JP3647375B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの蒸発器などに適用可能な熱交換器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池システムにおいて、蒸発器に液体燃料を供給するとき、熱交換部ヘッダには燃料を均一に分配をさせるような構造が必要であり、例えば特開平9-79694号公報に開示されたものでは複数の燃料供給ノズルを配設することにより均一に燃料を分配させるようにしている。しかしながら、このような構造にあってはヘッダ部の容積が大きくなり熱交換器本体が大きくなってしまう。また、特開2000-111244号公報に開示されたものでは、燃料を均一に分配させるために熱交換部ヘッダ部に液分配手段として焼結体やセレーテッドフィン等を用いているが、このような構造によると燃料供給開始から熱交換部内部へ燃料が到達するまでに上記液分配手段部を燃料で満たす時間が必要となり応答性が悪化してしまうという問題が生じる。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、流体が通過する通路部を多数形成した熱交換部の上部に前記通路部に液状流体を分散供給するヘッダ部を設けた熱交換器において、前記ヘッダ部を、該ヘッダ部の側面に設けた入口部から流入する液状流体を前記通路部に通過させる開口部を多数設けた下プレートと、この下プレートとの間に分散空間部を形成する上プレートとで形成し、前記分散空間部には、前記入口部から流入する液状流体の流れを横断する方向に分配空間を形成し、この分配空間から前記入口部に対向して延びる複数の流体通路を形成する通路壁部を設けた。
【０００４】
第２の発明は、前記通路壁部を、下プレートおよび／または上プレートと一体に形成した。
【０００５】
第３の発明は、前記第２の発明の通路壁部を、前記入口部側辺部から前記入口部に対向する辺部に向けて形成した多数の波形状部からなり、この波形状部に沿って前記入口部と前記開口部とを連通する流体通路を形成するものとした。
【０００６】
第４の発明は、前記第３の発明における多数の波形状部を、互いの間隔が熱交換部の通路部の開口ピッチに対応するように形成するものとした。
【０００７】
第５の発明は、前記各発明の熱交換部を、高温流体が流通する高温流体用層状部と低温流体が上下方向に流通する低温流体用層状部とを積層して構成し、前記高温流体用層状部にはヘッダ部に対向する端部に隔壁部を設けると共に前記低温流体用層状部はヘッダ部に対向する端部に前記通路部を開口させ、かつ前記高温流体用層状部の隔壁部はヘッダ部に対向する凸形状に形成した。
【０００８】
第６の発明は、前記第４の発明において、その通路壁部を、前記入口部側辺部から前記入口部に対向する辺部に向けて下プレートに形成した多数の波形状部からなり、この波形状部に沿って前記入口部と前記開口部とを連通する流体通路を形成する。また、前記熱交換部を、高温流体が流通する高温流体用層状部と低温流体が上下方向に流通する低温流体用層状部とを積層して構成し、前記高温流体用層状部にはヘッダ部に対向する端部に隔壁部を設けると共に前記低温流体用層状部はヘッダ部に対向する端部に前記通路部を開口させ、前記高温流体用層状部の隔壁部はヘッダ部に対向する凸形状に形成し、かつ前記波形状部の凸形状を前記高温流体用層状部の隣接する隔壁部間の凹部に嵌合する態様で前記ヘッダ部と熱交換部とを形成した。
【０００９】
第７の発明は、前記第１の発明または第５の発明において、その通路壁部を、前記入口部に対向して位置する辺部から該入口部に向かって延びる腕部を該辺部に沿って多数配設した形状の櫛形部材で構成し、この櫛形部材の隣接する腕部間の空間を前記入口部と前記開口部とを連通する流体通路とした。
【００１０】
第８の発明は、前記第７の発明の櫛形部材を、複数のものを積層してなり、かつこれら積層した櫛形部材の各々の腕部および空間を、該空間同志が交互的にかつ相互に連通するように配置したものとした。
【００１１】
第９の発明は、前記各発明における多数の開口部を、互いの間隔が熱交換部の通路部の開口ピッチに対応するように形成したものとした。
【００１２】
【作用・効果】
