KR20130088803A - 적층형 열교환기 및 열교환 시스템 - Google Patents

적층형 열교환기 및 열교환 시스템 Download PDF

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KR20130088803A
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plate
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heat exchanger
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고지 노이시키
야스타케 미와
히로유키 반
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본 발명의 적층형 열교환기에 있어서는, 복수의 컴프레서로부터 송출된 유체의 열교환을 행하는 복수의 열교환 유닛이 적층되어 있다. 각 열교환 유닛은 복수의 유로 플레이트 및 냉각용 플레이트가 적층된 구조로 한다. 유로 플레이트 및 냉각용 플레이트에는, 표면에 형성된 오목 형상의 홈을 유체의 유로로서 형성한다. 이들 유로 플레이트 및 냉각용 플레이트를 금속제로 하여 유로를 케미컬 에칭에 의해 형성하고, 적층된 금속제의 유로 플레이트 및 냉각용 플레이트를 서로 확산 접합에 의해 접합한다. 또한, 각 열교환 유닛을, 각 컴프레서와 일대일로 대응시킨다.

Description

적층형 열교환기 및 열교환 시스템{MULTILAYER HEAT EXCHANGER AND HEAT EXCHANGE SYSTEM}
본 발명은, 유로판을 적층하여 형성된 적층형 열교환기 및 이 적층형 열교환기를 사용한 열교환 시스템에 관한 것이다.
컴프레서에서 압축되어 고온으로 된 가스를 열교환기로 유도하여 냉각하고, 냉각된 고압 가스를 탱크나 봄베에 충전하는 경우가 있다. 이때 사용되는 열교환기에는, 핀형이나 플레이트형이라 하는 열교환기가 있고, 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2000-283668호에 개시되어 있다. 그 플레이트형 열교환기는, 격벽에 의해 내부가 복수의 유닛으로 구분된 일체 구조를 갖는 플레이트식 열교환기에 있어서, 상기 구분된 복수의 유닛에는, 적어도 하나의 유닛이 복수의 유체의 입구 또는 출구를 갖는 동시에, 상기 복수의 유닛은, 상기 입구와 출구에 접속하는 적어도 한쪽이 복수의 다른 가열 유로 또는 피가열 유로를 형성하고 있다. 이 플레이트식 열교환기에 따르면, 배관이 용이해져 소형 경량화가 가능해진다고 하고 있다.
가스의 압축은, 1대의 컴프레서에서 1번만 압축된다고 하는, 소위 일단식의 압축에만 한정하지 않고, 가스를 복수대의 컴프레서에 순서대로 통과시킴으로써, 컴프레서에서 일단 압축된 가스를 다음 단의 컴프레서에서 더 압축하는 다단식의 압축이 행해지는 경우가 있다.
다단식의 압축의 경우, 컴프레서에서 압축할 때마다 가스의 온도가 상승하므로, 압축된 가스는, 다음 단의 컴프레서에 공급되기 전에 열교환기에 통과되어 냉각된다. 즉, 컴프레서의 대수와 동일한 대수의 열교환기를 준비하여, 복수대의 컴프레서와 동일하게 복수대의 열교환기를 교대로 직렬로 접속한 다단식의 압축 시스템을 구축할 필요가 있다.
상술한 바와 같은 종래의 열교환기를 이러한 다단식의 압축 시스템에 사용한 경우, 복수대의 컴프레서와 열교환기를 배치하기 위해 광대한 설치 면적이 필요해진다고 하는 문제나, 컴프레서 및 열교환기의 대수가 증가하면 배관이 복잡해져 더욱 광대한 설치 면적이 필요해진다고 하는 문제가 발생한다.
또한, 종래의 열교환기는 내압성이 낮으므로, 다단식의 압축에 의해 매우 고압으로 된 가스를 취급하기 위해서는 부적합하여, 내압성이 높은 열교환기의 개발도 중요한 과제이다.
따라서, 본 발명은, 상술한 문제 및 과제에 비추어, 내압성이 높고 콤팩트한 적층형 열교환기 및 그 적층형 열교환기를 사용한 열교환 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 있어서는 이하의 기술적 수단을 강구하였다.
본 발명에 관한 적층형 열교환기는, 복수의 기계로부터 송출된 유체의 열교환을 행하는 복수의 열교환 유닛이 적층되고, 상기 열교환 유닛은, 복수의 유로판이 적층된 구조를 갖고, 상기 유로판은, 표면에 형성된 오목 형상의 홈을 상기 유체의 유로로서 갖고 있다.
여기서, 상기 복수의 열교환 유닛의 각각이 상기 복수의 기계의 각각과 쌍으로 되어 있으면 좋다. 바꿔 말하면, 상기 복수의 열교환 유닛의 각각이 상기 복수의 기계의 각각과 일대일로 대응하고 있으면 좋다.
또한, 상기 복수의 열교환 유닛의 각각에는, 열교환 유닛에 유체를 공급하는 공급 구멍과, 상기 공급된 유체를 배출하는 배출 구멍이 형성되고, 각 열교환 유닛에 형성된 공급 구멍 및 배출 구멍은, 열교환 유닛의 적층 방향을 따라 직접 외부에 연통되는 길이로 형성되어 있고, 평면에서 볼 때의 배치 위치가 서로 겹치지 않도록 형성되어 있으면 바람직하다.
덧붙여 말하면, 상기 유로판은, 금속제이며, 상기 유로판의 유로는, 케미컬 에칭에 의해 형성되어 있어도 된다.
또한, 상기 적층된 금속제의 유로판이, 서로 확산 접합에 의해 접합되어 있으면 바람직하다.
여기서, 본 발명에 관한 열교환 시스템은, 유체에 대하여 열량의 변화를 일으키게 하는 복수의 기계와, 상기 복수의 기계에 의해 열량이 변화된 유체의 열교환을 행하는 열교환 유닛이 적층되어 이루어지는 적층형 열교환기를 갖고, 상기 적층형 열교환기가, 상술한 적층형 열교환기이다.
본 발명에 따르면, 내압성이 높고 콤팩트한 열교환기 및 열교환 시스템을 얻을 수 있다.
도 1은 다단식의 열교환 시스템의 구성을 나타내는 개념도이며, (a)는 종래의 열교환 시스템의 구성을 나타내는 개념도, (b)는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 열교환 시스템의 구성을 나타내는 개념도.
도 2는 제1 실시 형태에 의한 적층형 열교환기의 단면 구조를 나타내는 도면.
도 3은 제1 실시 형태에 의한 적층형 열교환기의 단면 구조를 나타내는 도면.
