JP4877703B2

JP4877703B2 - 凝縮器

Info

Publication number: JP4877703B2
Application number: JP2005100894A
Authority: JP
Inventors: 俊行堀内; 努和田; 真樹斉藤; 秀孝新長
Original assignee: T.RAD CO., L T D.
Current assignee: T.RAD CO., L T D.
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006284004A

Description

本発明は、小型燃料電池に供給される燃料ガスまたは、その燃料電池に供給される空気に含まれる水分を凝縮して除去するものに最適な凝縮器に関する。

燃料電池システムにおいて、水素リッチな燃料ガスに含まれる水分は、電池反応に悪影響を与えるので、燃料ガス中の水分を凝縮除去する冷却器が用いられている。たとえば、特開平６‐６８８８９にそれが記載されている。この凝縮器は、ステンレス製のプレートタイプのものであり、プレートの外面側に冷却水を流通させたものである。なお、凝縮器の他の例として、シェル＆チューブ型のもの、フィンコイル型のもの、ヘリボーン式のもの、多穴管式のものその他が開発されている。

特開平６−６８８８９号公報

小型燃料電池システムにおける従来の凝縮器は、いずれも排水性が悪いか或いは、凝縮性能が悪いものであった。特に小型の燃料電池システムでは、燃料ガス供給用のブロワーが小容量のものであるため、送風による強制的な凝縮水の排水が望めないので、凝縮器自体に構造的な排水性の良好さが求められていた。それと共に、小型化に適したコンパクトな凝縮機が求められていた。
そこで本発明は凝縮性能に優れ、且つ凝縮水の排水性にも優れたものを提供することを課題とする。

請求項１に記載の本発明は、水分を含む気体がインナーフィン(1) を有する複数のチューブ(2) に導かれ、そのチューブ(2) の外周を冷却することにより、前記気体中の水分を凝縮して除去する凝縮器であって、
そのチューブ(2) は、一対の対向する平行平面を有して、内部に偏平な流路が形成され、
前記インナーフィン(1) は、その頂部および谷部が平坦な矩形波状または台形波状に曲折され、その頂部および谷部の平面が前記チューブ(2) の内面に接触固定され、
夫々のチューブ(2) の上下両端が一対のヘッダ(4) (5) に連通すると共に、そのコア(3)外周がケーシング(6) で被嵌され、
複数の前記チューブ(2) およびインナーフィン(1) の頂部および谷部が夫々重力方向に位置され、ケーシング(6) 内に冷却媒体(7) が流通すると共に、前記ヘッダ(4) を介して各チューブ(2) 内に被冷却用の水分を含む気体(8) が導かれるものにおいて、
そのインナーフィン(1) が前記台形波状の場合には、その脚部(1a)の傾斜面の角度が、直角に対して15°以下であり、
そのインナーフィン(1) は、その高さａが1.5mm 〜3.5mm であり、フィンピッチｃが３mm〜７mmとすることにより、
インナーフィン(1)の表面に保持される凝縮水を可及的に少なくすると共に、熱交換性能を向上させたことを特徴とする凝縮器である。

請求項２に記載の本発明は、水分を含む気体がアウターフィン(16)の接する複数のチューブ(2) の外面側に導かれ、そのチューブ(2) 内に冷却媒体を導くことにより、前記気体中の水分を凝縮して除去する凝縮器であって、
そのチューブ(2) は、一対の対向する平行平面を有して、内部に偏平な流路が形成され、
前記アウターフィン(16)は、その頂部および谷部が平坦な矩形波状または台形波状に曲折され、その頂部および谷部の平面が隣り合う夫々のチューブ(2) の外面に接触固定され、
複数の前記チューブ(2) およびアウターフィン(16)の頂部が夫々重力方向に位置し且つ、互いに平行に並列されてコア(3) が構成され、夫々のチューブ(2) の上下両端が一対のヘッダ(4) (5) に連通すると共に、そのコア(3)外周がケーシング(6) で被嵌され、
ケーシング(6) 内に被冷却用の水分を含む気体(8) が流通すると共に、前記ヘッダ(4) を介して各チューブ(2) 内に冷却媒体(7) が導かれるものにおいて、
そのアウターフィン(16)が前記台形波状の場合には、その脚部(16a) の傾斜面の角度が、直角対して15°以下の傾斜角度であり、
そのアウターフィン(16)の高さｂが1.5mm 〜3.5mm であり、フィンピッチｃが３mm〜７mmとすることにより、
インナーフィン(1)の表面に保持される凝縮水を可及的に少なくすると共に、熱交換性能を向上させたことを特徴とする凝縮器である。

