JP6483936B2 - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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Description

本発明は主に冷却用に用いる熱交換器に関するものであり、例えば、燃料電池自動車（Fuel Cell Vehicle）に供給する水素ガスを短時間で所望温度に予冷するためのプレクーラーに適した熱交換器に関するものである。
従来、冷却用熱交換器としてシェルアンドコイル型の熱交換器が広く知られている。このシェルアンドコイル型の熱交換器は、螺旋状流路を有するコイル管と該コイル管を覆うシェル（容器、筒や管等）を用いて、熱エネルギーの異なる二つの流体の一方を当該コイル管内に流し、同コイル管外に他方を流す又は滞留して、二つの流体間の効率の良い熱交換を行わんとするものである。
例えば下記特許文献１・２に示す熱交換器は、何れも、同軸配置した内管と外管とから成る二重管構造を有し、その内管の外周面と外管の内周面間に形成した環状流路内に軸方向に沿ってコイル管による螺旋状流路を形成して、上記環状流路内を流れる流体と上記螺旋状流路内を流れる流体間で熱交換を行う構成となっている。
実開平１−１７０８７５号公報 実開平６−８４２７０号公報
上記特許文献１・２の熱交換器は、何れも、熱交換器の軸方向が上下方向であり、当然に環状流路は上下方向に延びる流路となっている。そして、何れの熱交換器も環状流路内に存する流体が重力により下方に流れて（落ちて）同環状流路の底部に溜まることを前提としている。
よって環状流路内に存する流体が溜まっている箇所と流れている箇所とでは、螺旋状流路内を流れる流体との熱交換が不均衡となり、高効率の熱交換を行い難い問題点を有している。特に短時間での流体冷却を目的とした熱交換には不適応である。
また、上記特許文献１の熱交換器は、内管の内部を環状流路へ流体を導く供給導管として使用しており、上記特許文献２の熱交換器は、内管の内部を環状流路から流体を排出する排出導管として使用している。
よって、上記特許文献１・２の熱交換器は、環状流路内の流体と螺旋状流路内の流体間の熱交換に加えて、内管の内部を流れる流体と環状流路内の流体との熱交換をも想定している。そのため、単に環状流路内の流体と螺旋状流路内の流体間の熱交換のみを行う場合に比して非効率的である。したがって、やはり短時間での流体冷却を目的とした熱交換には不適応である。
本発明は、既述した従来のシェルアンドコイル型熱交換器の構造を抜本的に改め、簡易構造ながらも熱交換の効率を飛躍的に向上した熱交換器を提供するものである。
要述すると、本発明に係る熱交換器は、同軸配置した内装管と外装管から成る二重管構造を有し、該内装管の外周面と該外装管の内周面間に軸方向に沿って環状流路を形成すると共に、該環状流路内に軸方向に沿ってコイル管を配して螺旋状流路を形成する傍ら、上記内装管の内部には流路を形成しない構成を具備し、上記環状流路内を一定方向に流れる冷却流体と上記螺旋状流路内を一定方向に流れる被冷却流体間で熱交換を行うことにより、高効率で斑なく被冷却流体を冷却することができる。
好ましくは、上記冷却流体が流れる向きは上記被冷却流体が流れる向きに対して向流である構成とすることにより、さらに効率良く熱交換を行うことができ、ひいては被冷却流体の短時間での冷却を可能とする。
また、上記コイル管を上記環状流路内に挿抜可能に配する構成とし、当該コイル管周壁の検査等のメンテナンスを容易にすることができる。よって特に被冷却流体が取扱いに慎重を期す流体である場合でも安全性を確保することができる。
また、上記環状流路において、上記コイル管より外側の外側環状流路の横断面積と、該コイル管よりも内側の内側環状流路の横断面積とが同一となるように上記コイル管のコイル平均径を設定することにより、上記外側環状流路内を流れる冷却流体と上記内側環状流路内を流れる冷却流体の流速や流量を一致させて上記被冷却流体を内外側から均一に冷却することができる。
好ましくは、上記コイル管に軸方向に沿って当該コイル管の全体形状及びコイルピッチを保つ保形材を設けることにより、上記冷却流体と上記被冷却流体の適切なる流動を確保する。