도 4는 제1 실시 형태에 의한 적층형 열교환기를 구성하는 모든 플레이트의 구성을 나타내는 평면 개념도.
도 5는 제1 실시 형태에 의한 적층형 열교환기를 구성하는 플레이트의 구성을 나타내는 평면도이며, (a)는 유로 플레이트의 구성을 나타내는 평면도, (b)는 냉각용 플레이트의 구성을 나타내는 평면도.
도 6은 제1 실시 형태에 의한 적층형 열교환기의 각 열교환 유닛에 공급되는 유체의 차압에 대해 설명하는 도면.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 적층형 열교환기에서 사용되는 냉각용 플레이트의 구성을 나타내는 평면도.
도 8은 제2 실시 형태에 의한 적층형 열교환기의 단면 구조를 나타내는 도면.
도 9는 제2 실시 형태에 의한 적층형 열교환기의 단면 구조를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 각 실시 형태를, 도면에 기초하여 설명한다.
[제1 실시 형태]
(열교환 시스템의 개략)
도면을 참조하면서, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 열교환 시스템을 설명한다.
도 1은 복수대의 기계인 컴프레서와 복수대의 열교환기를 사용한 다단식의 열교환 시스템의 구성을 나타내는 개념도이다. 도 1의 (a)는 종래의 열교환기를 사용한 열교환 시스템의 구성을 나타내는 개념도이며, 도 1의 (b)는 본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a를 사용한 열교환 시스템 1a의 구성을 나타내는 개념도이다.
본 실시 형태에서 설명하는 열교환 시스템 1a는, 복수대의 컴프레서를 직렬로 접속함으로써 기체(가스)를 순차적으로 가압 및 압축하여 고압 가스로 변화시키는 다단식의 압축 공정에 있어서, 각 컴프레서의 후단에 열교환기를 구비한 것이다.
(종래의 열교환 시스템)
도 1의 (a)에 나타내는 열교환 시스템은, 종래의 열교환기를 사용한 경우의 구성을 나타내고 있다. 도 1의 (a)의 열교환 시스템은, 1st-comp 내지 4th-comp로서 나타내어지는 제1 컴프레서 내지 제4 컴프레서의 4대의 컴프레서와, 1st-ex 내지 4th-ex로서 나타내어지는 제1 열교환기 내지 제4 열교환기의 4대의 열교환기에 의해 구성되어 있다.
이 각 4대씩의 컴프레서 및 열교환기에 있어서, 우선 제1 컴프레서의 토출구와 제1 열교환기의 흡입구가 파이프로 접속되고, 제1 열교환기의 토출구와 제2 컴프레서의 흡입구가 파이프로 접속된다. 이와 같이, 종래의 열교환 시스템은, 컴프레서의 토출구와 열교환기의 흡입구를 접속하면서, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이 구성되어 있다.
(본원의 열교환 시스템)
이에 반해, 도 1의 (b)에 나타내는 열교환 시스템 1a는, 1st-comp 내지 4th-comp로서 나타내어지는 제1 컴프레서(C1) 내지 제4 컴프레서(C4)의 4대의 기계인 컴프레서와, 1st-unit 내지 4th-unit으로서 나타내어지는 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)의 4개의 열교환 유닛이 적층되어 일체화된 적층형 열교환기 2a에 의해 구성되어 있다.
도 1의 (b)에 나타내는 적층형 열교환기 2a의 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)은, 도 1의 (a)에 나타내는 종래의 제1 열교환기 내지 제4 열교환기에 대응한 작용을 이루는 것이며, 제1 열교환 유닛(U1)은 제1 컴프레서(C1)로부터 토출되어 고온으로 된 유체의 열교환(냉각)을 행하고, 제2 열교환 유닛(U2)은 제2 컴프레서(C2)로부터 토출되어 고온으로 된 유체의 열교환(냉각)을 행한다. 제3 열교환 유닛(U3)은 제3 컴프레서(C3)로부터 토출되어 고온으로 된 유체의 열교환(냉각)을 행하고, 제4 열교환 유닛(U4)은 제4 컴프레서(C4)로부터 토출되어 고온으로 된 유체의 열교환(냉각)을 행한다.
이와 같이 본 실시 형태에 의한 열교환 시스템 1a는, 유체(예를 들어, 수소 가스)에 대하여 열량의 변화를 일으키게 하는 복수의 기계[예를 들어, 제1 컴프레서(C1) 내지 제4 컴프레서(C4)]와, 이들 복수의 기계에 의해 열량이 변화된 유체의 열교환을 행하는 열교환 유닛[예를 들어, 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)]이 적층되어 이루어지는 적층형 열교환기 2a를 갖는 것이다.
본 실시 형태에서는, 유체에 열량의 변화를 발생시키는 복수의 기계가 직렬로 접속되어 있어 1개의 유로를 형성하고 있는 상태를, 복수의 기계가 다단으로 접속되어 있는 상태라 한다. 본 실시 형태와 같이, 복수의 컴프레서(C1 내지 C4)가 다단으로 접속되어 있으면, 유체인 수소 가스는, 이 다단의 컴프레서(C1 내지 C4)에 의해 형성된 1개의 유로를, 제1 컴프레서(C1), 제2 컴프레서(C2), 제3 컴프레서(C3), 제4 컴프레서(C4)의 순으로 흐른다. 그러나 수소 가스는, 컴프레서(C1 내지 C4)를 통과할 때마다 열량이 변화되어 온도가 상승하므로, 제1 컴프레서(C1) 내지 제4 컴프레서(C4)로부터 토출된 수소 가스는, 컴프레서(C1 내지 C4)를 통과할 때마다 대응하는 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)에 유입되어 열교환이 행해지고, 다음 단의 컴프레서에 흡입된다.
즉, 제1 컴프레서(C1)에서 압축(가압)되어 고온으로 된 수소 가스는, 적층형 열교환기 2a의 제1 열교환 유닛(U1)에 유입되어 냉각되고, 다음 단의 제2 컴프레서(C2)에 흡입된다. 흡입된 수소 가스는, 제2 컴프레서(C2)에서 더욱 압축되어 고온으로 되고, 적층형 열교환기 2a로 복귀되어 제2 열교환 유닛(U2)에 유입되고 냉각된다. 이러한 순환을, 수소 가스가 제4 컴프레서(C4) 내지 제4 열교환 유닛(U4)을 통과할 때까지 반복함으로써, 수소 가스는 매우 고압인 가스로 된다.
