するようにサイドカバー２０内の部屋においてつながっている。したがって、折返しパイプ３０によって形成される内側熱媒体流路５５は、三回折り返すことで、入口３０ａから出口３０ｂまでシェル１０内を二往復して延在することになる。

また、折返しパイプ３０は、長辺方向の一端側(図３における右側)の端部である、入口３０ａ、折返し開口３０ｅ、折返し開口３０ｆ及び出口３０ｂ近傍が、ケースであるシェル１０の根元部分及びサイドカバー２０に固定されており、他方の端部である、折返し部３０ｃ，３０ｄ側は、ケースに固定されておらず、束縛されない自由端となっている。

外側熱媒体流路５０と内側熱媒体流路５５とは、100℃以上の温度差がある熱媒体が流れる場合もあるため、内側熱媒体流路５５を構成する折返しパイプ３０と、外側熱媒体流路５０を構成するシェル１０とでは、温度差による伸縮の度合いの違いが出てしまう。しかし、本実施形態では、折返しパイプ３０の一端側だけをケースに固定し、温度差の生じる折返しパイプ３０とシェル１０とを互いの一端側においてのみ固定しているため、長手方向における伸縮度合いに違いが生じても、構造自体に悪影響を与えることがない。

図２に示すように、円筒状のシェル１０内の長手方向には、円盤状（円柱状）のＭＨ合金層３５と、同じく円盤状の銅板４０とが交互に積層され、ＭＨ合金部が構成されている。各ＭＨ合金層３５には、粒状のＭＨ合金が充填されており、図５に示すように、折返しパイプ３０が貫通することで、穴が４箇所に開いている。また、各銅板４０にも同様に４箇所の穴が設けられている。

このような構成において、折返しパイプ３０内の熱媒体流路５５を流れる熱媒体は、折返しパイプ３０や銅板４０を介して、ＭＨ合金層３５との間で熱交換を行うことになる。

図４に示すように、サイドカバー２０内は、境界壁２０ａ，２０ｂによって３つの部屋に区切られている。折返しパイプ３０の一端の入口３０ａが位置する部屋には、サイドカバー２０の注入口２２が設けられており、折返しパイプ３０の出口３０ｂが位置する部屋には、サイドカバー２０の排出口２３が設けられている。

上記２つの部屋と境界壁２０ａによって区切られた残りの部屋には、折返しパイプ３０の折返し開口３０ｅ，３０ｆが位置しており、折返し開口３０ｅと折返し開口３０ｆは、このサイドカバー２０内の部屋を介してつながっている。

よって、注入口２２から熱交換器１内に注入された熱媒体は、入口３０ａから折返しパイプ３０内の熱媒体流路５５内に入り、折返し開口３０ｅ，３０ｆにおいて上記サイドカバー２０内の部屋を経由しながら折返しパイプ３０内を通過した後に、折返しパイプ３０の出口３０ｂから排出口２３を通過して熱交換器１の外に排出される。

以上、本実施形態に係る熱交換器の構成について説明したが、続いて、上記熱交換器１を、水素吸蔵合金を用いた冷凍システムにおいて使用する場合の処理の流れについて説明する。なお、本実施形態では、高温側と低温側で同じ構成の熱交換器１を使用しているが、高温側と低温側とでＭＨ合金が異なるため、それぞれに適した異なる形状の熱交換器を用いるようにしても良い。

まず、高温側の熱交換器１において、内側熱媒体流路５５に160℃の熱媒体（例えば、ジエチルアルコール）を流し、高温側のＭＨ合金層３５を加熱する。そうすると、加熱された高温側のＭＨ合金層３５は、水素を放出し熱を吸収する。放出された水素は、水素移動口１２を通って、低温側の熱交換器１へと移動し、低温側のＭＨ合金層３５に吸蔵される。このとき、水素を吸収する低温側のＭＨ合金層３５は発熱するため、低温側の熱交換器１の外側熱媒体流路５０に20℃の冷熱媒体（例えば、冷却水や冷却エア）を流す。