上記内装管の内部又は上記外装管の外部の一方のみに断熱材を配し、若しくは、上記内装管の内部及び上記外装管の外部の双方に断熱材を配して、さらに熱交換の効率を良くすることができる。
本発明に係る熱交換器は、簡易構造ながらも短時間で確実に被冷却流体を冷却することができる。また、簡易構造のため、材料コスト及び組立コストを抑えることができる。
また、本発明に係る熱交換器においては、冷却流体も被冷却流体も、それぞれ一定方向に流れるため、各々の流動エネルギーにロスがない。よって簡単に複数の熱交換器を繋げることができ、熱交換のさらなる効率化を図ることもできる。
また、内装管と外装管間にコイル管を挿抜することができ、メンテナンス性及び安全性に優れている。
内装管とコイル管との関係を示す分解斜視図である。 内装管及びコイル管と、外装管との関係を示す分解斜視図である。 本発明に係る熱交換器の正面図である。 本発明に係る熱交換器の縦断面図である。 内装管、コイル管、外装管及び環状流路を示す拡大横断面図である。 図５のＸ−Ｘ線断面図である。 本発明に係る熱交換器の拡大左側面図である。 本発明に係る熱交換器の他例を示す拡大左側面図である。 本発明に係る熱交換器の連結例を示す概念図である。 本発明に係る熱交換器の他の連結例を示す概念図である。
以下、本発明に係る熱交換器の最適な実施例について図１乃至図１０に基づき説明する。なお、実施例においては、燃料電池自動車に供給する水素ガスを予冷するためのプレクーラーを熱交換器として挙げているが、本発明に係る熱交換器が水素ガスを冷却するための熱交換器に限られないことは当然である。
＜基本構成＞
図１乃至図４に示すように、本発明に係る熱交換器１は、中心軸Ｏを共通として同軸配置した内装管２と外装管３とから成る二重管構造を有し、内装管２の外周面２ａと外装管３の内周面３ｂ間に軸方向に沿って横断面形状が環状の環状流路４を形成すると共に、該環状流路４内に軸方向に沿ってコイル管５を配して螺旋状流路６を形成する基本構成を有している。本発明に係る熱交換器１の軸方向は上下方向でも左右方向でも良い。すなわち熱交換器１を縦置きしても横置きしても良い。
既述の如く、本実施例では水素ガス冷却用のプレクーラーを想定して説明する。よって、環状流路４内を流れる冷却流体たるブライン（不凍液）と、螺旋状流路６内を流れる被冷却流体たる水素ガス間で熱交換を行う場合について説明する。すなわち、冷却流体が液体であり、被冷却流体は気体である。被冷却流体たる水素ガスは約４０℃から−３７℃程度まで冷却される。
ブラインとしては、供給温度である−４０℃前後で液体のものであれば特に限定はないが、例えばハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）、ギ酸カリウム水溶液等を使用する。
≪内装管の構成≫
内装管２はステンレス等の金属から成る円管であり、例えば内径が５４．９ｍｍ、外径が６０．５ｍｍ、周壁厚が２．８ｍｍである。該内装管２は、図４に示すように、内周面２ｂに囲まれた内部２ｃを有しているが、本発明において、この内部２ｃはブラインや水素ガスの流路としては用いない。つまり内装管２の内部２ｃは環状流路４にも螺旋状流路６にも通じていない。
当該内部２ｃは空洞のまま断熱空間として機能させるか、ウレタンフォーム等の断熱材を介在させる。本発明に係る熱交換器１においては、あくまでも環状流路４内のブラインと螺旋状流路６内の水素ガスとの熱交換に特化し、高効率の熱交換を実現するためであり、環状流路４内を流れるブラインに不要な熱エネルギーを付与しないためである。
また、内装管２の軸方向の一端部には芯出し突起２ｄが設けられており、該芯出し突起２ｄが後述する外装管３の一端部管３Ａに設けた受け入れ凹部３ｄと嵌合することにより、内装管２と外装管３とを適切に同軸配置することができる。同様に内装管２の他端部にも芯出し突起２ｄを設けることも実施において任意であるが、図１・図２に示すように、後述する外装管３の他端部管３Ｃと予め溶接等により一体化しておけば組立作業が容易となる。
≪外装管の構成≫