이와 같이, 제1 컴프레서(C1)로부터 토출된 유체는 제1 열교환 유닛(U1)에 유입되고, 제2 컴프레서(C2)로부터 토출된 유체는 제2 열교환 유닛(U2)에 유입되어 있으므로, 제1 컴프레서(C1)와 제1 열교환 유닛(U1)은, 서로 쌍으로 되어 있고, 제2 컴프레서(C2)와 제2 열교환 유닛(U2)도, 서로 쌍으로 되어 있다고 할 수 있다. 마찬가지로, 제3 컴프레서(C3)는 제3 열교환 유닛(U3)과 쌍으로, 제4 컴프레서(C4)는 제4 열교환 유닛(U4)과 쌍으로 되어 있다고 할 수 있다.
이때, 냉각수는, 적층 방법에 의해 각 유닛마다 유량 관리하고 냉각하는 것이나, 전체 유닛을 일괄적으로 냉각하는 것도 가능하다.
본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a는, 종래의 열교환 시스템에 있어서의 복수의 열교환기의 기능을, 일체화된 유로 구조체에 의해 실현하는 것이다. 본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a는, 종래의 열교환기보다도 소형으로 할 수 있는 동시에, 컴프레서와의 배관을 간소하고 또한 용이하게 할 수 있다. 또한, 컴프레서도 포함한 열교환 시스템의 설치에 필요한 설치 장소의 면적을 줄일 수 있다.
(적층형 열교환기의 구성)
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a의 구성을 설명한다.
도 2는 적층형 열교환기 2a의 구조를 나타내는 도면이며, 적층형 열교환기 2a의 AA 단면과 CC 단면을 나타내고 있다. 도 3은 적층형 열교환기 2a의 BB 단면을 나타내는 도면이다.
적층형 열교환기 2a는, 1st 내지 4th로 나타내어지는 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)을 적층하고, 그 적층체의 상면에 상면판(상부 엔드 플레이트)(3)을 적층하고, 하면에 하면판(하부 엔드 플레이트)(4)을 적층함으로써 구성된 것이다. 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)의 각각은, 유체인 수소 가스의 유로가 형성된 평판 형상의 유로판(유로 플레이트)과 냉각용의 매체인 냉각수의 유로가 형성된 평판 형상의 유로판(냉각용 플레이트)을 교대로 복수매 적층하여 구성된 것이다.
이때, 요구되는 열교환기 성능에 따라서는, 수소측의 유로 플레이트의 양면측을 냉각용 플레이트로 사이에 끼우도록 배치하여 적층해도 된다.
따라서, 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)의 각각의 외관은, 평판 형상의 유체용 플레이트와 냉각용 플레이트를 적층한 직육면체 형상으로 된다. 이러한 직육면체 형상의 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)을 적층하므로, 적층형 열교환기 2a는, 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)의 적층 방향으로 높은 직육면체 형상으로 된다.
도 4 및 도 5를 참조하면서, 적층형 열교환기 2a의 구성을 설명하기 위해, 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)에 사용되는 제1 유로 플레이트(P1) 내지 제4 유로 플레이트(P4)와, 냉각용 플레이트 CP1의 구성을 설명한다.
도 4는 적층형 열교환기 2a를 구성하는 모든 플레이트를 도시하는 도면이다. 도 4의 상단 좌측에는 제1 열교환 유닛(U1)을 구성하는 제1 유로 플레이트(1st용 플레이트)(P1)가 도시되어 있고, 우측을 향해 순서대로, 제3 유로 플레이트(3rd용 플레이트)(P3), 제4 유로 플레이트(4th용 플레이트)(P4), 제2 유로 플레이트(2nd용 플레이트)(P2)가 도시되어 있다. 유로 플레이트(P1 내지 P4)를, 좌측으로부터 순서대로 1st용, 3rd용, 4th용, 2nd용의 순서로 도시하고 있는 것은, 도 2 및 도 3에 있어서, 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)이, 위에서부터 순서대로 제1, 제3, 제4, 제2의 순으로 적층되어 있는 것에 기초하고 있다.
도 4의 하단 좌측에는 적층형 열교환기의 상면에 적층되는 상면판(상부 엔드 플레이트)(3)이 도시되어 있고, 우측을 향해 순서대로, 각 유로 플레이트간에 적층되는 냉각용 플레이트 CP1, 적층형 열교환기의 하면에 적층되는 하면판(하부 엔드 플레이트)(4)이 도시되어 있다.
도 4에 도시하는 각 플레이트는, 적층형 열교환기 2a를 상면측에서 본, 즉, 상부 엔드 플레이트(3)의 상방으로부터 하부 엔드 플레이트(4)를 향하는 방향을 따라 보았을 때의 구성을 나타내고 있다.
(제1 열교환 유닛)
우선, 적층형 열교환기 2a에 있어서의 제1 열교환 유닛(1st 열교환 유닛)(U1)은, 제1 유로 플레이트(1st용 플레이트)(P1)와 냉각용 플레이트 CP1을 교대로 적층함으로써 구성되어 있다.
(제1 유로 플레이트)
도 4에 도시하는 바와 같이, 제1 유로 플레이트(P1)는, 예를 들어 스테인리스나 알루미늄 등이 금속으로 이루어지는 두께 수 밀리미터의 직사각형의 평판이다. 도 4에 도시하는 제1 유로 플레이트(P1)의 길이 방향의 양단부에 있어서, 도면을 향해 상단부의 좌측에는, 제1 컴프레서(C1)로부터 공급된 수소 가스가 제1 유로 플레이트(P1)에 유입되기 위한 유체 공급 구멍 1IN이 천공되어 관통 구멍이 형성되어 있다. 또한, 하단부의 우측에는, 수소 가스가 제1 유로 플레이트(P1)로부터 흘러나가기 위한 유체 배출 구멍 1OUT이 천공되어 관통 구멍이 형성되어 있다. 즉, 유체 공급 구멍 1IN과 유체 배출 구멍 1OUT은, 제1 유로 플레이트(P1)의 대각 방향에 형성되어 있다.
유체 공급 구멍 1IN과 유체 배출 구멍 1OUT이 형성된 제1 유로 플레이트(P1)의 한쪽의 면이며 도 4에 도시되는 상면에는, 수소 가스의 유로가, 유체 공급 구멍 1IN과 유체 배출 구멍 1OUT을 연결하도록 형성되어 있다. 이 유로에 의해, 유체 공급 구멍 1IN으로부터 유입된 수소 가스는, 형성된 유로를 따라 흐르고, 유체 배출 구멍 1OUT으로부터 제1 유로 플레이트 밖으로 유출한다.
