JP2016001065A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換器の気泡追い出し構造を提供する。
【解決手段】 熱交換器は、中空の箱状本体１０と、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａより下側の下部に開口させた水入口部１２と、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａより上側の上部の前面を前方に膨出して形成した下部バッファ１３と、下部バッファ１３の前面に開口させた水出口部１４と、を備え、箱状本体１０の後面を熱交換面１５とし、この熱交換面１５に沿って高温の排ガスを流通させることにより、排ガスの熱を、箱状本体１０内を下から上へ流れる水により回収する。ここにおいて、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａの前面に連なって上部バッファ１３内に突出する第１ガイドベーン３１と、第１ガイドベーン３１の上端に連結されて上部バッファ１３の上面に沿って延在する第２ガイドベーン３２と、が設けられる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、コジェネレーションシステムなどにおいて、高温流体の熱を水により回収する熱交換器に関する。

コジェネレーションシステムは、一般に、燃料電池などの発電装置と、貯湯タンクとを含んで構成され、発電装置から排出される排ガスから熱回収を行って、貯湯タンク内の湯水を加熱している。
このため、貯湯タンクとの間で湯水を循環させる水流路と、発電装置からの排ガスを流通させる排ガス流路とを備え、これらの流路間で熱交換を行わせる熱交換器が用いられる。

尚、特許文献１には、この種の熱交換器が開示されている。また、特許文献１に記載の熱交換器においては、水流路の上端部に高温の空気が溜まるのを抑制するため、水流路の上端部を、水の流れ方向に且つ流出マニホールドに向かって上り勾配で傾斜させている。

特開２０１１−２０４４６２号公報

熱回収用の水を下から上へ流す熱交換器において、水の中に気泡が発生した場合、出口側の上部空間に水が十分に行き渡らないため、気泡溜まりが形成されやすくなる。その結果、気層部分で水の蒸発・凝縮が繰り返されて、水に含まれる塩素分等が析出され、金属製の壁面の腐食が進行する。また、気層部分の断熱効果により、当該部位の温度が上昇して、腐食を促進する。特に、熱交換が行われる壁面付近は温度が上昇しやすい。これにより、気層に晒される金属製の壁面に穴や亀裂が生じ、熱交換器の故障につながる。

尚、特許文献１には、水流路の上端部に高温の空気が溜まるのを抑制するため、水流路の上端部を傾斜させることが開示されている。しかし、熱交換器の構造によっては、出口部まで連続する傾斜を持たせることが困難な場合があり、このような場合には別の解決方法が求められる。

本発明は、このような実状に鑑み、気泡追い出し構造を有する熱交換器を提供することを課題とする。

本発明に係る熱交換器は、熱交換用の二次側流体として水が供給される中空の箱状本体と、箱状本体の上下方向中間部より下側の下部に開口させた水入口部と、箱状本体の上下方向中間部より上側の上部の前面を膨出して形成した上部バッファと、上部バッファの前面に開口させた水出口部と、を備え、前記箱状本体の後面を熱交換面とし、この熱交換面に沿って熱交換用の一次側流体として高温流体を流通させることにより、前記高温流体の熱を、前記箱状本体内を下から上へ流れる水により回収する。

ここにおいて、前記上部バッファにおける上下方向の流路幅であって最も狭い部分の流路幅Ｈが、前記箱状本体の上下方向中間部における前後方向の流路幅であって最も広い部分の流路幅Ｗより、小さい構成とする。
尚、ここでいう「前」とは上部バッファの任意の膨出側を意味し、「後」とは膨出側の反対側を意味している。

本発明によれば、出口側である上部バッファにおける流路が狭まり、流速も高まるため、水の勢いで、腐食の原因となる気泡を追い出しやすくなり、気泡溜りが形成されにくくなる。
また、水の流速が高まるため、金属製の壁面における対流熱伝達が促進されて、壁面温度を低減できる。その結果、水が蒸発しにくくなり、また腐食を低減できる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池コジェネレーションシステムの概略図 同上実施形態における熱交換器の外観斜視図 第１構造例の斜視断面図 第１構造例での水の流れを示す断面図 第２構造例の斜視断面図 第２構造例での水の流れを示す断面図 各部の寸法の説明図 分配効果の説明図 混合促進効果の説明図

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池コジェネレーションシステムの概略図である。
燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池により発電する一方、発電に伴って発生する熱を回収して給湯に利用する、熱電併給システムである。
燃料電池コジェネレーションシステムは、具体的には、燃料電池１、貯湯タンク３、循環ポンプ４、熱交換器５などを含んで構成される。

燃料電池１は、多数の燃料電池セルの集合体であり、水素含有ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する。また、燃料電池１には、使用燃料にもよるが、燃料改質器などが、燃料電池１と別体に併設、あるいは一体的にモジュール化されるが、図示は省略した。
燃料電池１からは、発電に伴って、排ガス通路２から、高温の排ガスが排出される。

