JP6116951B2 - ヘッダープレートレス熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、両端部が拡開された偏平チューブを積層して、コアを形成したヘッダプレートレス熱交換器であって、燃料電池の排ガスから廃熱と凝縮水を回収する熱交換器として最適なものに関する。

一例として、燃料電池の排ガスから廃熱を回収する熱交換器として、ヘッダプレートレス型のものが使用されている。これは偏平チューブ内に排ガスを流通させ、その外側に冷却水を流通させたものである。その偏平チューブとして、両端に厚み方向へ拡開部を設け、その偏平チューブを積層してコアを形成し、その外周にケーシングを被嵌するとともに、コアの長手方向両端部に一対のガスタンクを設けたものが知られている。そして、ケーシング内に冷却水を導き、偏平チューブの外側に流通させるとともに、ガスタンクから各偏平チューブ内に高温の排ガスを流通させ、そのガスと冷却水とを熱交換させるものである。

なお、燃料電池から流出する排ガスの熱を利用した燃料電池給湯システムが下記特許文献１に知られている。このシステムでは、ポンプ流量、燃料電池等の制御を、給湯器の出口に設けた温度センサーによって行なう。このようなシステムの冷却水は通常、水道水を用いる。熱交換器内でのその流量は、１リットル／分程度で、極めて低流量である。

図８は、従来型のガスクーラとしての熱交換器であり、一例として、ケーシング６の一側のコア３両端部に一対の冷却水入口5a、冷却水出口5bを設け、冷却水入口5aから冷却水９を各偏平チューブ２の外面側に流通させ、それを冷却水出口5bから排出させる。また、被冷却流体８は入口15から一方のタンク７を介して各偏平チューブ２の内部に供給され、他方のタンク７および出口16を介して外部に排出されるものである。

特許第４５３６０２２号公報

上記特許文献１に示された給湯システムは、出口配管内の各部に温度むら（温度分布）があると、センサの位置により、その入力信号が異なり、受熱量の正確な把握ができない。そのため、その温度制御に支障をきたす。そこで、このようなシステムに用いられる熱交換器は、出口における温水温度の均一化が要求される。
さらに、このような水冷ガスクーラは、各偏平チューブ２の一部に冷却水の滞留域17が生じがちである。この例では偏平チューブ２の平面において、冷却水の下流側であって、偏平チューブ２の平面の中心線に対して冷却水出口5bの反対側に滞留域17が生じる。すると、そこで沸騰が起こり、熱交換性能が低下する。それとともに、沸騰に基づく気泡が滞留し、さらに熱交換性能が低下する問題があった。
そこで本発明は、気泡の発生を可能な限り抑制するとともに、その排出を容易にし、且つ出口部で温水に温度むらのない熱交換器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、両端に厚み方向へ拡開された拡開部（１）を有する複数の偏平チューブ（２）が、その拡開部（１）で互いに積層されたコア（３）と、
そのコア（３）の外周を被嵌すると共に、その側壁（４）に一対の冷却水入口（５ａ）、冷却水出口（５ｂ）が互いに離間して設けられたケーシング（６）と、
前記コア（３）の両端に配置された一対のタンク（７）と、を具備し、
一対のタンク（７）を介して各偏平チューブ（２）内に被冷却流体（８）が流通すると共に、前記一対の冷却水入口（５ａ）、冷却水出口（５ｂ）を介して冷却水（９）が偏平チューブ（２）の外面側に流通するヘッダープレートレス熱交換器において、
前記冷却水出口（５ｂ）近傍で、出口側の一端から、その他端部を除き、各偏平チューブ（２）の拡開部（１）に沿って、その拡開部（１）の高さに等しい高さの突条（１０）が、その偏平チューブ（２）の外面に形成されて、その突条（１０）と拡開部（１）との間に細長い冷却水（９）の峡水路（１１）が形成され、
冷却水（９）がその出口部近傍で、前記突条（１０）を迂回して前記峡水路（１１）の入口に導かれるように構成され、
前記偏平チューブ（２）の前記冷却水出口（５ｂ）近傍で且つ、前記突条（１０）の中心線に対して峡水路（１１）とは反対側で、前記突条（１０）の根元に冷却水案内用の凸部（１２）が、その偏平チューブ（２）に前記拡開部（１）の高さに等しく形成されたヘッダープレートレス熱交換器である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のヘッダープレートレス熱交換器において、
前記冷却水出口（５ｂ）の位置で前記ケーシング（６）に、その外面側へ溝状の冷却水マニホールド用溝部（１８）が、偏平チューブ（２）の積層方向へ形成され、
前記各峡水路（１１）の出口が、その冷却水マニホールド用溝部（１８）に対向するように配置されたヘッダープレートレス熱交換器である。

