JP4290902B2 - 加熱冷却用容器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱媒経路の出入口部で複数の伝熱チューブに分岐した多管式熱交換器構造を有し、その経路に加熱用蒸気と冷却用液体の熱媒体を交互に通して、内部に収容した水素吸蔵合金等の被加熱冷却物質の加熱冷却の繰返し熱交換を行う容器に関するものである。この容器は、水素貯蔵タンク、水素精製装置、ヒートポンプ、冷凍機、等のシステムに使用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被加熱冷却物質である水素吸蔵合金を収容して加熱、冷却する容器では、容器内に高温の熱媒と低温の熱媒とを交互に流して水素吸蔵合金を加熱、冷却させることによって、水素が放出、吸収される性質を利用した、水素貯蔵タンク、水素精製装置、等に使用される。また、逆に水素を放出、吸収させると吸熱、発熱する性質を利用して、その熱を熱媒移動管を流れる熱媒に伝えて熱を取り出す、ヒートポンプ、冷凍機、等にも使用される。
【０００３】
図５、６に従来の加熱冷却用容器の例を示す。
容器胴体１内に、粒あるいは粉状の水素吸蔵合金２と該水素吸蔵合金２を加熱、冷却するための熱媒が通る伝熱チューブ３が収容されている。該伝熱チューブ３は複数本からなり、そのチューブ３には薄板状の良伝熱性材料を用いた伝熱フィン４が固定されている。上記伝熱チューブ３は、チューブシート５を介して容器胴体１に溶接またはロウ接で固定されている。チューブシート５側では、容器胴体１の端部に熱媒の入口部７と出口部８を接続するヘッド９が設けられており、該ヘッド９の空間には前記伝熱チューブ３の端部が開口しており、該空間で複数の伝熱チューブ３…３の熱媒がまとめられている。また、ヘッド９内には、ヘッド９に出入りする熱媒の流れを分配する仕切り板１０が縦横に配置されている。なお、上記入口部７は熱媒を容器に送り込むためのものであり、出口部８はその熱媒を容器から排出するためのものであり、それぞれヘッド９に溶接又はロウ接で接続されている。また 上記容器胴体１、チューブシート３、ヘッド４はそれぞれ周溶接により締結されている。
【０００４】
次に上記装置の作用について説明する。
先ず、水素吸蔵合金２よりも低温の冷却用液体が熱媒入口部７を通ってヘッド９内に入り、複数の伝熱チューブ３に分岐して送られると、水素吸蔵合金２の熱が伝熱チューブ３及び伝熱フィン４を介して熱媒に伝わり、水素吸蔵合金２は冷却されて温度が降下し、水素を吸収する。熱媒は、伝熱チューブ３および仕切り板１０で区切られたヘッド９内の空間を移動して、遂にはヘッド９の出口側に集まり、熱媒出口部８から排出される。次に、水素吸蔵合金２よりも高温の加熱用蒸気が熱媒入口部７を通って、前工程の冷却用液体を押しのけながらヘッド９に集まり複数の伝熱チューブ３に分岐して送られると、熱媒の持つ熱が伝熱チューブ３及び伝熱フィン４を介して水素吸蔵合金２に伝わり、水素吸蔵合金２は加熱されて温度が上昇し、水素を放出する。熱媒は更にヘッド９の出口側にまとめられて入り、熱媒出口部８から排出される。そしてこれらの冷却と加熱の工程を繰返す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の加熱冷却容器構造では、低温の冷却用液体による冷却工程から、高温の加熱用蒸気による加熱工程に切り替える際に、蒸気の圧力によってヘッド内及び伝熱チューブの上部から液体が押しのけられて加熱用蒸気に切り替わる。しかし、最初に上方側にある伝熱チューブを蒸気が通ってしまうと、このチューブよりも下に位置するヘッド内および伝熱チューブ内の一部の冷却用液体に対しては蒸気による押しのける力が充分に作用せず、ヘッド内や伝熱チューブ内に冷却用液体が排出されずに残ってしまう。残った冷却用液体は加熱工程において加熱用蒸気によって加熱され蒸発する。従ってその際の顕熱変化分と蒸発潜熱分がロスとして消費されるため、その分余分の熱量を投入しなければならなくなって熱効率が悪くなるとともに、加熱時間も長くかかって運転サイクルが延びてしまう。また、各伝熱チューブ間で低温の冷却用液体から高温の加熱用蒸気に切り替わるタイミングにばらつきが生じるため、その結果、大きな熱膨張差が生まれて、伝熱チューブや伝熱フィンの破損を引き起こすことがある。
