JP3148904B2 - 水分含有気体冷却用の積層型熱交換器 - Google Patents

水分含有気体冷却用の積層型熱交換器

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JP3148904B2 JP21352592A JP21352592A JP3148904B2 JP 3148904 B2 JP3148904 B2 JP 3148904B2 JP 21352592 A JP21352592 A JP 21352592A JP 21352592 A JP21352592 A JP 21352592A JP 3148904 B2 JP3148904 B2 JP 3148904B2
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雅己 渡辺
森  茂樹
伸恭 近松
重光 川口
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    • F28D1/00Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は凝縮水の水掃け性を改良
した熱交換器であって、特に燃料電池から発生する水分
含有気体を冷却し、凝縮水を回収するのに適した積層型
熱交換器に関する。
【0002】
【従来の技術】空調用熱交換器として、室内の空気を冷
却するためのエバポレータは、円形パイプを蛇行状に曲
折すると共に、その外面に極めて僅かの間隔でフィンを
並列させたものが存在した。そしてチューブ内に冷媒を
流通させ、チューブの外面及びフィン外面にほぼ水平方
向に空気流を流通させる。そして、フィン下端から凝縮
水を外部に取り出すように形成したものである。このよ
うな密集したフィンとチューブとからなる熱交換器を、
特に水分の含有量の多い燃料電池から生じる排ガス等に
適応すると、その凝縮水がフィン間に滞留して、ガスの
流通を妨げる虞がある。即ち、多数のチューブが空気流
の流通を邪魔すると共に、各プレートフィン間が極めて
狭いためそこに凝縮水が滞留し、円滑にそれが排除され
ない虞がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような排ガスから
凝縮水を抽出する熱交換器として、積層型熱交換器を用
い空気の流通方向を凝縮水の排除方向に一致させること
が考えられる。この場合の概念図を示したものが、図5
である。即ち、多数の偏平エレメント4を並列させると
共に、それらの間に波形フィン5を配置し、両接触部間
をろう付け又はハンダ付け固定したものである。そして
偏平エレメント4内に冷却水等の冷却用流体を流通させ
ると共に、波形フィン5の稜線に沿って被冷却用気体10
として排ガスを流通させることが考えられる。本発明者
はこのような考え方にたち、水分含有気体冷却用の積層
型熱交換器を図5の如く作成してみた。すると、波形フ
ィン5の下端縁に凝縮水12が滞留し、被冷却用気体10の
空気流路をせばめることが判った。そこで本発明者は各
種実験の結果、この凝縮水12を確実に外部に排除し、被
冷却用気体10の流通路を可及的に大きくし得る条件を見
いだし、その知見に基づき前記問題点を解決した積層型
熱交換器を提供することを目的とし、その目的達成のた
めに次の構成をとる。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、夫々少なくと
も一方が皿状で且つ、その周縁に接合用小フランジ部を
突設した一対の金属板1,2の周縁が互いに接合される
と共に、前記金属板の両端部に冷却用流体の流出入口3
が設けられた複数の偏平エレメント4を有し、前記流出
入口3で互いに液密に連通された複数の偏平エレメント
4が波形フィン5を介装して並列され、被冷却用気体10
前記波形フィン5に流通する気体冷却用積層型熱交換
器において、前記波形フィン5の稜線方向一端縁が前記
金属板の前記皿状の一方の立ち上がりコーナ6よりも突
出しないように配置され、他端縁が一方に対向する他
方の立ち上がりコーナ7から突出するように配置され、
前記波形フィン5の前記稜線方向が重力方向に向けられ
ると共に、前記一方の立ち上がりコーナ6が重力方向下
端側に配置され且つ、前記偏平エレメント(4)の下端
縁が水平面に対して傾斜して配置されたことを特徴とす
水分含有気体冷却用の積層型熱交換器である。
【0005】
【作用】図1及び図2に示す如く、被冷却用気体10が重
力方向下方に向かって流通し、偏平エレメント4内に冷
却用流体9が流通する。そして波形フィン5表面に結露