外装管３はステンレス等の金属から成る円管であり、組立容易性及びコイル管５の挿抜のために、三つの分割された管から構成される。既述の内装管２の寸法例示に対して、例えば内径が１０８．３ｍｍ、外径が１１４．３ｍｍ、周壁厚が３．０ｍｍに設定する。
詳述すると、図２に示すように、外装管３は、軸方向の一端部を構成する一端部管３Ａ、中央部を構成する中央部管３Ｂ及び軸方向の他端部を構成する他端部管３Ｃとから成り、それぞれの管はフランジ継手７を有している。よって隣接する管のフランジ継手７同士を突き合せ、該突き合せた一対のフランジ継手７を複数のボルト８とナット９とで締結することにより強固に連結して外装管３を構成することができる。なお、具体的には図示しないが、突き合せた一対のフランジ継手７間にはガスケットを介在配置しシール性を確保する。
また、外装管３は軸方向の一端部、つまり一端部管３Ａに環状流路４へブラインを供給する第一供給導管１０を有している。加えて軸方向の他端部、つまり他端部管３Ｃに環状流路４からブラインを排出する第一排出導管１１を有している。
図２・図３・図７に示すように、第一供給導管１０と第一排出導管１１は外装管３の軸方向に直交する方向且つ外装管３の周壁の接線方向に延びる構成とする。これにより、環状流路４に対するブラインの供給および排出をスムーズにすることができる。
詳述すると、外装管３の両端部から軸直交方向に延びる第一供給導管１０と第一排出導管１１により、図５に示すように、ブラインを環状流路４の軸方向の一端部（外装管３の軸方向の一端部）から他端部（外装管３の軸方向の他端部）まで流す。これにより冷却流体たるブラインは環状流路４内を一定方向、つまり図中の黒塗り矢印の方向のように軸方向に沿い流れていくこととなる。
図７に示すように、第一供給導管１０と第一排出導管１１とが、外装管３の周壁に対し同じ接線上で且つ外装管３の軸直交方向において互いに逆向きに延びる構成とすればよりブラインの供給と排出をスムーズにすることができる。また、図８に示すように、第一供給導管１０と第一排出導管１１とが、それぞれ外装管３の周壁に対し対向する接線上で且つ外装管３の軸直交方向において互いに同じ向きに延びる構成とすることができる。
環状流路４内の冷却流体たるブラインが流れる向きはコイル管５、つまり螺旋状流路６内の被冷却流体たる水素ガスが流れる向きに対して三次元的に向流とすることができ、さらに効率良く熱交換を行うことができ、ひいては水素ガスの短時間での冷却を可能とする。
また、外装管３の一端部及び他端部、つまり一端部管３Ａ及び他端部管３Ｃにはそれぞれ軸方向に延びる保護管３ｃが設けられており、該各保護管３ｃが後述するコイル管５の第二供給導管１３及び第二排出導管１４を保護しつつコイル管５を固定する。
なお、外装管３の外部、つまり外周面３ａを覆うように特殊エラストマー等の断熱材を配することができる。環状流路４内を流れるブラインに不要な熱エネルギーを付与しないためである。
≪コイル管の構成≫
コイル管５は、既述の内装管２及び外装管３の寸法例示に対して、例えば内径が４．９３ｍｍ、外径が９．５３ｍｍ、周壁厚が２．３ｍｍの円管をコイル平均径（コイル外径とコイル内径との平均）８７．２ｍｍでコイルピッチ１６．１８ｍｍとなるように設定し、螺旋状に巻いて形成する。該コイル管５の構成材としては、例えばオーステナイト系ステンレス鋼等のＮｉ当量値が２８．５％〜３２．０９％で引張強度が８００Ｎ以上の鋼材が望ましい。コイル状に成形（変形）されるコイル管自体の周壁厚を可及的に薄くできると共に、水素ガスに対して耐性が高いためである。
コイル管５は、図１・図４に示すように、ソレノイドコイル状、つまりコイル平均径を全長に亘り等径の螺旋状として成形する。又は部分長に亘りコイル平均径を拡径したり縮径したりすることができ、環状流路４と協働してブラインの流速を調整することができる。
なお、適切なコイル平均径とコイルピッチについての詳細は「環状流路及び螺旋状流路の構成」にて後述する。