【０００６】
本発明は、上記のような従来の加熱冷却用容器の課題を解決するためになされたもので、冷却工程から加熱工程に切り替わる際に、冷却用液体がヘッド及び伝熱チューブ内に残らないような容器構造にすることにより、加熱時のロスを低減し、また、熱膨張差による伝熱チューブやフィンの破損を防止することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の加熱冷却用容器のうち請求項１記載の発明は、熱媒経路の出入口部で複数の伝熱チューブに分岐した多管式熱交換器構造を有し、その経路に蒸気と液体の熱媒体を交互に通して、内部に収容した被加熱冷却物質と加熱冷却の繰返し熱交換を行う加熱冷却用容器において、前記熱媒経路の出入口部が、チューブ形状のヘッダからなり、該ヘッダの筒壁に軸方向に沿って複数の伝熱チューブが接続され、前記入側のヘッダが容器内の上方位置にあり、出側のヘッダが容器内の下方位置にあり、前記伝熱チューブは、熱媒の流れ方向が水平または下向きに向かうように配置され、一部に上向きの部分を有し、該上向きの部分は、勾配および長さが液体の熱媒体の液溜りで蒸気が通る隙間が塞がらないように定められているとともに、水平部分から下方に向きを変え、該下方から上方に向きを変えて上向きとなって前記出側のヘッダに接続された伝熱チューブの接続部分は、前記水平部分よりも下方に位置し、かつ、前記の下方から上方に向きを変える偏向部分の上部内壁面よりも、出側のヘッダとの接続口の下端が下方に位置するように設定されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の加熱冷却用容器の発明は、請求項１記載の発明において、前記伝熱チューブは複数列で前記ヘッダーに接続されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の加熱冷却用容器の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記ヘッダに接続された伝熱チューブの接続部分は、ヘッダの放射方向に略沿った形状を有することを特徴する。
【００１２】
すなわち、本発明によれば、加熱用蒸気の流れ方向が水平または下向きに向かう容器構造を有しているので、冷却工程から加熱工程に切り替える際に、冷却用液体がヘッド及び伝熱チューブ内に残らずにスムーズに排出され、液残りによる加熱ロスを低減し、熱膨張差による伝熱チューブやフィンの破損防止を可能とする。
【００１３】
本発明では、水素吸蔵合金で代表される被加熱冷却物質として種々のガス吸放出材料を示すことができる。ガス吸放出材料は、ガスの吸収、放出を可逆的に行うことができ、ガス吸放出に伴って吸発熱する性質を有するものであり、例えば吸着剤としてガスの吸収、放出を行ったり、化学反応によってガスの吸収、放出を行ったりする。上記材料としては活性炭、カーボンファイバ、ゼオライト、シリカ、アルミナ等を挙げることができ、また化学反応によって水素ガスの吸収、放出を行う材料として上記水素吸蔵合金が挙げられる。さらに本発明では、被加熱冷却物質として上記のようにガス吸放出をなすものに限定されるものではなく、熱媒との間で熱交換される種々の材料が対象となる。また、気体、液体、固体であることも問わない。
【００１４】
本発明の容器は、チューブ形状のヘッダと伝熱チューブの形状、配置構造に特徴があり、その他の構造に関しては、本発明としては特に限定されない。伝熱チューブは本発明の配置構造を前提とした上で、通常、被加熱冷却物質との熱交換が良好になされることを考慮して配置される。
上記伝熱チューブを移動させる熱媒としては液体および蒸気が使用される。代表的には水と水蒸気とが例示されるが、本発明としては、熱媒として作用するものであれば、その材質は特に限定されない。
【００１５】
伝熱チューブは請求項１に記載するように、チューブ形状のヘッダの筒壁に軸方向に沿って複数が接続されており、各伝熱チューブが容器内を伸長して被加熱冷却物質との熱交換を可能にしている。各伝熱チューブは、両端側でそれぞれ入口側のヘッダと出口側のヘッダに接続されている。なお、ヘッダとの接続は、軸方向に沿って一列に接続してもよく、また複数列で接続してもよい。
