JP6471020B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関する。

次世代の自動車として、燃料電池搭載車両（以下、「水素自動車」という）の開発が進められている。水素自動車は、水素ガスを燃料とするため、ＣＯ_２、ＮＯ_Ｘ、ＳＯ_Ｘ等の排出がなく、水を排出するだけの環境にやさしい自動車とされている。

水素自動車は、燃料補給時には通常のガソリン自動車と同様に、燃料である水素ガスを充填する水素ステーションから水素ガスを補給する。この時、水素自動車の燃料タンクへの水素ガスの充填は、高圧かつ急速での圧縮充填であるため、燃料タンクが上限温度に達しないように、水素ステーション内において水素ガスを冷却する必要がある。

一般的に、水素ガスの冷却装置として、特許文献１に開示されるような熱交換器が用いられている。特許文献１に開示された熱交換器においては、冷媒配管と水素ガス配管との冷却媒体となるブラインが充填された容器内に複数のプロペラを設けた構成となっている。この熱交換器では、複数のプロペラを回転させてブラインを撹拌することにより、ブラインと冷媒配管の表面との熱伝達、及びブラインと水素ガス配管の表面との間の熱伝達の効率を上げ、その結果、水素ガスの冷却能力を高めている。

国際公開第２０１３／００２１６１号

しかしながら、近年、燃料タンクへ水素ガスを充填する際に、充填圧力のさらなる高圧化、充填速度のさらなる急速化が望まれており、熱交換器には冷却能力のさらなる向上が要求されていることが実状であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスの冷却能力に優れた熱交換器を提供することを目的としている。

かかる課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
すなわち、請求項１に係る発明は、冷媒で冷却したブラインによって水素ガスを冷却する熱交換器であって、ブラインが充填された容器と、前記容器内に配設された水素ガス経路と、前記容器内であって、前記水素ガス経路の周囲に配設された冷媒経路と、前記容器内への噴出口を１以上有するブライン経路と、を備え、１以上の前記噴出口が、前記水素ガス経路又は前記冷媒経路と対向するように配置され、前記容器が、１以上のブラインの導出口と、２以上のブラインの導入口と、を有し、前記導出口と前記導入口とにわたって、前記ブライン経路が設けられており、前記ブライン経路が、前記導入口側で２以上に分岐し、分岐した当該ブライン経路の各先端側に前記噴出口が設けられるとともに、分岐した前記ブライン経路の先端側が、前記導入口から前記容器内に挿入される、熱交換器である。

請求項２に係る発明は、１以上の前記噴出口が、前記容器の中心軸に向けられている、請求項１に記載の熱交換器である。

請求項３に係る発明は、前記導入口と前記ブライン経路とが固着されていない、請求項１または２に記載の熱交換器である。

請求項４に係る発明は、前記ブライン経路に、循環ポンプが設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱交換器である。

請求項５に係る発明は、前記分岐されたブライン経路のそれぞれに、前記循環ポンプが設けられている、請求項４に記載の熱交換器である。

請求項６に係る発明は、前記循環ポンプの出力を制御する制御部を有する、請求項４又は５に記載の熱交換器である。

請求項７に係る発明は、前記容器の中心軸の軸線方向に配設された回転軸と、前記回転軸に設けられたプロペラと、を備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱交換器である。

本発明の熱交換器は、ブラインが充填された容器内に、水素ガス経路、冷媒経路及びブライン経路の１以上の噴出口が設けられているため、容器内のブラインを望ましい方向及び速度で水素ガス経路又は冷媒経路に向けて噴出することができ、容器内のブラインをより撹拌することができる。これにより、ブラインと冷媒経路及び水素ガス経路との間の熱伝達の効率が向上するため、水素ガスの冷却能力を向上させることができる。

本発明を適用した一実施形態である熱交換器の、垂直方向の断面図である。 本発明を適用した一実施形態である熱交換器の、水平方向の断面図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である熱交換器について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