続いて、高温側の熱交換器１において、外側熱媒体流路５０に20℃の冷熱媒体、高温側のＭＨ合金層３５を冷却する。そうすると、冷却された高温側のＭＨ合金層３５は、水素を取り込んで発熱する。このため、水素移動口１２を通って、低温側の熱交換器１から高温側の熱交換器１へ水素が移動することとなり、低温側のＭＨ合金層３５は、水素を放出して熱を吸収する。

このとき、低温側の熱交換器１において、内側熱媒体流路５５にブライン液（例えば、エタノール）を流せば、低温側のＭＨ合金層３５の吸熱により、ブライン液が-30℃程度まで冷却される。そして、この冷却されたブライン液を冷媒として利用すれば、冷凍システムを提供することができる。

以上、本実施形態に係る熱交換器について詳細に説明したが、本熱交換器によれば、ＭＨ合金部を複数のＭＨ合金層と銅板とを積層して構成しているので、ＭＨ合金の表面積が大きく、ＭＨ合金と熱媒体流路を構成する金属等との接触面積を大きく取ることが可能となり、ＭＨ合金と熱媒体との間の熱交換の速度を従来と比較して格段に向上させることができる。

また、本実施形態においては、熱媒体流路として、ＭＨ合金部の内側を通る内側熱媒体流路と、ＭＨ合金部の外側を通る外側熱媒体流路との２つの流路を設置している。よって、２つの異なる熱媒体を流す場合に、それぞれ別々の流路を用いることができるので、異なる熱媒体同士が混ざったり、熱交換してしまうといったことを防止でき、本熱交換器を用いた冷凍システムの冷却効率を大きく向上することができる。

また、本実施形態では、大きな温度差の生じる外側熱媒体流路を構成するシェルと、内側熱媒体流路を構成する折返しパイプとを固定するにあたって、折返しパイプの一方の端部をシェルの一方の端部に固定し、折返しパイプの他方の端部を自由端としている。よって、折返しパイプとシェルとの間に温度差による伸縮の差が生じたとしても、折返しパイプとシェルとの固定部に影響を与えることがほとんどなく、伸縮の差を吸収することができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態に係る熱交換器を構成する各部材のサイズや形状、原料等は、本発明の作用効果を得られる範囲内で適宜変更可能であることは言うまでもない。

また、上記実施形態では、ＭＨ合金部のＭＨ合金層を挟む伝熱金属板として銅板を用いているが、熱伝導率の高い金属であれば適宜他の金属を用いることができる。なお、好ましくは、軽量で安価な金属が好ましく、例えば、アルミニウム板を用いることができる。

上記実施形態において、折返しパイプをＭＨ合金部において、二往復させているが、往復しなくても良いし、一往復、三往復以上でも良い。また、本実施形態では、ＭＨ合金層にＭＨ合金粒を充填しているが、粒状のＭＨ合金をバインダーによって固めたＭＨ合金層としても良い。

図１は、本実施形態に係る熱交換器の正面図である。 図２は、本実施形態に係る熱交換器の右側面図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。 図４は、図１のＢ−Ｂ線における断面図である。 図５は、図３のＣ−Ｃ線における断面図である。 図６は、本実施形態に係る折返しパイプの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ 熱交換器
１０ シェル
１２ 水素移動口
１３ 邪魔板
１５ ジャケット
１６ 注入口
１７ 排出口
１９ 温度計
２０ サイドカバー
２２ 注入口
２３ 排出口
２６ ネジ
３０ 折返しパイプ
３５ ＭＨ合金層
４０ 銅板
５０ 外側熱媒体流路
５５ 内側熱媒体流路

Claims (4)

1. 水素吸蔵合金部と、
   前記水素吸蔵合金部を内部に収容するケースであって、前記水素吸蔵合金部の周囲に外側熱媒体流路を形成するケースと、
   前記水素吸蔵合金部の内部を延在するように設置されたパイプであって、内部に内側熱媒体流路を形成するパイプと、
   を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記水素吸蔵合金部は、複数の水素吸蔵合金層が伝熱金属板を挟んで積層されて構成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記水素吸蔵合金層及び伝熱金属板には、前記パイプを通すための穴が開けられていることを特徴とする請求項２記載の熱交換器。
4. 前記ケースの一方の端部と、前記パイプの一方の端部とが接続固定され、前記パイプの他方の端部は自由端であることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の熱交換器。

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