도 5의 (a)는 도 4에 도시한 제1 유로 플레이트(P1)의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다. 제1 유로 플레이트(P1)에 형성된 유로는, 제1 유로 플레이트(P1)의 폭 방향으로 사행(蛇行)하도록 복수개 형성되어, 유체 공급 구멍 1IN과 유체 배출 구멍 1OUT을 연결하고 있다. 이 복수개의 유로는, 서로 대략 평행해지도록 형성되어 있고, 서로 교차하는 일은 없다. 따라서, 유체 공급 구멍 1IN으로부터 유입된 수소 가스는, 유입된 1개의 유로만을 통과하여 유체 배출 구멍 1OUT에 도달한다.
제1 유로 플레이트(P1)의 유로가 제1 유로 플레이트(P1)의 폭 방향으로 사행하고 있는 것은, 제1 유로 플레이트(P1)의 한정된 면적 내에서 가능한 한 유로를 길게 취하기 위해서이며, 그 목적을 위해서는, 유로는, 도 4 및 도 5에 도시한 사행 이외의 궤적을 따라가도 상관없다.
이러한 유로는, 본 발명의 기술 분야에 있어서 마이크로 채널이라 하는 것이며, 폭 1밀리 전후의 가느다란 유로이다. 이 마이크로 채널이라 하는 유로는, 예를 들어 케미컬 에칭 등의 에칭 기술을 이용하여 형성되는 것이다. 에칭은 등방 가공이므로 유로의 깊이는 유로 폭의 0.5배에 근접하지만, 본 실시 형태에서는, 그 깊이를, 유로 폭의 0.4 내지 0.6배 정도로 한다.
덧붙여 말하면, 제1 유로 플레이트(P1)의 길이 방향의 양단부에 있어서, 도면을 향해 상단부의 우측에는, 제3 컴프레서(C3)로부터 공급된 수소 가스가 후술하는 제3 유로 플레이트(P3)에 유입되기 위한 관통 구멍인 유체 공급 구멍 3IN이 천공되어 있다. 또한, 하단부의 좌측에는, 수소 가스가 제3 유로 플레이트(P3)로부터 흘러나가기 위한 관통 구멍인 유체 배출 구멍 3OUT이 천공되어 있다. 이들 유체 공급 구멍 3IN과 유체 배출 구멍 3OUT은, 제1 유로 플레이트(P1)의 유로에는 연결되어 있지 않다.
또한, 유체 배출 구멍 1OUT과 유체 배출 구멍 3OUT에 통하는 관통 구멍 사이에는, 후술하는 냉각용 플레이트 CP1에 냉각수가 유입되기 위한 관통 구멍인 냉각수 IN이 천공되고, 유체 공급 구멍 1IN과 유체 공급 구멍 3IN에 통하는 관통 구멍 사이에는, 후술하는 냉각용 플레이트 CP1으로부터 냉각수가 흘러나가기 위한 관통 구멍인 냉각수 OUT이 천공되어 있다. 이들 냉각수 IN과 냉각수 OUT은, 제1 유로 플레이트(P1)의 유로에는 연결되어 있지 않다.
이러한 제1 유로 플레이트(P1)의 다른 쪽의 면, 즉, 유로가 형성되어 있지 않고 도면에 도시되어 있지 않은 하면은, 평활한 면으로 되어 있다.
(냉각용 플레이트)
냉각용 플레이트 CP1은, 제1 유로 플레이트(P1)와 대략 마찬가지의 구성을 갖고 있고, 제1 유로 플레이트(P1)와 동일한 재질이며, 길이 방향의 양단부에 있어서, 상단부에는, 제1 유로 플레이트(P1)와 동일한 위치에, 유체 공급 구멍 1IN, 냉각수 OUT, 유체 공급 구멍 3IN이 형성되어 있고, 하단부에는, 마찬가지로 제1 유로 플레이트(P1)와 동일한 위치에, 유체 배출 구멍 1OUT, 냉각수 IN, 유체 배출 구멍 3OUT이 형성되어 있다.
도 5의 (b)는 도 4에 도시한 냉각용 플레이트 CP1의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다. 냉각용 플레이트 CP1에 형성된 유로도, 제1 유로 플레이트(P1)와 마찬가지로 폭 방향으로 사행하도록 복수개 형성되어 냉각수 IN과 냉각수 OUT을 연결하고 있다. 이 복수의 유로도, 제1 유로 플레이트(P1)와 마찬가지로 서로 대략 평행해지도록 형성되어 있고, 서로 교차하는 일은 없다. 따라서, 냉각수 IN으로부터 유입된 냉각수는, 유입된 1개의 유로만을 통과하여 냉각수 OUT에 도달한다.
이러한 냉각용 플레이트 CP1의 다른 쪽의 면, 즉, 유로가 형성되어 있지 않고 도면에 도시되어 있지 않은 하면은, 평활한 면으로 되어 있다.
제1 열교환 유닛(U1)은, 이상에서 설명한 제1 유로 플레이트(P1)와 냉각용 플레이트 CP1을 교대로 적층함으로써 구성된다. 우선, 제1 열교환 유닛(U1)의 최하층으로서 냉각용 플레이트 CP1을 사용하고, 그 위에 제1 유로 플레이트(P1)를 적층하고, 그 위에 냉각용 플레이트 CP1을 더 적층한다고 하는 것과 같이, 최하층의 냉각용 플레이트 CP1 상에 제1 유로 플레이트(P1)와 냉각용 플레이트 CP1을 교대로 몇 층이나 적층하고 최상층을 냉각 플레이트 CP1으로 한다.
여기서, 적층하는 제1 유로 플레이트(P1)의 매수는 임의이지만, 제1 유로 플레이트(P1)의 매수를 변경함으로써, 제1 열교환 유닛(U1)의 용량을 변경할 수 있다. 이것은, 후술하는 제2 열교환 유닛(U2) 내지 제4 열교환 유닛(U4)에도 적용되지만, 본 실시 형태에서는, 제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)의 각 용량이 동일해지도록 구성된다.
이와 같이 몇 층이나 적층한 제1 유로 플레이트(P1)와 냉각용 플레이트 CP1을 소정 온도하에서 가압하여, 제1 유로 플레이트(P1)와 냉각용 플레이트 CP1의 접합면을 서로 확산 접합시키면, 복수의 플레이트가 일체로 된 제1 열교환 유닛(U1)이 얻어진다. 즉, 냉각용 플레이트 CP1 상에 확산 접합된 제1 유로 플레이트(P1)의 평활한 하면은, 냉각용 플레이트 CP1의 유로의 덮개로 되고, 제1 유로 플레이트(P1) 상에 확산 접합된 냉각용 플레이트 CP1의 평활한 하면은, 제1 유로 플레이트(P1)의 유로의 덮개로 된다.