先ず、本発明を適用した一実施形態である熱交換器の構成について説明する。
図１及び図２は、本発明を適用した一実施形態である熱交換器を示す断面図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の熱交換器１は、ブラインが充填された容器２と、容器２内に配設された水素ガス配管（水素ガス経路）３と、水素ガス配管３の周囲に配設された冷媒配管（冷媒経路）４と、容器２内への噴出口５ａを１以上有するブライン配管（ブライン経路）５と、を備えて概略構成されている。この熱交換器１は、冷媒で冷却したブラインによって水素ガスを冷却する設備である。

容器２は、図１に示すように、縦長有底円筒状の容器本体２Ａと、容器本体２Ａの上部開口を塞ぐ円盤状の蓋２Ｂと、を有して構成されており、内部空間内にはブラインが充填されている。

容器本体２Ａには、容器２内のブラインを容器２外に導出するためのブライン導出口（ブラインの導出口）２ａと、ブラインを容器１内に導入するためのブライン導入口（ブラインの導入口）２ｂと、が設けられている。具体的には、ブライン導出口２ａは、後述する下部マニホールド４Ｂの高さの近傍に１つ設けられている。一方、ブライン導入口２ｂは、図２に示すように、後述する上部マニホールド４Ａの高さの近傍に、同一平面上に複数設けられている。これにより、容器２内において、上側から下側向きへのブラインの対流を作ることができる。したがって、容器２内のブラインに生じた不必要な温度勾配を解消できるとともに、ブラインと水素ガス配管３の及び冷媒配管４の表面との間の熱伝達を高めることができる。

なお、本実施形態の熱交換器１では、容器２の底部側に１つのブライン導出口２ａ、上部側に２以上のブライン導入口２ｂを有する構成を一例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、複数のブライン導出口２ａを設けてもよいし、１つのブライン導入口２ｂとしてもよい。また、ブライン導出口２ａを容器２の上部側に設けてもよいし、ブライン導入口２ｂを容器２の底部側に設ける構成としてもよい。さらには、ブライン導出口２ａ及びブライン導入口２ｂを、容器２の底面や、蓋２Ｂに設けてもよい。

蓋２Ｂには、それぞれ図示しない、冷却前の水素ガスを水素ガス配管３に導入する水素ガス導入管と、冷却後の水素ガスを水素ガス配管３から導出する水素ガス導出管と、ブライン冷却用の冷媒を冷媒配管４に導入する冷媒導入管と、冷媒を冷媒配管４から導出する冷媒導出管とが、設けられている。

水素ガス配管３は、図１及び図２に示すように、容器２の中心軸Ｐの周囲に、螺旋状に設けられている。水素ガス配管３の内側には、水素自動車の燃料タンクに充填される水素ガスが流れている。また、水素ガス配管３の外側は、予め冷却されたブラインで満たされており、水素ガスの熱は、水素ガス配管３の管壁を通して、ブラインに吸収される。

冷媒配管４は、容器２内において水素ガス配管３の周囲に取り囲むように配設された冷媒経路である。この冷媒配管４は、水素ガス配管３の上方に設けられた環状の上部マニホールド４Ａと、水素ガス配管３の下方に設けられた環状の下部マニホールド４Ｂと、上部マニホールド４Ａと下部マニホールド４Ｂとの間にわたって設けられた複数の中継管４Ｃと、を有して構成されている。それぞれの中継管４Ｃは、上下端で上部マニホールド４Ａ及び下部マニホールド４Ｂと連通するように接続されている。

冷媒配管４の内側には、ブラインを冷却するための冷媒が流れている。具体的には、図示略の冷媒導入管から下部マニホールド４Ｂに導入された冷媒は、各中継管４Ｃを経由して上部マニホールド４Ａへと流れ、上部マニホールド４Ａから図示略の冷媒導出管を経由して容器２の外側に導出される。また、図示略の冷媒導出管と冷媒導入管とは、容器２の蓋２Ｂの外側において、同じく図示略の環状の冷媒循環ラインと接続されている。

なお、上述の冷媒循環ラインでは、冷媒の閉冷凍サイクルが行われる。具体的には、容器２の外側の冷媒循環ラインでは、循環する冷媒の圧縮工程、凝縮工程、膨張行程が行われ、蒸発に適した状態の冷媒が、冷媒配管４に供給される。そして、容器２内の冷媒配管４内において蒸発工程が行われる。これにより冷熱が発生し、冷媒配管４の壁を通して、冷媒配管４の外側に満たされたブラインを冷却する。