なお伝熱チューブは、基本的には熱媒である蒸気の流れ方向が水平または下向きに向かうように配置されているが、一部に上向きの部分を有している。ただし、上向きの部分の存在により熱媒である液体による液溜まりが形成される場合、この液溜まりで蒸気が通る隙間が塞がらないように、上向きの部分の勾配および長さを定めることが必要である。
通常は、この上向きの部分は、チューブ形状のヘッダとの接続部分に出現しやすい。ヘッダとの接続部分では、熱媒の出入りが円滑になされるように、ヘッダの放射方向に略沿った形状をチューブに付与するのが望ましく、この結果、伝熱チューブが部分的に上向きになる場合がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１に加熱冷却用容器の全体構造を示し、図２〜４に熱媒出入り側の詳細を示す。なお、従来の容器と同様の構造については同一の符号を付している。
一端を水素出入口部２０を除いて密閉した容器胴体１の他端開口側に両端を開口した容器短胴体１２が接続され、該容器短胴体１２の開口部側が容器キャップ１３で閉じられている。これら容器胴体１、容器短胴体１２、容器キャップ１３はそれぞれが周溶接により締結されている。
【００１７】
上記容器胴体１内には、伝熱チューブが軸方向に水平に伸長し、胴体１内の端部で折り返して同様に水平に伸長することにより高さ位置を徐々に変えて胴体１の上部から下部に至るまで配設されている。該伝熱チューブは、高さ位置が異なる２列で軸方向と交差する方向に並設されており、それぞれの開口端部が容器短胴体１２の上部および下部に位置している。なお、図では高位置側にある伝熱チューブが１５ａ…１５ａ、低位置側にある伝熱チューブが１５ｂ…１５ｂで示されている。
【００１８】
上記容器短胴体１２内には、軸方向と交差する方向に沿って、上方部に筒状の入側ヘッダ１６、下方部に同じく筒状の出側ヘッダ１７が配置されており、これらヘッダ１６、１７に上記した伝熱チューブ１５ａ…１５ａ、１５ｂ…１５ｂの両端部がそれぞれ接続されている。
ただし、伝熱チューブ１５ａ…１５ａは、容器胴体１の上方側において水平部分が入側ヘッダ１６の中心部よりやや下方に位置しており、ヘッダ１６に近接した位置でやや上方（熱媒の流れ方向では下方）に向いて伸長し、ヘッダ１６の直前で下方（熱媒の流れ方向では上方）に向いてヘッダ１６の中心部よりやや上方で筒壁に接続されており、接続部分（熱媒の流れ方向において上方に向いている部分）では、ヘッダ１６の放射方向に沿っている。上記の熱媒の流れ方向において上方に向く部分は、伝熱チューブ１５ａの水平部分よりも熱媒の入口側に位置しているので、熱媒の液溜まりができることはない。また、容器胴体１の下方側では、伝熱チューブ１５ａは、水平部分が出側ヘッダ１７のやや上方に位置しており、ヘッダ１７に近接した位置で下方に向くように勾配を変えて、ヘッダ１７の上方側の筒壁に接続されており、接続部分はヘッダ１７の放射方向に沿っている。
【００１９】
一方、伝熱チューブ１５ｂは、容器胴体１の上方側において水平部分が入側ヘッダ１６のやや下方に位置しており、ヘッダ１６に近接した位置で上方（熱媒の流れ方向では下方）に向くように向きを変えて、ヘッダ１６の筒壁下方側に接続されており、接続部分はヘッダ１６の放射方向に沿っている。また、容器胴体１の下方側では、伝熱チューブ１５ｂは、水平部分が出側ヘッダ１７の中心部やや上方に位置しており、ヘッダ１７に近接した位置で下方に向いて伸長し、ヘッダ１７の直前で上方に向いてヘッダ１７の中心部やや下方で筒壁に接続されており、接続部分はヘッダ１７の放射方向に沿っている。伝熱チューブ１５ｂにおいて熱媒の流れ方向で上方に向く部分は、ヘッダ１７との接続部分が伝熱チューブ１５ｂの水平部分よりも下方に位置しており、かつ、下方から上方に向きを変える偏向部分の上部内壁面１５０よりも、ヘッダ１７との接続口の下端１５１が下方に位置するように、上方に向く部分の勾配、長さが設定されているので、偏向部分で形成される液溜まり１５２によって伝熱チューブ１５ｂが塞がれることはない。
【００２０】