本発明の凝縮器は、水分を含む気体が導かれるインナーフィン１又はアウターフィン16が矩形波状又は台形波状に曲折され、その頂部が重力方向に配置され且つ、その高さを1.5ｍｍ〜3.5ｍｍとし且つ、フィンピッチを3ｍｍ〜7ｍｍとしたから、凝縮水の排出を最も効率的に行うと共に、コンパクトで凝縮性能の高いものとなる。

次に図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の凝縮器の一部破断分解斜視図であり、図２はそのチューブ２の要部横断面図である。また図３はそのチューブ２に内装される時のインナーフィン１又は外装される時のアウターフィン16の要部横断面図である。

この凝縮器は、図１に示す如く、内部にインナーフィン１を有する多数の偏平なチューブ２が重力方向に位置して、互いに平行に並列され、その両端が一対のヘッダ４，５に連通する。即ち、それぞれのチューブ２がヘッダプレート4aに貫通し、その貫通部が気密にロウ付け等の手段で固定されている。チューブ２の集合体からなるコア３の外周には、ケーシング６が被嵌されている。即ち、一対のヘッダ４，５のヘッダプレート間をケーシング６によって被嵌している。ケーシング６の上下両端部には膨出部９が設けられ、冷却媒体７側のタンク部を形成する。そして、それぞれの膨出部９に入口パイプ12，出口パイプ13が取り付けられている。また、ヘッダ４，５には気体入口パイプ10，気体出口パイプ11が接続されている。

そしてこの例では、ヘッダ４の気体入口パイプ10に水分を含む燃料ガス又は水分を含む空気が流入し、それぞれのチューブ２の内部を流下し、ヘッダ５を介して気体出口パイプ11からそれが流出する。そして、冷却媒体７が膨出部９の入口パイプ12から内部に流入し、各チューブ２外周を冷却して、下側の出口パイプ13よりそれが流出する。そして冷却媒体７と気体８との間に熱交換が行われる。冷却されて、チューブ２内部に結露した凝縮水はその内部を流下し、ヘッダ５から図示しない排水パイプを介して外部に導かれる。

なお、図１において、気体８と冷却媒体７とを入れ替えることもできる。即ち、気体８をケーシング６の入口パイプ12から流入させ、冷却媒体７をヘッダ４の気体入口パイプ10から流入させることもできる。その場合の詳細は図８の例として後述する。

このような図１〜図３に示す構造の実施例において、その特徴とするところは、インナーフィン１の諸元にある。即ち、インナーフィン１は矩形波又は台形波に曲折されたものであり、その頂部及び谷部の長手方向が重力方向に向いていること及び、その頂部と谷部が平坦であること、インナーフィン１が台形波状の場合には、その脚部角度θ（図３）が15°以下であること、インナーフィン１の高さａが1.5〜3.5ｍｍであること、そのフィンピッチｃが3.0〜7.0ｍｍであること、これらの緒元は、次の理由による。

先ず、チューブ２として一対の対向する平行平面を有して、内部に偏平な流路が形成されるように構成したのは、量産性が高く、凝縮水の回収が容易となるからである。そして、そのチューブ２及びインナーフィン１の頂部及び谷部を重力方向に配置した理由は、凝縮水をその自重によって容易に排出させるためである。また、インナーフィン１をチューブ２の内部に設け伝熱面積を向上させ、そのインナーフィン１の緒元を上記の形状及び数値範囲としたのは本発明者の次の実験に基づくものである。