コイル管５の軸方向の一端部には螺旋状流路６から水素ガスを排出する第二排出導管１４が設けられると共に同他端部には螺旋状流路６へ被冷却流体たる水素ガスを供給する第二供給導管１３が設けられている。この第二供給導管１３及び第二排出導管１４がコイル管５の軸方向と並行且つ互いに逆向きに延びる構成を具備している。なお、第二供給導管１３と第二排出導管１４とはコイル周方向において対向する位置に配するのが望ましい。これら両導管１３・１４は外装管３の保護管３ｃにより抱持されてコイル管５の環状流路４内への固定に貢献するが、第二供給導管１３と第二排出導管１４を上記のように対向配置することにより当該コイル管５が環状流路４内において無用に回転することを防止できるからである。
上記した構成のコイル管５は、内装管２と外装管３間の環状流路４内に容易に挿抜可能に配することができる。すなわち、既述のように外装管３が一端部管３Ａ、中央部管３Ｂ及び他端部管３Ｃに分割可能であると共に、コイル管５の一端部たる第二排出導管１４も他端部たる第二供給導管１３も外装管３の保護管３ｃにより抱持されるのみであり、溶接等の固着手段は不要だからである。
このように、コイル管５が環状流路４内に容易に挿抜可能なことにより、コイル管５の周壁に対する検査等を簡単に行うことができ、メンテナンスが容易となる。よって特に水素ガスのように取扱いに慎重を期す流体を利用する場合でも安全性を確保することができる。
また好ましくは、図１・図４に示すように、コイル管５に軸方向に沿って当該コイル管５の全体形状及びコイルピッチを保つ保形材１２を設けることにより、当該コイル管５の周りを流れるブラインと同コイル管５内を流れる水素ガスの適切なる流動を確保する。
保形材１２は外側保形材１２Ａと内側保形材１２Ｂとから成り、これら外側保形材１２Ａと内側保形材１２Ｂとでコイル管５を軸方向に沿って内外側から挾持し、該コイル管５を挟持した外側保形材１２Ａと内側保形材１２Ｂを適度な間隔をおいてステンレス製のバンド等で結束する。図６にも示すように、保形材１２はコイル周方向に等間隔で複数設けるのが望ましい。本発明において保形材１２を設ける数は特に問わない。
≪環状流路及び螺旋状流路の構成≫
図４乃至図６に示すように、環状流路４はコイル管５よりも外側の外側環状流路４Ａと、コイル管５よりも内側の内側環状流路４Ｂとに分かれる。よってブラインは外側環状流路４Ａ内と内側環状流路４Ｂ内へと分流し、コイル管５、ひいては螺旋状流路６を挟みつつ流れることとなる。
本発明においては、図６に示すように、外側環状流路４Ａの横断面積（πＬ３２／２−πＬ２２／２）と内側環状流路４Ｂの横断面積（πＬ２２／２−πＬ１２／２）とが同一となるようにコイル管５のコイル平均径Ｌ２を設定することにより、外側環状流路４Ａ内を流れるブラインと内側環状流路４Ｂ内を流れるブラインの流速や流量を一致させて螺旋状流路６内を流れる水素ガスをコイル管５の周壁を介して内外側から均一に冷却することができる。なお、Ｌ１は「内装管２の外径」、Ｌ２は「コイル平均径」、Ｌ３は「外装管３の内径」をそれぞれ示している。
本発明においては、このように外側環状流路４Ａの横断面積と内側環状流路４Ｂの横断面積を同一にしつつ、これら環状流路４Ａ・４Ｂの横断面積を可及的に狭くすることによりブラインの流速を増して高効率の熱交換を実現できる。例えば、既述のようにコイル管５に保形材１２を設ける場合には、内装管２の外周面２ａと外装管３の内周面３ｂとで当該保形材１２を挟持し、外側環状流路４Ａと内側環状流路４Ｂの横断面積を可及的に狭くする。この場合は外側保形材１２Ａと内側保形材１２Ｂの厚みを調整して、外側環状流路４Ａの横断面積と内側環状流路４Ｂの横断面積とが同一となるように設定する。
また、図５に示すように、コイル管５のコイル平均径Ｌ２は当該コイル管５の外径Ｌ４の４倍以上であることが望ましい。また、コイルピッチＰは当該コイル管５の外径Ｌ４の１．５倍〜２．０倍であることが望ましい。コイル管５の全体形状の健全なる保持と、当該コイル管５の外周面に沿い流れる冷却流体たるブラインの適切なる流動の両立のためである。
上記のように環状流路４及び螺旋状流路６を構成し、ブラインを環状流路４を通じて外装管３の軸方向の一端部から他端部まで流しつつ、水素ガスを螺旋状流路６を通じて外装管３の軸方向の他端部から一端部まで流す。したがって、本発明に係る熱交換器１においては、環状流路４内の冷却流体たるブラインが流れる向きと螺旋状流路６内の被冷却流体たる水素ガスが流れるに向きは三次元的に向流となり、高効率の熱交換を行うことができると共に水素ガスの短時間での冷却を可能とする。