이 확산 접합에 의해 제1 유로 플레이트(P1)와 냉각용 플레이트 CP1은 견고하게 접합되므로, 제1 열교환 유닛(U1)은, 공급되는 유체에 대하여 매우 높은 내압성을 구비하게 된다.
바로 위층의 하면이 덮개로 되도록 확산 접합된 제1 열교환 유닛(U1)에 있어서, 유체 공급 구멍 1IN으로부터 수소 가스가 공급되면, 유체 공급 구멍 1IN은, 제1 유로 플레이트(P1)의 유로에 연결되어 있으므로 수소 가스가 유입되지만, 냉각용 플레이트 CP1의 유로와는 냉각용 플레이트의 상면과 제1 유로 플레이트의 하면의 접합에 의해 격리되므로, 수소 가스가 냉각용 플레이트 CP1의 유로에 유입되는 일은 없다.
마찬가지로 냉각수 IN으로부터 냉각수가 공급되면, 냉각수 IN은, 냉각용 플레이트 CP1의 유로에 연결되어 있으므로 냉각수가 유입되지만, 제1 유로 플레이트(P1)의 유로와는 제1 유로 플레이트(P1)의 상면과 냉각용 플레이트 CP1의 하면의 접합에 의해 격리되므로, 냉각수가 제1 유로 플레이트(P1)의 유로에 유입되는 일은 없다.
(제3 열교환 유닛)
제3 열교환 유닛(U3)은, 제1 열교환 유닛(U1)의 바로 아래에 배치되는 열교환 유닛이다. 제3 열교환 유닛(U3)에 사용되는 제3 유로 플레이트(P3)는, 제1 유로 플레이트(P1)와 대략 동일한 재질과 크기의 부재이며, 제1 유로 플레이트(P1)와 마찬가지의 유로가 형성되어 있다.
(제3 유로 플레이트)
제3 유로 플레이트(P3)에서는, 제1 유로 플레이트(P1)에 형성되어 있었던 유체 공급 구멍 1IN과 유체 배출 구멍 1OUT이 없고, 유체 공급 구멍 3IN과 유체 배출 구멍 3OUT 및 냉각수 IN과 냉각수 OUT이 형성되어 있다. 제3 유로 플레이트(P3)의 한쪽의 면이며 도 4에 도시되는 상면에는 마이크로 채널인 유로가 형성되어 있고, 이 유로에 의해 유체 공급 구멍 3IN과 유체 배출 구멍 3OUT이 연결된다.
이 제3 유로 플레이트(P3)와 냉각용 플레이트 CP1을, 제1 열교환 유닛(U1)과 마찬가지로 적층하여 각 플레이트간을 확산 접합하면, 제3 열교환 유닛(U3)이 얻어진다. 제3 열교환 유닛(U3)에 있어서, 유체 공급 구멍 3IN으로부터 수소 가스가 공급되면, 유체 공급 구멍 3IN은, 제3 유로 플레이트(P3)의 유로에 연결되어 있으므로 수소 가스가 유입되지만, 냉각용 플레이트 CP1의 유로와는 냉각용 플레이트 CP1의 상면과 제3 유로 플레이트(P3)의 하면의 접합에 의해 격리되므로, 수소 가스가 냉각용 플레이트 CP1의 유로에 유입되는 일은 없다.
마찬가지로 냉각수 IN으로부터 냉각수가 공급되면, 냉각수 IN은, 냉각용 플레이트 CP1의 유로에 연결되어 있으므로 냉각수가 유입되지만, 제3 유로 플레이트(P3)의 유로와는 제3 유로 플레이트(P3)의 상면과 냉각용 플레이트 CP1의 하면의 접합에 의해 격리되므로, 냉각수가 제3 유로 플레이트(P3)의 유로에 유입되는 일은 없다.
(제4 열교환 유닛)
제4 열교환 유닛(U4)은, 제3 열교환 유닛(U3)의 바로 아래에 배치되는 열교환 유닛이다. 제4 열교환 유닛(U4)에 사용되는 제4 유로 플레이트(P4)는, 제1 유로 플레이트(P1) 및 제3 유로 플레이트(P3)와 대략 동일한 재질과 크기의 부재이며, 제1 유로 플레이트(P1) 및 제3 유로 플레이트(P3)와 마찬가지의 유로가 형성되어 있다.
(제4 유로 플레이트)
도 4에 도시하는 바와 같이, 제4 유로 플레이트(P4)는, 제3 유로 플레이트(P3)의 구성을 좌우 반전시킨 구성을 갖고 있고, 대각선 상에 형성된 관통 구멍은 유체 공급 구멍 4IN과 유체 배출 구멍 4OUT이다. 제4 유로 플레이트(P4)에는, 냉각수 IN과 냉각수 OUT도 형성되어 있다. 제4 유로 플레이트(P4)의 한쪽의 면이며 도 4에 도시되는 상면에는 마이크로 채널인 유로가 형성되어 있고, 이 유로에 의해, 유체 공급 구멍 4IN과 유체 배출 구멍 4OUT이 연결된다.
이 제4 유로 플레이트(P4)와 냉각용 플레이트 CP1을, 제1 열교환 유닛(U1) 및 제3 열교환 유닛(U3)과 마찬가지로 적층하여 각 플레이트간을 확산 접합하면, 제4 열교환 유닛(U4)이 얻어진다. 제4 열교환 유닛(U4)에 있어서, 유체 공급 구멍 4IN으로부터 수소 가스가 공급되면, 유체 공급 구멍 4IN은, 제4 유로 플레이트(P4)의 유로에 연결되어 있으므로 수소 가스가 유입되지만, 냉각용 플레이트 CP1의 유로와는 냉각용 플레이트 CP1의 상면과 제4 유로 플레이트(P4)의 하면의 접합에 의해 격리되므로, 수소 가스가 냉각용 플레이트 CP1의 유로에 유입되는 일은 없다.
마찬가지로 냉각수 IN으로부터 냉각수가 공급되면, 제1 열교환 유닛(U1) 및 제3 열교환 유닛(U3)과 마찬가지의 이유에 의해, 냉각수가 제4 유로 플레이트(P4)의 유로에 유입되는 일은 없다.
(제2 열교환 유닛)
제2 열교환 유닛(U2)은, 제4 열교환 유닛(U4)의 바로 아래에 배치되는 열교환 유닛이다. 제2 열교환 유닛(U2)에 사용되는 제2 유로 플레이트(P2)는, 제1 유로 플레이트(P1), 제3 유로 플레이트(P3) 및 제4 유로 플레이트(P4)와 대략 동일한 재질과 크기의 부재이며, 그들 유로 플레이트와 마찬가지의 유로가 형성되어 있다.