貯湯タンク３は、燃料電池１の廃熱を利用して得た湯水を貯留し、適宜、上部側から給湯に供する。貯湯タンク３には、適宜、底部側へ水道水が補充される。
循環ポンプ４は、貯湯タンク３内の湯水を熱交換器５との間で循環させる。

熱交換器５は、貯湯タンク３との間で循環される湯水を流通させる水流路５Ａと、燃料電池１から排出される高温の排ガスを流通させる排ガス流路５Ｂとを有し、これらの流路５Ａ、５Ｂ間で熱交換を行わせる。これにより、貯湯タンク３の底部から循環ポンプ４により導出した比較的低温の湯水を、排ガスとの熱交換により、加熱して、貯湯タンク３の上部へ戻すことにより、貯湯タンク３内に給湯用の湯水を貯留する。

熱交換器５の具体的構成を図２により説明する。図２は熱交換器の外観斜視図である。
熱交換器５は、水流路として、中空の箱状本体１０と、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａより下側の下部の前面を前方（図で左方）に膨出して形成した下部バッファ１１と、下部バッファ１１の前面の中央部に開設した水入口部１２と、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａより上側の上部の前面を前方に膨出して形成した上部バッファ１３と、上部バッファ１３の前面の中央部に開設した水出口部１４と、を備える。

従って、熱回収用の水は、水入口部１２より下部バッファ１１に流入し、箱状本体１０内を下から上へ流れる。そして、上部バッファ１３に至り、水出口部１４より流出する。

熱交換器５は、また、排ガス流路として、箱状本体１０の後面（１５）と熱的に接する角筒体２０を備える。この角筒体２０には、排ガスが上から下へ流れる。
従って、箱状本体１０の後面が熱交換面１５となり、角筒体２０は、この熱交換面１５に沿って排ガスを流通させる。これにより、角筒体２０内を上から下へ流れる排ガスの熱を、箱状本体１０内を下から上へ流れる水により回収することができる。

次に気泡追い出し構造について説明する。
図３は第１構造例の斜視断面図、図４は第１構造例での水の流れを示す断面図である。
第１構造例では、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａの前面に連なって上部バッファ１３内に突出する第１ガイドベーン３１と、第１ガイドベーン３１の上端に連結されて上部バッファ１３の上面に沿って延在する第２ガイドベーン３２とが設けられる。
第１構造例では、第２ガイドベーン３２は、第１ガイドベーン３１の上端から前方に延在し、第１及び第２ガイドベーン３１、３２は、全体として、Ｌ字状（正確には逆Ｌ字状）に形成されている。従って、第１構造例の第１及び第２ガイドベーン３１、３２は板状体を曲げ加工することで一体構造にできる。

図５は第２構造例の斜視断面図、図６は第２構造例での水の流れを示す断面図である。
第２構造例では、第１構造例と同様、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａの前面に連なって上部バッファ１３内に突出する第１ガイドベーン３１と、第１ガイドベーン３１の上端に連結されて上部バッファ１３の上面に沿って延在する第２ガイドベーン３２とが設けられる。
第２構造例では、第２ガイドベーン３２は、第１ガイドベーン３１の上端から前方及び後方に延在し、第１及び第２ガイドベーン３１、３２は、全体として、Ｔ字状に形成されている。言い換えれば、第２構造例の第２ガイドベーン３２は、第１ガイドベーン３１の上端から後方へ延在する延長部３３を有している。

図７は各部の寸法の説明図である。
第１構造例（図３及び図４）の場合、図７（ａ）において、Ｈ＜Ｗとする。
すなわち、上部バッファ１３における上下方向の流路幅であって最も狭い部分の流路幅Ｈを、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａにおける前後方向の流路幅であって最も広い部分（あるいは最も狭い部分）の流路幅Ｗより、小さくする。
すなわち、上部バッファ１３の上下方向の流路幅を、第１及び第２ガイドベーン３１、３２により、局部的に狭めて、流路幅Ｈ（第２ガイドベーン３２と上部バッファ１３上面との流路幅）とし、これを、Ｈ＜Ｗとしている。

第２構造例（図５及び図６）の場合、図７（ｂ）において、Ｈ＜Ｗとし、更に、ｗ＜Ｗとする。
すなわち、箱状本体１０の後面と第１ガイドベーン３１との間の流路幅を、第２ガイドベーン３２の後方への延長部３３により、局部的に狭めて、流路幅（箱状本体１０の後面と延長部３３の最後端との間の流路幅）ｗとし、これによって、ｗ＜Ｗとしている。

本実施形態によれば、出口側である上部バッファ１３における流路（特に水の主な流れ方向が上下から前方へ変化する部分の流路）が狭まり、流速も高まるため、水の勢いで、腐食の原因となる気泡を追い出しやすくなり、気泡溜りが形成されにくくなる。
また、水の流速が高まるため、金属製の壁面における対流熱伝達が促進されて、壁面温度を低減できる。その結果、水が蒸発しにくくなり、また腐食を低減できる。