した凝縮水12は、被冷却用気体10の流通に従って下方に
流下すると共に、次第に波形フィン5と偏平エレメント
4との接合部側に集められる。波形フィン5の下端縁部
に達した凝縮水12は、波形フィン5の下端縁13が偏平エ
レメント4の立ち上がりコーナ6よりも上方に位置され
ているため、その立ち上がりコーナ6に付着し、次いで
円滑に突縁14に導かれる。その結果、波形フィン5の流
路を狭くすることがなく凝縮水の回収量を増大させる。
次いで、図4に示す如く各エレメントの下端縁に集めら
れた凝縮水は、その下端縁が水平面に対して傾斜してい
るためその傾斜に沿って下流側に移動し、傾斜方向下流
端に集められる凝縮水が大きく成長してその下流端から
下方に円滑に落下し回収される。
【0006】
【実施例】次に、図面に基づいて本発明の実施例につき
説明する。図1〜図3は本発明の第一実施例を示し、図
1はその要部説明図であり、図2はその要部拡大図であ
って凝縮水12の流れ状態を示す説明図、図3は図1の I
II− III矢視断面略図である。この実施例の熱交換器
は、多数の偏平エレメント4を波形フィン5を介して並
列し、夫々の両端部(一方を省略)に形成された流出入
口3を互いに図3の如く、スペーサ15を介して連通した
ものである。各偏平エレメント4は、細長い皿状に形成
された金属板1と細長い平板状の金属板2とを縁部で液
密に接合し、図2に示す如くその全周縁に突縁14を形成
する。又、偏平エレメント4内部にはインナーフィン8
が収納される。このインナーフィン8はコルゲート型の
もの或いはマルチエントリー型のもの(オフセットフィ
ン)が一般に用いられている。
【0007】次に、並列した偏平エレメント4,4間に
は波形フィン5が介装される。この波形フィン5の下端
縁13は図1及び図2に示す如く、金属板1の立ち上がり
コーナ6よりも上方に位置されている。波形フィン5の
下端縁13の下限は、立ち上がりコーナ6と同一位置であ
る。又、波形フィン5の上端は図1に示す如く、偏平エ
レメント4の上縁よりも突出されている。それにより、
熱交換器全体の放熱面積を大きくとるものである。この
ようにしてなる熱交換器は、図4に示す如くケーシング
11内に複数個水平面に対して傾斜して上下方向に並列し
て配置される。そしてヘッダーを介し夫々の熱交換器の
流出入口3に冷却用流体9として冷却水等が流入し、エ
レメント内をその長手方向に流通して他方の流出入口3
から流出する。そして、燃料電池から発生する排ガスが
被冷却用気体10として、上方から下方に流通する。
【0008】図10は燃料電池用凝縮水の回路図を示す
一実施例であり、本発明の熱交換器は図において水凝縮
器の内部に配置される。そして、燃料電池本体から流出
する水分を含む排ガスを冷却し、凝縮水をドレン水とし
て取出し、タンク及び蒸留装置(イオン交換樹脂)を介
し、水と天然ガス等とを白金系触媒中で加熱して水素を
取出し、それと大気中の酸素とを反応させて電気を発生
させるものである。このとき生じる排ガス中にはH2
と、一例としてCO2 ,O2 ,N2 等が含まれる。この
排ガス中から本熱交換器によって、効率的に凝縮水を取
り出すものである。取り出された凝縮水は、ドレン水と
してタンクに蓄えられる。ドレン水の回収が多すぎると
きには、タンクからオーバーフローする。逆にドレン水
が少ないときは、別装置にて蒸留水を作り注水されるこ
とになる。
【0009】このようなドレン水は蒸留装置であるイオ
ン交換樹脂を介して再び利用される。なお、金属イオン
等がドレン水中に含まれていると、燃料電池本体内で導
通し、絶縁不良を起こしたり出力が低下する虞があるた
め、本熱交換器は特にステンレス製のものが用いられ、
その接合にはニッケルろう付けが行われる。又、水凝縮
器から排気された気体成分はデミスターを介し外部に放
出される。さらにデミスターで生じた凝縮水は、タンク
に導かれる。
【0010】次に、図6〜図9は本発明の第二実施例の
積層型熱交換器であり、この実施例の熱交換器が前記第
一実施例の熱交換器と異なる点は、図8及び図9に示す
如く偏平エレメント4を構成する一方の金属板が断面ハ
ット形状に形成されている点である。さらには、インナ
ーフィン8が矩形波状に形成されたものからなる。そし
て波形フィン5の下端縁13は、図8及び図9に示す如く
金属板1の立ち上がりコーナ6よりも上方位置で偏平エ
レメント4に接触し、波形フィン5の上端縁は偏平エレ
メント4よりも上方に突出されている。なお、積層方向
の一端側の流出入口には一対のボス部16が夫々突設さ
れ、積層方向他端側の最外側金属板には、流出入口の存
在しないものが配置される。