(제2 유로 플레이트)
도 4에 도시하는 바와 같이, 제2 유로 플레이트(P2)는, 제1 유로 플레이트(P1)의 구성을 좌우 반전시킨 구성을 갖고 있고, 유체 공급 구멍 4IN과 유체 배출 구멍 4OUT을 연결하는 대각선과는 다른 한쪽의 대각선 상에 형성된 관통 구멍은, 유체 공급 구멍 2IN과 유체 배출 구멍 2OUT이다. 제2 유로 플레이트(P2)에는, 냉각수 IN과 냉각수 OUT도 형성되어 있다. 제2 유로 플레이트(P2)의 한쪽의 면이며 도 4에 도시되는 상면에는 마이크로 채널인 유로가 형성되어 있고, 이 유로에 의해 유체 공급 구멍 2IN과 유체 배출 구멍 2OUT이 연결된다.
이 제2 유로 플레이트(P2)와 냉각용 플레이트 CP1을, 제1 열교환 유닛(U1), 제3 열교환 유닛(U3) 및 제4 열교환 유닛(U4)과 마찬가지로 적층하여 각 플레이트간을 확산 접합하면, 제2 열교환 유닛(U2)이 얻어진다. 제2 열교환 유닛(U2)에 있어서, 유체 공급 구멍 2IN으로부터 수소 가스가 공급되면, 유체 공급 구멍 2IN은, 제2 유로 플레이트(P2)의 유로에 연결되어 있으므로 수소 가스가 유입되지만, 냉각용 플레이트 CP1의 유로와는 냉각용 플레이트 CP1의 상면과 제2 유로 플레이트(P2)의 하면의 접합에 의해 격리되므로, 수소 가스가 냉각용 플레이트 CP1의 유로에 유입되는 일은 없다.
마찬가지로 냉각수 IN으로부터 냉각수가 공급되면, 제1 열교환 유닛(U1), 제3 열교환 유닛(U3) 및 제4 열교환 유닛(U4)과 마찬가지의 이유에 의해, 냉각수가 제2 유로 플레이트(P2)에 유입되는 일은 없다.
상술한 바와 같이 얻어진 열교환 유닛(U1 내지 U4)을, 위로부터 순서대로 제1 열교환 유닛(U1), 제3 열교환 유닛(U3), 제4 열교환 유닛(U4), 제2 열교환 유닛(U2)의 순으로 되도록 적층하고, 또한, 제1 열교환 유닛(U1)의 상면에 상부 엔드 플레이트(3)를 포개고, 제2 열교환 유닛(U2)의 하면에 하부 엔드 플레이트(4)를 포개어, 열교환 유닛(U1 내지 U4) 및 상하부 엔드 플레이트(3, 4)를 확산 접합에 의해 접합한다.
이에 의해, 본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a가 형성된다. 상부 엔드 플레이트(3)에는 제1 유로 플레이트(P1)와 동일하게, 유체 공급 구멍 1IN과 유체 배출 구멍 1OUT, 유체 공급 구멍 3IN과 유체 배출 구멍 3OUT 및 냉각수 IN과 냉각수 OUT이 개방되어 있다. 하부 엔드 플레이트(4)에는, 유체 공급 구멍 2IN과 유체 배출 구멍 2OUT 및 유체 공급 구멍 4IN과 유체 배출 구멍 4OUT이 개방되어 있다.
여기서, 도 2로 되돌아가, 적층형 열교환기 2a의 AA 단면 및 CC 단면을 참조한다.
AA 단면은, 상부 엔드 플레이트(3)에 있어서의 유체 공급 구멍 1IN 및 유체 배출 구멍 3OUT과, 하부 엔드 플레이트(4)에 있어서의 유체 공급 구멍 4IN 및 유체 배출 구멍 2OUT을 포함하는 면이며, 적층형 열교환기 2a를 적층 방향으로 절단하였을 때의 단면도이다.
또한, CC 단면은, 상부 엔드 플레이트(3)에 있어서의 유체 공급 구멍 3IN 및 유체 배출 구멍 1OUT과, 하부 엔드 플레이트(4)에 있어서의 유체 공급 구멍 2IN 및 유체 배출 구멍 4OUT을 포함하는 면이며, 적층형 열교환기 2a를 적층 방향으로 절단하였을 때의 단면도이다.
상부 엔드 플레이트(3)에 있어서, 유체 공급 구멍 1IN 및 유체 배출 구멍 1OUT은 한쪽의 대각선 상에 형성되어 있고, 유체 공급 구멍 3IN 및 유체 배출 구멍 3OUT은 다른 쪽의 대각선 상에 형성되어 있다. 따라서, AA 단면에서 도시된 유체 공급 구멍 1IN 및 유체 공급 구멍 1IN에 대응하는 CC 단면에서 도시된 유체 배출 구멍 1OUT은, 각 단면에 있어서 제1 열교환 유닛(U1) 내를 각 열교환 유닛의 적층 방향을 따라 직접 외부에 연통시키도록 형성된다. 또한, CC 단면에서 도시된 유체 공급 구멍 3IN 및 유체 공급 구멍 3IN에 대응하는 AA 단면에서 도시된 유체 배출 구멍 3OUT은, 각 단면에 있어서 제1 열교환 유닛(U1)을 관통하여 제3 열교환 유닛(U3) 내를 각 열교환 유닛의 적층 방향을 따라 직접 외부에 연통시키도록 형성된다.
또한, 하부 엔드 플레이트(4)에 있어서, 유체 공급 구멍 4IN과 유체 배출 구멍 4OUT은 한쪽의 대각선 상에 형성되어 있고, 유체 공급 구멍 2IN과 유체 배출 구멍 2OUT은 다른 쪽의 대각선 상에 형성되어 있다. 따라서, AA 단면에서 도시된 유체 공급 구멍 4IN 및 유체 공급 구멍 4IN에 대응하는 CC 단면에서 도시된 유체 배출 구멍 4OUT은, 각 단면에 있어서 제2 열교환 유닛(U2)을 관통하여 제4 열교환 유닛(U4) 내를 각 열교환 유닛의 적층 방향을 따라 직접 외부에 연통시키도록 형성된다. 또한, CC 단면에서 도시된 유체 공급 구멍 2IN 및 유체 공급 구멍 2IN에 대응하는 AA 단면에서 도시된 유체 배출 구멍 2OUT은, 각 단면에 있어서 제2 열교환 유닛(U2) 내를 각 열교환 유닛의 적층 방향을 따라 직접 외부에 연통시키도록 형성된다.