第１の発明によれば、ヘッダ部の入口部から分散空間部に流入した液状流体は通路壁部により分岐状に画成された流体通路に分流して各流体通路に面した開口部から下方の熱交換部の通路部へと流入する。このとき、液状流体は分散空間部内を通路壁部により画成された限られた容積の通路部を経由して熱交換部へと流れ込む。ヘッダ部内の流体が通過する部分の容積は通路壁部により必要最小限となっているため、ヘッダ部に供給された液状流体は速やかに熱交換部へと到達する。これにより、本発明による熱交換器を燃料電池の蒸発器として適用した場合には、液状燃料の供給から蒸発燃料が得られるまでの応答時間を確実に短縮して燃料電池の起動を早めることができる。また、改質器停止時においても、ヘッダ部内に留まっている燃料量を抑えることができるので、燃料供給停止から改質器停止までの時間を短くすることができる。
【００１３】
第２の発明として示したように、通路壁部は上プレートまたは下プレートの何れか一方または双方に一体的に形成した構成とすることができ、特に第３の発明として示したように多数の波形状部を形成した構成はビードプレス成形により容易に実現でき、またヘッダ部の剛性向上にも寄与する。
【００１４】
第４の発明によれば、前記多数の波形状部の間隔を熱交換部の通路部の開口ピッチに対応して形成したことにより、流体通路に流れ込んだ流体をより円滑に熱交換部へと流入させることができる。
【００１５】
第５の発明によれば、高温流体用層状部の上部隔壁部をヘッダ部に向かって凸の形状としたことから、ヘッダ部の開口部から供給された燃料等を速やかに熱交換部の低温流体用層状部（通路部）に供給でき、これにより熱交換の応答性をより改善できる。
【００１６】
第６の発明によれば、下プレートの波形状部が対向的に凸形状を有する隔壁部９ａの相互間の空間部に嵌合するように設定したので、当該空間部の容積を最小限として流体がヘッダ部流体通路から熱交換器通路部へと達するまでの時間をより短縮し、熱交換が開始されるまでの応答性をさらに改善できると共に、熱交換器の小型化を図ることができる。
【００１７】
第７の発明によれば、櫛形部材によりヘッダ部内の分散空間部を画成して多数の流体通路を形成するようにしたので、櫛形部材の腕部の寸法に応じて燃料通路の長さや通路断面積を精密に決めることができ、加えて第８の発明によれば、櫛形部材の腕部間の流体通路が交互的に連通するように複数の櫛形部材を積層した構成としたので、ヘッダ部内に流入した液状流体を、流体通路を横切る方向にも拡散させることができる。
【００１８】
第９の発明によれば、前記各発明において下プレートに形成した多数の開口部を、互いの間隔が熱交換部の通路部の開口ピッチに対応するようにしたことから、熱交換部への流体の分配をより確実かつ均等に行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を燃料電池装置の蒸発器として構成した実施形態につき図面に基づいて説明する。図１〜図３において、１は蒸発器のヘッダ部であり、上プレート１ａ、下プレート１ｂ、櫛型部材２、燃料供給部材３からなる。６はその上面に前記ヘッダ部１が取り付けられる熱交換部である。
【００２０】
上プレート１ａと下プレート１ｂは上下方向に結合され、その一辺に燃料供給部材３が取り付けられる。これらは溶接またはろう付けにより結合され、内部に薄い偏平状の分散空間部７を画成する。燃料供給部材３に設けられた２つの燃料入口部３ａは前記分散空間部７に臨んで開口し、図示しない燃料系統から圧送されてくる燃料をヘッダ部１内に導入する。
【００２１】
櫛形部材２は前記入口部３ａに対向して位置する辺部２ａから該入口部３ａに向かって延びる腕部２ｂを該辺部２ａに沿って多数配設した形状をしており、上プレート１ａと下プレート１ｂとの間の挟持される態様で分散空間部７に収装されている。櫛形部材２は、図２にも示したようにヘッダ部１内の分散空間部７内を前記腕部２ｂにより画成して複数の分岐した燃料通路（流体通路）５を形成している。また、櫛形部材２と燃料供給部材３の間には、燃料を燃料通路５に均一に分配するための分配空間８が設けられている。
【００２２】
ヘッダ部１のデッドボリュームを最小限とするために、分散空間部７および櫛形部材２の厚みはたとえば１ｍｍ程度に小さく抑えられ、また腕部２ｂの幅はできるだけ大きくして燃料通路５の幅も最小限とされている。
【００２３】
熱交換部６は、高温流体が流通する高温流体用層状部９と低温流体（燃料）が上下方向に流通する低温流体用層状部１０とを積層して構成し、前記高温流体用層状部９にはヘッダ部１に対向する端部に隔壁部９ａを備えると共に前記低温流体用層状部１０はヘッダ部１に対向する端部に前記低温流体が流通する多数の通路部６ａを開口させてある。