以上のとおり、本発明に係る熱交換器１は、簡易構造ながらも短時間で確実に被冷却流体を冷却することができる。また、簡易構造のため、材料コスト及び組立コストを抑えることができる。
また、本発明に係る熱交換器においては、冷却流体も被冷却流体も、それぞれ一定方向に流れるため、各々の流体の流動エネルギーにロスがない。よって簡単に複数の熱交換器を繋げることができ、熱交換のさらなる効率化を図ることもできる。
例えば、図９に示すように、二つの熱交換器１を並列に連結し、ブラインＦ１と水素ガスＦ２をそれぞれ分流して並行に流すことにより、さらなる効率化を図ることができる。また、図１０に示すように、直列に連結した一対の熱交換器１を更に並列に配して、各対の熱交換器１へブラインＦ１と水素ガスＦ２をそれぞれ分流して並行に流すことにより、さらなる効率化を図ることができる。並列する熱交換器１の台数や直列する熱交換器１の台数は適宜調整できることは勿論である。
また、本発明に係る熱交換器１は、内装管２と外装管３間のコイル管５を簡単に挿抜することができ、メンテナンス性及び安全性に優れている。
本発明に係る熱交換器１は簡易構造でコスト低廉化を図りながら高効率の熱交換を行うことができる。加えてメンテナンス性及び安全性に優れている。よって本発明に係る熱交換器１を水素ステーションに設置するプレクーラーとして利用すれば頗る好都合であり、燃料電池自動車の普及にも大いに貢献できる。
１…熱交換器、２…内装管、２ａ…外周面、２ｂ…内周面、２ｃ…内部、２ｄ…芯出し突起、３…外装管、３Ａ…一端部管、３Ｂ…中央部管、３Ｃ…他端部管、３ａ…外周面、３ｂ…内周面、３ｃ…保護管、３ｄ…芯出し突起受け入れ凹部、４…環状流路、４Ａ…外側環状流路、４Ｂ…内側環状流路、５…コイル管、６…螺旋状流路、７…フランジ継手、８…ボルト、９…ナット、１０…第一供給導管、１１…第一排出導管、１２…保形材、１２Ａ…外側保形材、１２Ｂ…内側保形材、１３…第二供給導管、１４…第二排出導管、Ｏ…中心軸、Ｆ１…ブライン（冷却流体）、Ｆ２…水素ガス（被冷却流体）、Ｌ１…内装管の外径、Ｌ２…コイル平均径、Ｌ３…外装管の内径、Ｌ４…コイル管の外径、Ｐ…コイルピッチ。

Claims (6)

  1. 同軸配置した内装管と外装管から成る二重管構造を有し、該内装管の外周面と該外装管の内周面間に軸方向に沿って環状流路を形成すると共に、該環状流路内に軸方向に沿ってコイル管を配して螺旋状流路を形成する傍ら、上記内装管の内部には流路を形成しない構成を具備し、上記環状流路において、上記コイル管より外側の外側環状流路の横断面積と、該コイル管よりも内側の内側環状流路の横断面積とが同一となるように上記コイル管のコイル平均径を設定し、上記環状流路内を一定方向に流れる冷却流体と上記螺旋状流路内を一定方向に流れる被冷却流体間で熱交換を行うことを特徴とする熱交換器。
  2. 上記冷却流体が流れる向きは上記被冷却流体が流れる向きに対して向流であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
  3. 上記コイル管は上記環状流路内に挿抜可能に配されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
  4. 上記コイル管のコイル平均径は当該コイル管の外径の４倍以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の熱交換器。
  5. 上記コイル管に軸方向に沿って当該コイル管の全体形状及びコイルピッチを保つ保形材を設けることを特徴とする請求項１乃至請求項３又は請求項５の何れかに記載の熱交換器。
  6. 上記内装管の内部又は／及び上記外装管の外部に断熱材を配することを特徴とする請求項１乃至請求項３又は請求項５又は請求項６の何れかに記載の熱交換器。
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