請求項３に記載の本発明は、請求項１又は請求項２のいずれかに記載のヘッダープレートレス熱交換器において、
冷却水出口（５ｂ）側に、被冷却流体（８）の入口側のタンク（７）が配置されたヘッダープレートレス熱交換器である。
請求項４に記載の本発明は、両端に厚み方向へ拡開された拡開部（１）を有する複数の偏平チューブ（２）が、その拡開部（１）で互いに積層されたコア（３）と、
そのコア（３）の外周を被嵌すると共に、その側壁（４）に一対の冷却水入口（５ａ）、冷却水出口（５ｂ）が互いに離間して設けられたケーシング（６）と、
前記コア（３）の両端に配置された一対のタンク（７）と、を具備し、
一対のタンク（７）を介して各偏平チューブ（２）内に被冷却流体（８）が流通すると共に、前記一対の冷却水入口（５ａ）、冷却水出口（５ｂ）を介して冷却水（９）が偏平チューブ（２）の外面側に流通するヘッダープレートレス熱交換器において、
前記冷却水出口（５ｂ）近傍で、出口側の一端から、その他端部を除き、各偏平チューブ（２）の拡開部（１）に沿って、その拡開部（１）の高さに等しい高さの突条（１０）が、その偏平チューブ（２）の外面に形成されて、その突条（１０）と拡開部（１）との間に細長い冷却水（９）の峡水路（１１）が形成され、
冷却水（９）がその出口部近傍で、前記突条（１０）を迂回して前記峡水路（１１）の入口に導かれるように構成され、
冷却水出口（５ｂ）側に、被冷却流体（８）の入口側のタンク（７）が配置されたヘッダープレートレス熱交換器である。

請求項５に記載の本発明は、請求項３又は請求項４のいずれかに記載のヘッダープレートレス熱交換器において、
前記偏平チューブ（２）内に、前記突条（１０）より被冷却流体（８）の下流側のみに、インナーフィン（１３）が配置されたヘッダープレートレス熱交換器である。

本発明は、各偏平チューブ２の拡開部１に沿って、突条10による冷却水９の峡水路11を偏平チューブ２の外面に設け、冷却水９が冷却水出口5b近傍で、突条10を迂回して、峡水路11の入口に導かれるように構成したものである。
そのため、偏平チューブの平面の中心線に対して、冷却水出口5bの反対側の近傍位置で生じる冷却水の淀み解消して、その淀み部で冷却水が沸騰することを抑制できる。
また、各部の沸騰による気泡が、その淀み部で滞留することを防止し、気泡を円滑に冷却水出口5bから排除できる。それと共に、峡水路11で冷却水の流速を増大し、さらに気泡を積極的に排除することができる。また、峡水路11内で冷却水が攪拌され、温水となった冷却水はその各部が均一な温度となり、センサーによる入力信号が安定して温度制御が容易となる。
さらに、突条10の根元に冷却水案内用の凸部12を設けたので、その突条10の根元に生じがちな、冷却水の淀み解消して、その淀み部で冷却水が沸騰することを抑制できる。

請求項２に記載の発明のように、冷却水出口5bの位置で、偏平チューブ(2)の積層方向へ前記ケーシング６に、その外面側へ溝状の冷却水マニホールド用溝部18を形成し、前記各峡水路11の出口を、そのマニホールド用溝部18に対向するように配置した場合には、冷却水および気泡をより円滑に流通させることができる。

請求項３又は請求項４のいずれかに記載の発明のように、冷却水出口5b側に、被冷却流体８の入口側のタンク７を設けた場合には、冷却水９と被冷却流体８が対向流となり、熱交換を促進できる。

請求項５に記載の発明のように、偏平チューブ２内に、突条10より被冷却流体８の下流側へのみに、インナーフィン13を配置した場合には、突条10および峡水路11にはインナーフィンがないので、その部分の熱交換を抑制して、峡水路11内に冷却水として水道水を用いても、その水道水中のカルシウムが析出することを防止する。これは、その部分が被冷却流体８の上流端であるため、その流体８は最も高温で、インナーフィンが存在すると、熱交換が促進されて、冷却水が高温となり、水中の溶存酸素が気泡となると共に、水中のカルシウムのバランスが崩れて、チューブの壁面にそのカルシウムが析出して、堆積するからである。
また、その部分からインナーフィンをなくすと、沸騰による気泡の発生を抑制し、峡水路11の冷却水の流通を促進できる。

本発明の熱交換器の縦断面図であって、図２のＩ−Ｉ矢視断面図。 同正面図。 同左側面図。 図１のIV−IV矢視断面拡大図。 同熱交換器に用いられるコア３の分解斜視図。 図１のVI−VI矢視断面図。 本発明の他の実施例の熱交換器の縦断面図。 従来型熱交換器の縦断面図。