第１に、インナーフィン１の頂部及び谷部を平坦とした理由は図４（Ａ），（Ｂ）に示す排水性の比較実験から導いたものである。即ち、図４（Ａ）に示す頂部及び谷部が平坦なインナーフィン１と、それらが湾曲した図４（Ｂ）に示す従来型インナーフィン１との凝縮水の保水性、排水性を比較したものである。

この実験ではチューブ２として、偏平なものを用い、その断面の短軸における内径寸法ａ（図２）を3.0ｍｍとし、長軸における内径寸法を28.0ｍｍとし、板圧0.3ｍｍのものを用いた。そして、それに接触してロウ付け固定されるインナーフィン１として、そのフィン高さａ（図２、図３）を3.0ｍｍ，ピッチ5.0ｍｍ，フィン脚部の角度θ（図３）を0°，フィン板圧0.1ｍｍの矩形波形状のインナーフィン１とする。そして、比較例のインナーフィンとして、その頂部及び谷部が湾曲したものを、前記と同一の形状のチューブ２内にロウ付け固定する。そして、チューブ２の長さが50ｍｍの熱交換器モデルを用いた。

次に、温度60℃、ゲージ圧0.3ｇ/cm^２、水分量15％の空気を、1.0ｍ/sec、0.5m/sec、1.5m/secの各流速において30分流通させ、チューブ２の外面側には50℃の冷却水を流通させた。なお、矩形波状のインナーフィン１の頂部の隅におけるＲ（図４Ａ）は0.3ｍｍとした。また、チューブ２はその長手方向が重力方向に向くように配置した。

その結果、矩形波状のインナーフィン１では、流速1.0m/secの時、図４（Ａ）の如く、その頂部及び谷部の隅に凝縮水17がわずかに付着し、他はその隅に沿って下方に流下していることがわかった。これに対し、従来型インナーフィン１図４（Ｂ）では凝縮水17が大きく成長し、インナーフィン１とチューブ２との間のみならず、インナーフィン１の内側にまで保持されていた。その結果、チューブ２の流路断面積が少なくなり、その内部を通る気体の流通抵抗が大きくなっていた。

これらのことからインナーフィン１はその頂部及び谷部が平坦なものの方が排水性に優れていることがわかる。また、その場合にはインナーフィン１とチューブ２との接触およびロウ付け面積が広くなり両者間の伝熱性がよく、凝縮性能が優れていることは自明である。
図４（Ａ）、（Ｂ）では流速を、１.0m/secとしたが、それを0.5m/sec及び1.5m/secとした場合にも同様の実験結果が得られた。

インナーフィン１を台形波状にした場合の脚部の傾斜角度を15°以下の条件とした理由は次の実験による。
図３において、インナーフィン１の脚部1aの斜面のなす角θを0〜25°の範囲で5°おきに（5°、10°、15°、20°、25°）したものを用意する。その角度以外は図４の（Ａ）と同一の条件とする。そして前記同様に保水性、排水性の実験を行った。その結果を図５に示す。

図５から明らかなように、台形波状のフィンにおいて、その脚部1aの傾斜角度θが15°を超えると保水率が極端に上昇し、排水性が悪くなることがわかる。そこで、台形フィンを用いる場合には、その脚部1aの傾斜角度θは15°以内にする必要がある。なお、同一のフィンピッチにおいて、傾斜角度θを大きくすることは、頂部及び谷部の平面面積が小さくなり、インナーフィン１とチューブ２との伝熱性が悪くなることを意味するので、脚部1aの傾斜角度θが大きいほど冷却性能が低下することは自明である。

次にインナーフィン１のフィン高さａ（図３）を1.5〜3.5ｍｍとした理由は、次の実験結果により最適値を求めたものである。フィンの高さを0.5ｍｍ〜5.0ｍｍの範囲で0.5ｍｍずつ増加した7種類のフィン高さのものを用意した。このときのフィンピッチは5.0ｍｍであり、脚部の角度は0°である。即ち、矩形フィンを用いた。