여기서, 도 3에 도시하는, 적층형 열교환기 2a의 BB 단면을 참조한다. BB 단면은, 상부 엔드 플레이트(3)에 있어서의 냉각수 IN과 냉각수 OUT을 포함하는 면이며, 적층형 열교환기 2a를 적층 방향으로 절단하였을 때의 단면도이다. 상부 엔드 플레이트(3)에 있어서 냉각수 IN과 냉각수 OUT은, 상부 엔드 플레이트(3)의 길이 방향을 따른 BB선 상에 형성되어 있다. 따라서, 냉각수 IN과 냉각수 OUT은, 모두 BB 단면에 있어서 적층형 열교환기 2a의 모든 열교환 유닛(U1 내지 U4) 내에 형성되도록 나타난다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a에서는, 복수의 열교환 유닛(U1 내지 U4)의 각각에는, 각 열교환 유닛에 유체를 공급하는 유체 공급 구멍(공급 구멍)과, 공급된 유체를 배출하는 유체 배출 구멍(배출 구멍)이 형성되어 있다. 각 열교환 유닛에 형성된 공급 구멍 및 배출 구멍은, 열교환 유닛(U1 내지 U4)의 적층 방향을 따라 직접 외부에 연통되는 길이로 형성되어 있고, 상부 엔드 플레이트(3) 및 하부 엔드 플레이트(4)에서 본 평면에서 볼 때의 배치 위치가 서로 겹치지 않도록 형성되어 있다고 할 수 있다. 이러한 구조를 채용함으로써, 각 열교환기 유닛간에서 압력을 유지하기 위한 격벽 등은 필요로 하지 않는다.
(열교환 시스템의 동작)
다음으로, 도 2 및 도 3을 참조하면서, 적층형 열교환기 2a와 컴프레서의 접속에 대해 설명한다. 상술한 바와 같이 유체 공급 구멍 및 유체 배출 구멍이 형성된 적층형 열교환기 2a의 열교환 유닛(U1 내지 U4)의 각각에 대하여, 일대일로 대응하는 각 컴프레서를 접속한다. 즉, 제1 컴프레서(C1)의 토출구를 상부 엔드 플레이트(3)의 유체 공급 구멍 1IN에 접속하고, 상부 엔드 플레이트(3)의 유체 배출 구멍 1OUT을 제2 컴프레서(C2)의 흡입구에 접속한다. 다음으로, 제2 컴프레서(C2)의 토출구를 하부 엔드 플레이트(4)의 유체 공급 구멍 2IN에 접속하고, 하부 엔드 플레이트(4)의 유체 배출 구멍 2OUT을 제3 컴프레서(C3)의 흡입구에 접속한다. 계속해서, 제3 컴프레서(C3)의 토출구를 상부 엔드 플레이트(3)의 유체 공급 구멍 3IN에 접속하고, 상부 엔드 플레이트(3)의 유체 배출 구멍 3OUT을 제4 컴프레서(C4)의 흡입구에 접속한다. 마지막으로, 제4 컴프레서(C4)의 토출구를 하부 엔드 플레이트(4)의 유체 공급 구멍 4IN에 접속하고, 하부 엔드 플레이트(4)의 유체 배출 구멍 4OUT을 탱크 또는 봄베의 충전구에 접속한다.
또한, 냉각수 공급 펌프의 냉각수 토출구를, 상부 엔드 플레이트(3)의 냉각수 IN에 접속하고, 냉각수 OUT에 배수관을 접속한다. 이 접속에 의해, 제1 컴프레서(C1)의 흡입구로부터 탱크 또는 봄베의 충전구까지, 수소 가스를 다단으로 압축하면서 압축된 수소 가스의 열교환을 행하는 열교환 시스템 1a가 구성된다.
도 3에 냉각수의 흐름을 나타낸다. 우선, 냉각수 공급 펌프를 작동시켜 적층형 열교환기 2a의 상부 엔드 플레이트(3)의 냉각수 IN으로부터 냉각수를 연속적으로 공급한다. 공급된 냉각수는, 최상층의 제1 열교환 유닛(U1)으로부터 최하층의 제2 열교환 유닛(U2)까지 관통하는 냉각수 IN으로부터, 각 열교환 유닛의 냉각 플레이트의 유로에 유입되고, 유로를 채우면서 최상층의 제1 열교환 유닛(U1)으로부터 최하층의 제2 열교환 유닛(U2)까지 관통하는 냉각수 OUT으로 배출된다. 냉각수 공급 펌프에 의해 냉각수가 차례로 공급되므로, 냉각 플레이트 CP1의 유로를 흘러 냉각수 OUT으로 배출된 냉각수는, 상부 엔드 플레이트(3)의 냉각수 OUT으로부터 나와 배수관으로 배출된다. 이와 같이 하여, 열교환 유닛(U1 내지 U4)의 모든 냉각 플레이트 CP1에 있어서의 냉각수의 흐름이 확보된다.
그런 후에, 제1단째의 기계인 제1 컴프레서(C1)는 수소 가스를 압축하고, 압력이 높아지는 동시에 온도도 상승한 수소 가스가, 제1 컴프레서(C1)의 토출구로부터 상부 엔드 플레이트(3)의 유체 공급 구멍 1IN으로 송출된다.
도 2의 AA 단면에 도시되는 바와 같이, 유체 공급 구멍 1IN으로 공급된 수소 가스는, 수소 가스류 (1)로서 제1 열교환 유닛(U1)의 제1 유로 플레이트(P1)의 유로에 유입된다. 제1 유로 플레이트(P1)에 유입된 고온의 수소 가스는, 제1 유로 플레이트(P1)의 유로를 흐르는 동안에, 그 상하에 적층된 냉각용 플레이트 CP1을 흐르는 냉각수와 열교환을 하여 냉각된다.
도 2의 CC 단면에 도시되는 바와 같이, 제1 열교환 유닛(U1)에서 냉각된 수소 가스류 (1)은, 제1 유로 플레이트(P1)의 유로로부터 유체 배출 구멍 1OUT으로 배출되고, 상부 엔드 플레이트(3)의 유체 배출 구멍 1OUT으로부터, 제2단째의 기계인 제2 컴프레서(C2)의 흡입구에 유입된다. 제2 컴프레서(C2)는 수소 가스를 압축하고, 압력과 온도가 상승한 수소 가스가, 제2 컴프레서(C2)의 토출구로부터 하부 엔드 플레이트(4)의 유체 공급 구멍 2IN으로 송출된다.