冷媒としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、フロン、代替フロン、アンモニア、二酸化炭素、炭化水素等を用いることができる。

ブライン配管５は、容器２の外側に設けられたブラインの循環経路である。このブライン配管５には、図１に示すように、ブラインを循環するための循環ポンプ６が設けられている。具体的には、ブライン配管５の一端は、容器２に設けられたブライン導出口２ａと連通するように接続されており、容器２内のブラインをブライン配管５内に導出可能とされている。一方、ブライン配管５の他端側は、図１及び図２に示すように、ブライン導入口２ｂの数に対応するように分岐されており、それぞれブライン導入口２ｂを貫通して挿入するように設けられて、容器２内にブラインを導入可能とされている。

なお、ブライン導入口２ｂと分岐されたブライン経路５の他端側とは、ブラインが容器内から漏出しない程度に密着されているが、完全には固着されてはおらず、ブライン導入口２ｂからの挿入量を自在に調整することができる。これにより、分岐されたブライン経路５の他端側の、容器２内への差し込み長さや、向きを自由に変更することができる。

また、図２に示すように、ブライン配管５の分岐された他端は、それぞれが噴出口５ａとなっており、全ての噴出口５ａから噴出されるブラインは、容器２の中心軸Ｐの１点に向けられて、中心軸付近で噴出されたブライン同士がぶつかり合うように調整されている。これにより、ブラインをより撹拌することができる。したがって、ブラインと水素ガス配管３の及び冷媒配管４の表面との間の熱伝達をより高めることができる。

さらに、各噴出口５ａは、冷媒配管４の中継管４Ｃと対向するように配置されている。これにより、各噴出口５ａからブラインを直接中継管４Ｃに向けて噴射することができるため、ブラインと冷媒配管４の表面との間の熱伝達をさらに高めることができる。さらには、中継管４Ｃの両側に分かれたブラインの流れが、水素ガス配管３に対しても効率よく当たるため、ブラインと水素ガス配管３の表面との間の熱伝達についてもさらに高めることができる。

なお、上述したように、ブライン経路５の分岐部分の容器２内への差し込み長さを調整することにより、各噴出口５ａと中継管４Ｃとの距離を調整することができる。また、ブライン経路５の分岐部分の容器２内への差し込む向きを調整することにより、各噴出口５ａの中継管４Ｃへのブライン噴出角度を調整することができる。

この形態の追加の効果としては、ブラインの流れは中継管４Ｃから水素ガス配管の順で当たるため、中継管４Ｃによって効率よく冷やされたブラインを、温度が上がる前の短時間で水素ガス配管に効率よく当てる事ができる。

循環ポンプ６は、水素防爆範囲で使用可能であることが求められる。なお、ブラインを循環供給する方法については、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、分岐されたブライン配管５のそれぞれに循環ポンプを設ける構成としてもよい。また、水素防爆に適応した方法であれば、ブロワや圧縮機などを用いてもよい。

さらには、循環ポンプ６の出力を制御する制御部（図示略）を設ける構成としてもよい。特に、分岐されたブライン配管５のそれぞれに循環ポンプ６を設けるとともに、その各循環ポンプ６にそれぞれ制御部を設ける構成とすることが好ましい。ブラインの循環供給の開始と停止、ブラインの循環量を個別に制御することにより、個々の噴出口５ａからのブラインの噴出の有無や、噴出の速度を個別に制御することができる。これにより、容器２内での恒常的な温度の偏りなどを解消することができる。

以上説明したように、本実施形態の熱交換器１では、冷媒配管４の中継管４Ｃと対向するようにブラインの各噴出口５ａを配置し、中継管４Ｃに向けて直接ブラインを噴出することによって、容器２内のブラインの流れに乱流をつくることができるため、ブラインと水素ガス配管３の及び冷媒配管４の表面との間の熱伝達をより高めることができる。したがって、水素ガスの冷却能力をより高めることができる。

また、本実施形態の熱交換器１によれば、例えば、容器２内のブラインを中心軸に設けたプロペラ等によって撹拌する従来の熱交換器と比較した場合、約１０％程度、水素ガスの冷却能力を向上することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。すなわち、熱交換器の能力を上げるため、ブライン導出口およびブライン導入口の数や位置、また、ブラインを噴出する向きや強さなどを変更する等の、種々の変更を加えてもよい。