そしてフィン厚さを0.1ｍｍとし、頂部を平坦に形成すると共に、頂部の隅部における曲率半径rを0.3ｍｍとする。そして、それぞれのフィン幅は同一とする。そして、上記７種の各フィン高さに整合する偏平なチューブを用いる。即ち、その断面の短軸長さを前記フィン高さにそれぞれ整合（0.5〜5.0ｍｍの範囲で0.5ｍｍずつ増加）し、断面の長径を28ｍｍ、板厚0.3ｍｍとしてインナーフィン１をチューブ２内にロウ付け固定する。

そして、温度60℃、ゲージ圧0.3kｇ/cm²、水分量15％の空気を1.0m/secで30分流通させ、チューブ外面側を50℃の冷却水で冷却させた。比較のため水分量0％の空気を流通させ、それぞれの熱伝達率を比較した。それと共に、各フィン高さにおける保水率を測定してみた。その結果を図６で示す。

同図において、横軸にフィン高さをとり、縦軸は保水率と熱伝達率とを表わす。また、破線は乾燥空気実験による熱伝達率αを示し、実線の◎は含水空気実験による熱伝達率αをプロットしたものである。また、実線の×は含水空気の凝縮により生成する凝縮水の保水率（％）をプロットしたものである。

その結果、乾燥空気の場合には、フィン高さが極めて低くても、その熱伝達率はほとんど変わらなかった。しかしながら、水分量が15％の空気を凝縮させた場合には、フィン高さが1.5ｍｍ以下では急激に保水率が上昇し、その結果気体の流通断面が縮小し、熱伝達率が急激に低下することがわかった。また、排水性も悪くなる。またフィン高さが3.5ｍｍを超えると、熱伝達率が急激に低下する。そこで、フィン高さの最適値は１.5ｍｍ〜3.5ｍｍである。

次に、インナーフィン１のフィンピッチを3.0〜7.0ｍｍとしたのは次の実験結果に基づくものである。先ず、フィン高さを3.0ｍｍに固定し、フィンピッチを0.5〜10.0ｍｍの間で1.0ｍｍずつ増加させたものを用意し、そのフィン高さ3.0ｍｍに整合する偏平チューブ内にそれぞれのフィンをロウ付け固定し、排水性及び熱伝達率の測定を行った。その他の実験条件は前記のものと同一であり、温度60℃、ゲージ圧0.3kｇ/cm²、水分量15％の空気を1.0m/secで30分流通させ、チューブ外面側を50℃の冷却水で冷却した。

その結果を示すものが図７である。同図において横軸にフィンピッチをとり、縦軸に保水率と熱伝達率とをとり、破線と実線は上記プロットと同じものを示す。その結果、フィンピッチが3.0ｍｍ以下の場合にはその保水率が急激に上昇し、排水性が悪くなる。それと共に、熱伝達率が低下する。また、フィンピッチが7ｍｍを超えると、熱伝達率が急激に低下する。したがって、排水性と熱伝達率との両者を満足する範囲は、フィンピッチが3.0〜7.0ｍｍであることがわかる。

（変形例）
次に、図８は、本発明の凝縮器の他の例を示す要部横断面図である。これは並列したチューブ２間にアウターフィン16を配置し、チューブ２内に冷却媒体７を流通させ、チューブ２の外面及びアウターフィン16側に水分を含む気体８を流通させるものである。またチューブ２およびアウターフィン16の頂部の方向は重力方向に位置する。

この場合のアウターフィン16は、その排水性及び熱伝達率の面から、前記インナーフィン１と同一の条件になり、その最適範囲は前記の実験をそのまま採用することができる。従って、アウターフィン16の最適範囲はインナーフィン１のものと同一になる。そこでこの例の発明の凝縮器を請求項２とする。
なお、気体８の流通方向は、図１の場合と同様に重力方向に流通させることが好ましい。それにより凝縮水の流下を促すことができる。