なお、上記入側ヘッダ１６、出側ヘッダ１７は、容器短胴体１２の外部に伸長しており、入側ヘッダ１６には外部の熱媒経路から熱媒を容器に送り込むための熱媒入口１８が溶接又はロウ接で接続されており、出側ヘッダ１７には、その熱媒を容器から排出するための熱媒出口１９が溶接又はロウ接で接続されている。また、上記伝熱チューブ１５ａ、１５ｂには、伝熱性を高めるために、薄板状で良伝熱性材料の伝熱フィン４…４が固定されており、該伝熱チューブ間の空間に、被加熱冷却物質である水素吸蔵合金２が収容されている。
【００２１】
次に上記装置の動作について説明する。
先ず、水素吸蔵合金２より低温の冷却用液体が熱媒入口１８を通って入側ヘッダ１６に入り、続いて伝熱チューブ１５ａ、１５ｂに送られると、水素吸蔵合金２の熱が伝熱チューブ１５ａ、１５ｂと伝熱フィン４を介して熱媒に伝わり、水素吸蔵合金２は冷却されて水素を吸収する。熱媒は更に出側ヘッダ１６に入り熱媒出口１９から排出される。次に、水素吸蔵合金２より高温の加熱用蒸気が熱媒入口１８を通って、前工程の冷却用液体を押しのけながら入側ヘッダ１６に入り、続いて伝熱チューブ１５ａ、１５ｂに送られると、熱媒の熱が伝熱チューブ１５ａ、１５ｂと伝熱フィン４を介しして水素吸蔵合金２に伝わり、水素吸蔵合金２は加熱されて水素を放出する。なお、水素吸蔵合金で吸放出される水素は水素出入口部２０を通して外部との間で移動する。
ここで伝熱チューブ１５ａ、１５ｂ、ヘッダ１６、１７といった熱媒経路内には、押しのけられた冷却用液体が留まる部分が無いため、スムーズに加熱用蒸気に切り替わる。加熱用蒸気は更に出側ヘッダ１７に集まって、熱媒出口１９から蒸気又は凝縮液の状態で排出される。そしてこれらの冷却と加熱の工程が効率よく繰返される。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷却用液体が容器内に残らないようにスムーズに排出される容器構造としたので、液残りによる加熱時のエネルギーロスを低減でき、また、熱膨張差による伝熱チューブやフィンの破損が防止できる。従ってこの容器を用いた装置の運転コストやメンテナンスコストが低減されるといった効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態における加熱冷却用容器を示す正面断面図である。
【図２】 同じく側面断面図である。
【図３】 図１のIII−III線断面図である。
【図４】 同じくヘッダと伝熱チューブとの接続部分を示す拡大図である。
【図５】 従来の加熱冷却用容器を示す正面断面図である。
【図６】 同じく側面断面図である。
【符号の説明】
１ 容器胴体
１２ 容器短胴体
１３ 容器キャップ
１５ａ 伝熱チューブ
１５ｂ 伝熱チューブ
１６ 入側ヘッダ
１７ 出側ヘッダ
１８ 熱媒入口
１９ 熱媒出口
２０ 水素出入口
１５０ 偏向部分の上部内壁面
１５１ 接続口の下端
１５２ 液溜まり

Claims (3)

1. 熱媒経路の出入口部で複数の伝熱チューブに分岐した多管式熱交換器構造を有し、その経路に蒸気と液体の熱媒体を交互に通して、内部に収容した被加熱冷却物質と加熱冷却の繰返し熱交換を行う加熱冷却用容器において、前記熱媒経路の出入口部が、チューブ形状のヘッダからなり、該ヘッダの筒壁に軸方向に沿って複数の伝熱チューブが接続され、前記入側のヘッダが容器内の上方位置にあり、出側のヘッダが容器内の下方位置にあり、前記伝熱チューブは、熱媒の流れ方向が水平または下向きに向かうように配置され、一部に上向きの部分を有し、該上向きの部分は、勾配および長さが液体の熱媒体の液溜りで蒸気が通る隙間が塞がらないように定められているとともに、水平部分から下方に向きを変え、該下方から上方に向きを変えて上向きとなって前記出側のヘッダに接続された伝熱チューブの接続部分は、前記水平部分よりも下方に位置し、かつ、前記の下方から上方に向きを変える偏向部分の上部内壁面よりも、出側のヘッダとの接続口の下端が下方に位置するように設定されていることを特徴とする加熱冷却用容器。
2. 前記伝熱チューブは複数列で前記ヘッダーに接続されていることを特徴とする請求項１記載の加熱冷却用容器。
3. 前記ヘッダに接続された伝熱チューブの接続部分は、ヘッダの放射方向に略沿った形状を有することを特徴する請求項１または２に記載の加熱冷却用容器。

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