【0011】このようにしてなる熱交換器は、前記第一
実施例同様図4に示す如く水平面に対して傾斜して配置
される。その傾斜角度は、水平面に対して7°〜45°
程度が好ましい。傾斜角度を10°とし、本発明による
積層型熱交換器と、図5に示す積層型熱交換器とを比較
すると、本発明の熱交換器はその凝縮水量が20%増加
すると共に、被冷却用気体10の流通に伴う圧力損失が半
分であった。この実験において被冷却用気体10は、燃料
電池より排出される排ガスであって、温度100℃〜1
40℃程度で、水蒸気を多く含んだ酸素濃度の低い気体
である。そして冷却用流体として水を使用した。
【0012】
【発明の効果】本発明の積層型熱交換器は、複数の偏平
エレメント4に介装された波形フィン5の稜線方向が重
力方向に向けられ、その波形フィン5の下端縁13がエレ
メントを構成する金属板1の皿状の立ち上がりコーナ6
よりも突出しないように配置されたから、波形フィン5
に沿って流下する凝縮水がその下端縁からエレメント下
端の立ち上がりコーナ部に連続して流下し、その周縁に
形成された接合用小フランジ部の突端に集められる。そ
れにより、凝縮水の収集能力を増大させると共に、被冷
却用気体がエレメントを通過する間の圧力損失を減少す
ることができる。これは、波形フィン下端に凝縮水が滞
留することを可及的に防ぎ、気体の流通路を広く確保で
きる効果がある。しかも波形フィン5の下端縁は、金属
板の他方の立ち上がり縁よりも突出するように配置され
たから、フィンの下端縁部における放熱面積の減少分を
上端部で補い、熱交換性能を向上し得る効果がある。
らに偏平エレメントの下端縁が水平面に対して傾斜して
配置されたものであるから、エレメント下端縁に集めら
れた凝縮水を傾斜方向に沿って流下させ、その回収を促
進させる効果がある。これにより、エレメント下端縁の
各部から直接下方に落下して、可能な限り被冷却用気体
の流通路を広く確保し、熱交換を促進させる効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の積層型熱交換器の縦断面斜視図。
【図2】図1の要部拡大図。
【図3】図1の III− III矢視断面略図。
【図4】本熱交換器の取り付け状態を示す説明図。
【図5】比較例を示す熱交換器の要部拡大図。
【図6】本発明の第二実施例の正面図。
【図7】同第二実施例の底面図。
【図8】図6の横断面略図。
【図9】図8の要部拡大図。
【図10】本熱交換器が適用される一例を示す燃料電池
用凝縮水の循環説明図。
【符号の説明】
1,2 金属板 3 流出入口 4 偏平エレメント 5 波形フィン 6 立ち上がりコーナ 7 立ち上がりコーナ 8 インナーフィン 9 冷却用流体 10 被冷却用気体 11 ケーシング 12 凝縮水 13 下端縁 14 突縁 15 スペーサ 16 ボス部
フロントページの続き (72)発明者 川口 重光 東京都渋谷区桜丘町31番2号 東洋ラジ エーター株式会社内 (56)参考文献 実開 昭59−113180(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F28F 17/00 F28D 9/00 F28F 1/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 夫々少なくとも一方が皿状で且つ、その
    周縁に接合用小フランジ部を突設した一対の金属板
    (1)(2)の周縁が互いに接合されると共に、前記金
    属板の両端部に冷却用流体の流出入口(3)が設けられ
    た複数の偏平エレメント(4)を有し、前記流出入口
    (3)で互いに液密に連通された複数の偏平エレメント
    (4)が波形フィン(5)を介装して並列され、被冷却
    用気体(10)が前記波形フィン(5)に流通する気体冷
    却用積層型熱交換器において、前記波形フィン(5)の
    稜線方向一端縁が前記金属板の前記皿状の一方の立ち上
    がりコーナ(6)よりも突出しないように配置され、他
    端縁が該一方に対向する他方の立ち上がりコーナ(7)
    から突出するように配置され、前記波形フィン(5)の
    前記稜線方向が重力方向に向けられると共に、前記一方
    の立ち上がりコーナ(6)が重力方向下端側に配置され
    且つ、前記偏平エレメント(4)の下端縁が水平面に対
    して傾斜して配置されたことを特徴とする水分含有気体
    冷却用の積層型熱交換器。
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