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。

本発明のヘッダプレートレス熱交換器は、偏平チューブ２の積層体からなるコア３と、その外周を被嵌するケーシング６と、コア３の両端に配置された一対のタンク７とを有する。
コア３を構成する偏平チューブ２は、図５に示すごとく、浅い溝状に形成された一対の上プレート2aと下プレート2bとを互いに逆向きに嵌着したものからなる。上プレート2a、下プレート2bはともに、その長手方向の両端部に厚み方向に拡開部１が形成されている。それとともに、各プレート2a，2bの平面の外面側へ多数のディンプル14が千鳥状に配置され、それら各ディンプル14は、隣接するプレートで互いに整合する位置に突設されている。

さらに、本発明の要部である突条10が、上プレート2a、下プレート2bの拡開部１に近接して、この例では拡開部１に平行に且つ、拡開部１の高さと同一高さに形成されている。
この突条10は、図１の例では、各プレートの幅方向一端から中間部までの外面側に突出され、その根元部には凸部12が一体に形成されている。
この突条10と冷却水９との関係は、図１の如くである。即ち、突条10は冷却水出口5bの位置において、この例では偏平チューブ２の幅方向に平行に且つ、冷却水出口5b側の一端から中間部まで延在され、その根元部に凸部12が一体に形成されている。
そして、偏平チューブ２を構成する上プレート2aと下プレート2bとの、それぞれ外面側にそれらが突設され、各偏平チューブ２を積層することにより、各偏平チューブ２の拡開部１、突条10、凸部12、ディンプル14が図４の如くそれぞれ互いに接触する。そして、それらの接触部が一体的にろう付け固定されてコア３を構成する。このとき、突条10と拡開部１との間に峡水路11が形成される。突条10の長さは各偏平チューブ２の幅の１／４〜３／４の範囲で、偏平チューブ２の外面に滞留が生じないように、実験的に最良長さを決定する。

次に、この例ではケーシング６が、コア３を被嵌し、その長手方向両端に一体に一対のタンク７を有する。このケーシング６は、図２に示すごとく、箱状に形成されたケーシング本体6aとその開口を閉塞する蓋部材6bとからなる。そして、そのケーシング６はコア３の両端の両側に位置して４つの冷却水マニホールド用溝部18が外側に突設形成されている。
この冷却水マニホールド用溝部18は、コア３の積層方向の全長に渡って配置されている。そして、その溝部18の幅方向の中心線が各偏平チューブ２の各峡水路11の中心に位置する。さらに、冷却水マニホールド用溝部18の長手方向の中央には、図２に示すごとく、冷却水入口5a、冷却水出口5bが取り付けられている。また、ケーシング６のタンク７の一端面には排ガスの入口15が設けられ、他端側のタンク７の底面にその出口16が配置されている。

このように各部品を組立てた熱交換器は、互いに接触する少なくとも一方側にろう材が塗布または被覆され、炉内で一体的にろう付け固定されるものである。
そして、この例では燃料電池からの排ガスである被冷却流体８が、図１において左側のタンク７の入口15から、各偏平チューブ２の内部を流通して、右側のタンク７の出口16を介して外部に導かれる。また、冷却水９は冷却水入口5aから流入し、各偏平チューブ２の外面側を流通して冷却水出口5bに導かれる。
このとき、冷却水９は突条10および凸部12の存在により、突条10の先端側に導かれて、突条10と拡開部１との間の峡水路11を通り、冷却水出口5bに導かれる。また、凸部12は、突条10の根元部に滞留しがちな、冷却水９を突条10の先端側に導く。さらに凸部12は、ケーシング６とも接合され、冷却水９が突条10の根元から冷却水出口5bに直接バイパスされるのを防止している。峡水路11は、その横断面が比較的狭く形成されているため、そこで流速を増す。なお、各偏平チューブ２内には図６に示すごとく、インナーフィン13が配置される。

そして、各峡水路11を流通した冷却水９はそれぞれ冷却水マニホールド用溝部18内に導かれ、冷却水出口5bから外部に排出される。このとき偏平チューブ２の内部には、インナーフィン13が配置されているが、突条10と峡水路11とには、それが存在しない。そのため、その部分の熱交換が減少し、その部分で冷却水が沸騰するおそれがない。その部分の熱交換が抑制されると、峡水路11内に冷却水として水道水が流通しても、その冷却水中のカルシウムが析出することがない。また、沸騰によって生じる気泡のため、流通抵抗が増大することもない。
峡水路11を通る冷却水９の流速は、他の部分より早くなり、他の部分で生じた気泡も円滑に排除される。なお、この例では、冷却水出口5b、冷却水入口5aとがケーシング６の同一側に配置されたが、それらが対角位置に存在してもよい。