気泡は、鉛直上方である熱交換器上部に溜まる傾向にあるが、特に、第１及び第２構造例のように、排ガスと水とを対向流で熱交換する構造においては、水が比較的高温になりやすい熱交換器上部がまだ熱交換されていない高温の排ガスとの熱交換部分に相当するため、気泡による腐食が進行しやすい傾向にある。しかし、本実施形態によれば、腐食の原因となる気泡を追い出しやすくするとともに、壁面温度を低減できることから、一層効果的である。

また、出口側の上部バッファ１３における流路（特に水の主な流れ方向が上下から前方へ変化する部分の流路）が狭まり、圧損が高まるため、図８に示すように、入口側の下部バッファ１１及び上下方向中間部１０ａにおける熱回収用の水の流量分布が均一に近づく。これにより、出口側の上部バッファ１３における水の温度分布も均一に近づき、熱回収効率が上昇する。

また、出口側の上部バッファ１３においては、図９に示すように、第１及び第２ガイドベーン３１、３２を乗り越えた水が、横方向両端から中央の水出口部１４に向かって、旋回流を生じる。これにより、出口側の上部バッファ１３における熱回収後の水の混合が促進されて、水の温度勾配が緩和され、熱回収効率が上昇する。

尚、以上では、発電装置として燃料電池を用いた燃料電池コジェネレーションシステムについて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、コジェネレーションシステム一般に適用可能である。

上記の実施形態では、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａより下側の下部の前面を前方に膨出して下部バッファ１１を形成したが、下部バッファ１１については、省略してもよく、水入口部１２が前記下部に開口していればよい。

上記の実施形態では、第１ガイドベーン３１（及び第２ガイドベーン３２）を設けることで、Ｈ＜Ｗとしたが、上部バッファ１３の高さ方向の寸法を小さくすることで、ガイドベーンを設けることなく、上部バッファ１３における上下方向の流路幅であって最も狭い部分の流路幅Ｈを、箱状本体１０の上下方向中間部１０ａにおける前後方向の流路幅であって最も広い部分（あるいは最も狭い部分）の流路幅Ｗより、小さくしてもよい。

更に、第１及び構造例では、上下方向中間部１０ａと第１ガイドベーン３１（及び第２ガイドベーン３２）とは別個の部品として図示して説明したが、一体構造にしてもよい。更にまた、第１及び第２構造例では、熱交換面１５は簡易的に平坦面として図示したが、熱交換面積が大となるように、波形の凹凸面、又は、多数のボタン状の凸部或いは凹部を有する凹凸面とするなどしてもよい。

以上のように、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。

１ 燃料電池
２ 排ガス通路
３ 貯湯タンク
４ 循環ポンプ
５ 熱交換器
５Ａ 水流路
５Ｂ 排ガス流路
１０ 箱状本体
１１ 下部バッファ
１２ 水入口部
１３ 上部バッファ
１４ 水出口部
１５ 熱交換面
２０ 角筒体
３１ 第１ガイドベーン
３２ 第２ガイドベーン
３３ 延長部

Claims (7)

1. 熱交換用の二次側流体として水が供給される中空の箱状本体と、箱状本体の上下方向中間部より下側の下部に開口させた水入口部と、箱状本体の上下方向中間部より上側の上部の前面を前方に膨出して形成した上部バッファと、上部バッファの前面に開口させた水出口部と、を備え、
   前記箱状本体の後面を熱交換面とし、この熱交換面に沿って熱交換用の一次側流体として高温流体を流通させることにより、前記高温流体の熱を、前記箱状本体内を下から上へ流れる水により回収する、熱交換器であって、
   前記上部バッファにおける上下方向の流路幅であって最も狭い部分の流路幅Ｈが、前記箱状本体の上下方向中間部における前後方向の流路幅であって最も広い部分の流路幅Ｗより、小さいことを特徴とする、熱交換器。
2. 前記箱状本体の上下方向中間部の前面に連なって前記上部バッファ内に突出する第１ガイドベーンを備え、
   前記第１ガイドベーンの上端と前記上部バッファの上面との間が、前記Ｈの流路幅であることを特徴とする、請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１ガイドベーンの上端に連結されて前記上部バッファの上面に沿って延在する第２ガイドベーンを更に備えることを特徴とする、請求項２記載の熱交換器。
4. 前記第２ガイドベーンは、前記第１ガイドベーンの上端から前方に延在し、前記第１及び第２ガイドベーンは全体としてＬ字状に形成されていることを特徴とする、請求項３記載の熱交換器。
5. 前記第２ガイドベーンは、前記第１ガイドベーンの上端から前方及び後方に延在し、前記第１及び第２ガイドベーンは全体としてＴ字状に形成されていることを特徴とする、請求項３記載の熱交換器。
6. 前記箱状本体の前記下部の前面を前方に膨出して形成した下部バッファを更に備え、前記水入口部は、前記下部バッファの前面に開口させたことを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の熱交換器。
7. 前記高温流体は、燃料電池システムから排出される排ガスであることを特徴とする、請求項１〜請求項６のいずれか１つに記載の熱交換器。