具体的には、上述した実施形態の熱交換器１においては、各噴出口５ａからブラインを噴出する方向を、中心軸Ｐ上の任意の一点に集中させた構成を一例として説明したが、容器２内のブラインをより撹拌する目的で、中心軸Ｐ上でそれぞれ異なる方向に向けてもよいし、中心軸Ｐに向けなくてもよい。

また、上述した実施形態の熱交換器１においては、各噴出口５ａからのブラインの噴出の強さは、全て同じ構成を一例として説明したが、それぞれのブラインを供給するブライン配管５の分岐後の配管の太さや、噴出口５ａの穴の大きさ（口径）を複数設けることによって、ブラインの噴出する強さに変化を設けてもよい。

また、上述した実施形態の熱交換器１においては、容器２に設けたブライン導出口２ａ及びブライン導入口２ｂと、ブライン配管５と、循環ポンプ６とによって、容器２内のブラインを循環させる構成を一例として説明したが、さらに、水素ガス配管３の内側に、容器２の中心軸Ｐの軸線方向に配設された回転軸と、この回転軸に設けられたプロペラと、を設け、エアーモーターでプロペラを回転させて、よりブラインを撹拌させてもよい。これにより、容器２内のブラインの対流を、層流と乱流とを組み合わせたものとすることができる。

さらに、本発明の熱交換器は、上述した実施形態の熱交換器１では、全ての噴出口５ａが冷媒配管４の中継管４Ｃと対向するように配置される構成を一例として説明したが、水素ガス配管３に近接する位置で、当該水素ガス配管３と対向するように配設される１以上の噴出口５ａと、冷媒配管４に近接する位置で、当該冷媒配管４と対向するように配設される１以上の噴出孔５ａと、を両方備える構成であってもよい。これにより、ブラインと水素ガス配管３及び冷媒配管４の表面との間の熱伝達をさらに高めることができる。

本発明の熱交換器は、特に、水素自動車の燃料タンク等へ水素ガスを充填する設備に設けられる水素ガス冷却用熱交換器に適した熱交換器等に利用可能性を有する。

１…熱交換器、２…容器、２Ａ…容器本体、２Ｂ…蓋、２ａ…ブライン導出口（ブラインの導出口）、２ｂ…ブライン導入口（ブラインの導入口）、３…水素ガス配管（水素ガス経路）、４…冷媒配管（冷媒経路）、４Ａ…上部マニホールド、４Ｂ…下部マニホールド、４Ｃ…中継管、５…ブライン配管（ブライン経路）、５ａ…噴出口、６…循環ポンプ

Claims (7)

1. 冷媒で冷却したブラインによって水素ガスを冷却する熱交換器であって、
   ブラインが充填された容器と、
   前記容器内に配設された水素ガス経路と、
   前記容器内であって、前記水素ガス経路の周囲に配設された冷媒経路と、
   前記容器内への噴出口を１以上有するブライン経路と、を備え、
   １以上の前記噴出口が、前記水素ガス経路又は前記冷媒経路と対向するように配置され、
   前記容器が、１以上のブラインの導出口と、２以上のブラインの導入口と、を有し、
   前記導出口と前記導入口とにわたって、前記ブライン経路が設けられており、
   前記ブライン経路が、前記導入口側で２以上に分岐し、分岐した当該ブライン経路の各先端側に前記噴出口が設けられるとともに、
   分岐した前記ブライン経路の先端側が、前記導入口から前記容器内に挿入される、熱交換器。
2. １以上の前記噴出口が、前記容器の中心軸に向けられている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記導入口と前記ブライン経路とが固着されていない、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記ブライン経路に、循環ポンプが設けられている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記分岐されたブライン経路のそれぞれに、前記循環ポンプが設けられている、請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記循環ポンプの出力を制御する制御部を有する、請求項４又は５に記載の熱交換器。
7. 前記容器の中心軸の軸線方向に配設された回転軸と、
   前記回転軸に設けられたプロペラと、を備える、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の熱交換器。

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