【００２４】
下プレート１ｂには、前記分岐状の各燃料通路５に臨むように多数の小穴状の開口部４が形成されている。これらの開口部４の通路部横断方向の開口間隔（ピッチ）ａは、ヘッダ部１を取り付けた状態で、前述した熱交換部６の通路部６ａに連通するように、通路部６ａ相互の間隔ｂと同一に設定されている。
【００２５】
前記構成において、燃料入口部３ａから供給された燃料は分配空間８、分散空間部７ないしは燃料通路５内を満たしたのち、下プレート１ｂに設けられた開口部４により熱交換部６の通路部６ａへと均等に供給される。このとき、櫛形部材２によって分散空間部７内の余剰容積が削減されているので燃料供給開始から熱交換部流入までの時間が大幅に短縮される。
【００２６】
図４および図５に本発明の第２の実施形態による蒸発器ヘッダ部の構成を示す。これは２個の櫛形部材２を上下に積層し、それぞれの腕部２ｂの間に画成される通路５が交互に位置しかつ相互に連通するように形成したものである。このような構成とすることにより、ヘッダ部３内に流入した燃料は通路５に沿った方向のみならず、通路５を横断する方向にも分散するので燃料の分配性能がより向上する。
【００２７】
図６および図７に本発明による蒸発器の第３の実施形態を示す。図において、ヘッダ部１は上プレート１ａ、下プレート１ｂ、燃料供給部材３からなり、前記上プレート１ａには、燃料の入口部３ａに対向する辺部に向けて多数の波形状部１ｃがプレス成形等により形成され、この波形状部１ｃと下プレート１ｂとの間に形成した空間を前記入口部３ａと下プレート１ｂの開口部４とを連通する燃料通路５としている。なお、前記波形状部１ｃの間隔は下プレート１ｂの開口部４の間隔ａと同一に設定されている。また、上プレート１ａには波形状部１ｃへの燃料を燃料通路５に均一に分配するために、燃料供給部材３の間に所定の空間１ｄが設けられている。
【００２８】
この構成によれば、入口部３ａから供給された燃料は所定の空間１ｄで分配され、波形状部１ｃと下プレート１ｂとの間の燃料通路５を満たしたのち下プレート１ｂの開口部４から熱交換部６の通路部６ａへと均等に供給される。このとき、波形状部１ｃによってヘッダ部１内の余剰容積が削減されているので、燃料供給開始から熱交換部６への流入までの時間が大幅に短縮できる。なお、開口部４が通路部６ａと同じ間隔ないし位置に配置されていない場合には滴下した燃料が高温流体用層状部９の上部に留まり熱交換の開始が遅れることになるが、本実施形態では前述のように開口部４と通路部６ａの間隔ないし位置を同一としており、さらに前記高温流体用層状部９上端の隔壁部９ａを図７に示したようにヘッダ部１に向けて凸の形状にしており、このためより速やかかつ均一に燃料を通路部６ａに供給することができる。一方、波形状部１ｃはヘッダ部１の強度および剛性の向上に寄与し、また部品点数も比較的少なくて済む。
【００２９】
なお、図８に示したように、複数の波形状部１ｃ間の底面部は下プレート１ｂと接合していなくてもよく、その場合は波形状部１ｃの相互の間隔は開口部４と同じピッチとしなくともよい。
【００３０】
図９および図１０に本発明による蒸発器の第４の実施形態を示す。この実施形態は、多数の波形状部１ｃを下プレート１ｂに形成し、これを平板状の上プレート１ａに接合した点で前記第３の実施形態と異なる。各波形状部１ｃは相互の間隔が熱交換器通路部６ａと同一の間隔ｂとなるように形成すると共に、それぞれが画成する流体通路５に沿って多数の開口部４を備えている。この場合、複数の波形状部１ｃ間の凸部は上プレート１ａと接合していなくてもよい。一方、各波形状部１ｃは、図１０に示したようにヘッダ部側に凸形状に形成した隔壁部９ａの相互間の凹部に嵌合する態様で設けてある。
【００３１】
この実施形態によれば、前記第３の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、特に波形状部１ｃが隔壁部９ａの相互間の空間部に嵌合するように設定したので、当該空間部の容積を最小限として流体がヘッダ流体通路５から熱交換器通路部６ａへと達するまでの時間をより短縮し、熱交換が開始されるまでの応答性をさらに改善できると共に、熱交換器の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による蒸発器の第１の実施形態の組み立て図。