次に、図７は本発明の第２実施例であり、この実施例が図１のそれと異なる点は、偏平チューブ２の外面の突条10が幅方向に対して斜めに配置された点と、偏平チューブ２表面に第２突条10a、第３突条10bが千鳥状に配置された点である。このようにすることにより、冷却水９は多パスに流れ、滞留をなくしてより均一な温度分布となる。
なお、峡水路11の幅と長さは、流通抵抗を考慮し、冷却水の流量と流路断面とから適宜決定される。

１ 拡開部
２ 偏平チューブ
2a 上プレート
2b 下プレート
３ コア
４ 側壁
5a 冷却水入口
5b 冷却水出口

６ ケーシング
6a ケーシング本体
6b 蓋部材
７ タンク
８ 被冷却流体
９ 冷却水
10 突条
10a 第２突条
10b 第３突条

11 峡水路
12 凸部
13 インナーフィン
14 ディンプル
15 入口
16 出口
17 滞留域
18 冷却水マニホールド用溝部

Claims (5)

1. 両端に厚み方向へ拡開された拡開部（１）を有する複数の偏平チューブ（２）が、その拡開部（１）で互いに積層されたコア（３）と、
   そのコア（３）の外周を被嵌すると共に、その側壁（４）に一対の冷却水入口（５ａ）、冷却水出口（５ｂ）が互いに離間して設けられたケーシング（６）と、
   前記コア（３）の両端に配置された一対のタンク（７）と、を具備し、
   一対のタンク（７）を介して各偏平チューブ（２）内に被冷却流体（８）が流通すると共に、前記一対の冷却水入口（５ａ）、冷却水出口（５ｂ）を介して冷却水（９）が偏平チューブ（２）の外面側に流通するヘッダープレートレス熱交換器において、
   前記冷却水出口（５ｂ）近傍で、出口側の一端から、その他端部を除き、各偏平チューブ（２）の拡開部（１）に沿って、その拡開部（１）の高さに等しい高さの突条（１０）が、その偏平チューブ（２）の外面に形成されて、その突条（１０）と拡開部（１）との間に細長い冷却水（９）の峡水路（１１）が形成され、
   冷却水（９）がその出口部近傍で、前記突条（１０）を迂回して前記峡水路（１１）の入口に導かれるように構成され、
   前記偏平チューブ（２）の前記冷却水出口（５ｂ）近傍で且つ、前記突条（１０）の中心線に対して峡水路（１１）とは反対側で、前記突条（１０）の根元に冷却水案内用の凸部（１２）が、その偏平チューブ（２）に前記拡開部（１）の高さに等しく形成されたヘッダープレートレス熱交換器。
2. 請求項１に記載のヘッダープレートレス熱交換器において、
   前記冷却水出口（５ｂ）の位置で前記ケーシング（６）に、その外面側へ溝状の冷却水マニホールド用溝部（１８）が、偏平チューブ（２）の積層方向へ形成され、
   前記各峡水路（１１）の出口が、その冷却水マニホールド用溝部（１８）に対向するように配置されたヘッダープレートレス熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載のヘッダープレートレス熱交換器において、
   冷却水出口（５ｂ）側に、被冷却流体（８）の入口側のタンク（７）が配置されたヘッダープレートレス熱交換器。
4. 両端に厚み方向へ拡開された拡開部（１）を有する複数の偏平チューブ（２）が、その拡開部（１）で互いに積層されたコア（３）と、
   そのコア（３）の外周を被嵌すると共に、その側壁（４）に一対の冷却水入口（５ａ）、冷却水出口（５ｂ）が互いに離間して設けられたケーシング（６）と、
   前記コア（３）の両端に配置された一対のタンク（７）と、を具備し、
   一対のタンク（７）を介して各偏平チューブ（２）内に被冷却流体（８）が流通すると共に、前記一対の冷却水入口（５ａ）、冷却水出口（５ｂ）を介して冷却水（９）が偏平チューブ（２）の外面側に流通するヘッダープレートレス熱交換器において、
   前記冷却水出口（５ｂ）近傍で、出口側の一端から、その他端部を除き、各偏平チューブ（２）の拡開部（１）に沿って、その拡開部（１）の高さに等しい高さの突条（１０）が、その偏平チューブ（２）の外面に形成されて、その突条（１０）と拡開部（１）との間に細長い冷却水（９）の峡水路（１１）が形成され、
   冷却水（９）がその出口部近傍で、前記突条（１０）を迂回して前記峡水路（１１）の入口に導かれるように構成され、
   冷却水出口（５ｂ）側に、被冷却流体（８）の入口側のタンク（７）が配置されたヘッダープレートレス熱交換器。
5. 請求項３又は請求項４のいずれかに記載のヘッダープレートレス熱交換器において、
   前記偏平チューブ（２）内に、前記突条（１０）より被冷却流体（８）の下流側のみに、インナーフィン（１３）が配置されたヘッダープレートレス熱交換器。

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