本発明の凝縮器の一部破断斜視図。同凝縮器に用いられるチューブ２の要部横断面図。同チューブ２に内装される時のインナーフィン１又は外装される時のアウターフィン16の一例を示す要部横断面図。本発明のインナーフィン１と従来のインナーフィン１との排水性比較実験を示す説明図。

台形波状のインナーフィン１を用いた場合の脚部角度θと保水性との関係を示す説明図。インナーフィン１のフィン高さと保水率及び熱伝達率αとの関係を示す図。インナーフィン１のフィンピッチと保水率及び熱伝達率αの関係を示す図。本発明の他の凝縮器の要部横断面図。

符号の説明

１インナーフィン
1a 脚部
２チューブ
３コア
４ヘッダ
4a ヘッダプレート
５ヘッダ
６ケーシング
７冷却媒体
８気体
９膨出部
10 気体入口パイプ

11 気体出口パイプ
12 入口パイプ
14 出口パイプ
15 凝縮器
16 アウターフィン
16a 脚部
17 凝縮水
ａインナーフィンの高さ
ｂアウターフィンの高さ
ｃフィンピッチ
θ 脚部角度

Claims

水分を含む気体がインナーフィン(1) を有する複数のチューブ(2) に導かれ、そのチューブ(2) の外周を冷却することにより、前記気体中の水分を凝縮して除去する凝縮器であって、
そのチューブ(2) は、一対の対向する平行平面を有して、内部に偏平な流路が形成され、
前記インナーフィン(1) は、その頂部および谷部が平坦な矩形波状または台形波状に曲折され、その頂部および谷部の平面が前記チューブ(2) の内面に接触固定され、
夫々のチューブ(2) の上下両端が一対のヘッダ(4) (5) に連通すると共に、そのコア(3)外周がケーシング(6) で被嵌され、
複数の前記チューブ(2) およびインナーフィン(1) の頂部および谷部が夫々重力方向に位置され、ケーシング(6) 内に冷却媒体(7) が流通すると共に、前記ヘッダ(4) を介して各チューブ(2) 内に被冷却用の水分を含む気体(8) が導かれるものにおいて、
そのインナーフィン(1) が前記台形波状の場合には、その脚部(1a)の傾斜面の角度が、直角に対して15°以下であり、
そのインナーフィン(1) は、その高さａが1.5mm 〜3.5mm であり、フィンピッチｃが３mm〜７mmとすることにより、
インナーフィン(1)の表面に保持される凝縮水を可及的に少なくすると共に、熱交換性能を向上させたことを特徴とする凝縮器。
水分を含む気体がアウターフィン(16)の接する複数のチューブ(2) の外面側に導かれ、そのチューブ(2) 内に冷却媒体を導くことにより、前記気体中の水分を凝縮して除去する凝縮器であって、
そのチューブ(2) は、一対の対向する平行平面を有して、内部に偏平な流路が形成され、
前記アウターフィン(16)は、その頂部および谷部が平坦な矩形波状または台形波状に曲折され、その頂部および谷部の平面が隣り合う夫々のチューブ(2) の外面に接触固定され、
複数の前記チューブ(2) およびアウターフィン(16)の頂部が夫々重力方向に位置し且つ、互いに平行に並列されてコア(3) が構成され、夫々のチューブ(2) の上下両端が一対のヘッダ(4) (5) に連通すると共に、そのコア(3)外周がケーシング(6) で被嵌され、
ケーシング(6) 内に被冷却用の水分を含む気体(8) が流通すると共に、前記ヘッダ(4) を介して各チューブ(2) 内に冷却媒体(7) が導かれるものにおいて、
そのアウターフィン(16)が前記台形波状の場合には、その脚部(16a) の傾斜面の角度が、直角対して15°以下の傾斜角度であり、
そのアウターフィン(16)の高さｂが1.5mm 〜3.5mm であり、フィンピッチｃが３mm〜７mmとすることにより、
インナーフィン(1)の表面に保持される凝縮水を可及的に少なくすると共に、熱交換性能を向上させたことを特徴とする凝縮器。