【図２】第１の実施形態のヘッダ部の縦断面図。
【図３】第１の実施形態のヘッダ部の横断面図。
【図４】本発明による蒸発器の第２の実施形態のヘッダ部の組み立て図。
【図５】第２の実施形態のヘッダ部の横断面図。
【図６】本発明による蒸発器の第３の実施形態の組み立て図。
【図７】第３の実施形態のヘッダ部付近の横断面図。
【図８】第３の実施形態のヘッダ部の変形例を示す横断面図。
【図９】本発明による蒸発器の第４の実施形態の組み立て図。
【図１０】第４の実施形態のヘッダ部付近の横断面図。
【符号の説明】
１ 蒸発器のヘッダ部
１ａ 上プレート
１ｂ 下プレート
１ｃ 波形状部
１ｄ 空間
２ 櫛形部材
２ａ 辺部
２ｂ 腕部
３ 燃料供給部材
３ａ 燃料入口部
４ 開口部
５ 燃料通路（流体通路）
６ 熱交換部
６ａ 通路部
７ 分散空間部
８ 分配空間
９ 高温流体用層状部
９ａ 高温流体用層状部の隔壁部
１０ 低温流体用層状部

Claims (9)

  1. 流体が通過する通路部を多数形成した熱交換部の上部に前記通路部に液状流体を分散供給するヘッダ部を設けた熱交換器において、
    前記ヘッダ部を、該ヘッダ部の側面に設けた入口部から流入する液状流体を前記通路部に通過させる開口部を多数設けた下プレートと、この下プレートとの間に分散空間部を形成する上プレートとで形成し、
    前記分散空間部には、前記入口部から流入する液状流体の流れを横断する方向に分配空間を形成し、この分配空間から前記入口部に対向して延びる複数の流体通路を形成する通路壁部を設けた熱交換器。
  2. 前記通路壁部は、下プレートおよび／または上プレートと一体に形成した請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記通路壁部は、前記入口部側辺部から前記入口部に対向する辺部に向けて形成した多数の波形状部からなり、この波形状部に沿って前記入口部と前記開口部とを連通する流体通路を形成した請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記多数の波形状部は、互いの間隔が熱交換部の通路部の開口ピッチに対応するように形成した請求項３に記載の熱交換器。
  5. 前記熱交換部は、高温流体が流通する高温流体用層状部と低温流体が上下方向に流通する低温流体用層状部とを積層して構成し、前記高温流体用層状部にはヘッダ部に対向する端部に隔壁部を設けると共に前記低温流体用層状部はヘッダ部に対向する端部に前記通路部を開口させ、かつ前記高温流体用層状部の隔壁部はヘッダ部に対向する凸形状に形成した請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
  6. 前記通路壁部は、前記入口部側辺部から前記入口部に対向する辺部に向けて下プレートに形成した多数の波形状部からなり、この波形状部に沿って前記入口部と前記開口部とを連通する流体通路を形成すると共に、
    前記熱交換部は、高温流体が流通する高温流体用層状部と低温流体が上下方向に流通する低温流体用層状部とを積層して構成し、前記高温流体用層状部にはヘッダ部に対向する端部に隔壁部を設けると共に前記低温流体用層状部はヘッダ部に対向する端部に前記通路部を開口させ、前記高温流体用層状部の隔壁部はヘッダ部に対向する凸形状に形成し、
    かつ前記波形状部の凸形状を前記高温流体用層状部の隣接する隔壁部間の凹部に嵌合する態様で前記ヘッダ部と熱交換部とを形成した請求項４に記載の熱交換器。
  7. 前記通路壁部は、前記入口部に対向して位置する辺部から該入口部に向かって延びる腕部を該辺部に沿って多数配設した形状の櫛形部材で構成し、この櫛形部材の隣接する腕部間の空間を前記入口部と前記開口部とを連通する流体通路とした請求項１または請求項５のいずれかに記載の熱交換器。
  8. 前記櫛形部材は、複数のものを積層してなり、かつこれら積層した櫛形部材の各々の腕部および空間が、該空間同志が交互的にかつ相互に連通するように配置した請求項７に記載の熱交換器。
  9. 前記多数の開口部は、互いの間隔が熱交換部の通路部の開口ピッチに対応するように形成した請求項１から請求項８のいずれかに記載の熱交換器。
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