도 2의 CC 단면에 도시되는 바와 같이, 유체 공급 구멍 2IN으로 공급된 수소 가스는, 수소 가스류 (2)로서 제2 열교환 유닛(U2)의 제2 유로 플레이트(P2)의 유로에 유입된다. 제2 유로 플레이트(P2)에 유입된 고온의 수소 가스는, 제2 유로 플레이트(P2)의 유로를 흐르는 동안에, 그 상하에 적층된 냉각용 플레이트 CP1을 흐르는 냉각수와 열교환을 하여 냉각된다.
도 2의 AA 단면에 도시되는 바와 같이, 제2 열교환 유닛(U2)에서 냉각된 수소 가스류 (2)는, 제2 유로 플레이트(P2)의 유로로부터 유체 배출 구멍 2OUT으로 배출되고, 하부 엔드 플레이트(4)의 유체 배출 구멍 2OUT으로부터, 제3단째의 기계인 제3 컴프레서(C3)의 흡입구에 유입된다. 제3 컴프레서(C3)는, 제1 컴프레서(C1) 및 제2 컴프레서(C2)에서 압축된 수소 가스를 더 압축하고, 압력과 온도가 상승한 수소 가스가, 제3 컴프레서(C3)의 토출구로부터 상부 엔드 플레이트(3)의 유체 공급 구멍 3IN으로 송출된다.
도 2의 CC 단면에 도시되는 바와 같이, 유체 공급 구멍 3IN으로 공급된 수소 가스는, 수소 가스류 (3)으로서 제3 열교환 유닛(U3)의 제3 유로 플레이트(P3)의 유로에 유입된다. 제3 유로 플레이트(P3)에 유입된 고온의 수소 가스는, 제3 유로 플레이트(P3)의 유로를 흐르는 동안에, 그 상하에 적층된 냉각용 플레이트 CP1을 흐르는 냉각수와 열교환을 하여 냉각된다.
도 2의 AA 단면에 도시되는 바와 같이, 제3 열교환 유닛(U3)에서 냉각된 수소 가스류 (3)은, 제3 유로 플레이트(P3)의 유로로부터 유체 배출 구멍 3OUT으로 배출되고, 상부 엔드 플레이트(3)의 유체 배출 구멍 3OUT으로부터, 최종단인 제4단째의 기계인 제4 컴프레서(C4)의 흡입구에 유입된다. 제4 컴프레서(C4)는, 제3 컴프레서(C3)까지에서 압축된 수소 가스를 다시 원하는 압력으로까지 압축하고, 압력과 온도가 상승한 수소 가스가, 제4 컴프레서(C4)의 토출구로부터 하부 엔드 플레이트(4)의 유체 공급 구멍 4IN으로 송출된다.
도 2의 CC 단면에 도시되는 바와 같이, 유체 공급 구멍 4IN으로 공급된 수소 가스는, 수소 가스류 (4)로서 제4 열교환 유닛(U4)의 제4 유로 플레이트(P4)의 유로에 유입된다. 제4 유로 플레이트(P4)에 유입된 고온의 수소 가스는, 제4 유로 플레이트(P4)의 유로를 흐르는 동안에, 그 상하에 적층된 냉각용 플레이트 CP1을 흐르는 냉각수와 열교환을 하여 냉각된다.
도 2의 AA 단면에 도시되는 바와 같이, 제4 열교환 유닛(U4)에서 냉각된 수소 가스류 (4)는, 제4 유로 플레이트(P4)의 유로로부터 유체 배출 구멍 4OUT으로 배출되고, 하부 엔드 플레이트(4)의 유체 배출 구멍 4OUT으로부터 탱크 또는 봄베의 충전구에 공급되어 충전된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 의한 열교환 시스템 1a는, 복수의 열교환 유닛(U1 내지 U4)이 적층되어 일체로 된 적층형 열교환기 2a를 사용하는 것이며, 복수의 컴프레서(C1 내지 C4)에 의해 다단으로 압축된 유체를, 각 단의 컴프레서에서 압축될 때마다 대응하는 열교환 유닛에 있어서 열교환을 행하는 것이다.
도 6의 AA 단면도에는, 본 실시 형태에 있어서의, 상부 엔드 플레이트(3)와 제1 열교환 유닛(U1)의 차압, 인접하는 열교환 유닛간의 차압, 제2 열교환 유닛(U2)과 하부 엔드 플레이트(4)의 차압(ΔP)이 나타내어져 있다. 상부 엔드 플레이트(3)와 제1 열교환 유닛(U1)의 차압은 5㎫, 제1 열교환 유닛(U1)과 제3 열교환 유닛(U3)의 차압은 20㎫, 제3 열교환 유닛(U3)과 제4 열교환 유닛(U4)의 차압은 30㎫, 제4 열교환 유닛(U4)과 제2 열교환 유닛(U2)의 차압은 40㎫, 제2 열교환 유닛(U2)과 하부 엔드 플레이트(4)의 차압은 10㎫이다.
열교환 시스템 1a의 구성에 있어서는, 적층형 열교환기 2a의 운전 변동에 의한 기기의 손상의 예방을 목적으로 하여, 적층형 열교환기 2a의 각 차압의 합계가 최소로 되도록 각 단의 컴프레서와 각 열교환 유닛의 대응 관계를 정하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 있어서, 제1 열교환 유닛(U1)은, 제1 컴프레서(C1)와 일대일로 대응하고 있었지만, 제1 컴프레서(C1) 이외의 제2 컴프레서(C2) 내지 제4 컴프레서(C4) 중 어느 하나와 대응하고 있어도 상관없다.
예를 들어, 제1 열교환 유닛(U1)을 제3 컴프레서(C3)와 대응시키고, 제2 열교환 유닛(U2)을 제1 컴프레서(C1)와 대응시키고, 제3 열교환 유닛(U3)을 제4 컴프레서(C4)와 대응시키고, 제4 열교환 유닛(U4)을 제2 컴프레서(C2)와 대응시킨 경우를 생각한다. 그 경우, 수소 가스는, 제1 컴프레서(C1), 제2 열교환 유닛(U2), 제2 컴프레서(C2), 제4 열교환 유닛(U4), 제3 컴프레서(C3), 제1 열교환 유닛(U1), 제4 컴프레서(C4), 제3 열교환 유닛(U3)의 순으로 통과하여 탱크 또는 봄베의 충전구에 공급되어 충전된다.
[제2 실시 형태]
도 7 내지 도 9를 참조하면서, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 열교환 시스템 1b를 설명한다.
본 실시 형태에 의한 열교환 시스템 1b는, 6대의 컴프레서(C1 내지 C6)와 6개의 열교환 유닛(U1 내지 U6)을 직렬로 접속한 6단의 압축을 행한다. 즉, 6개의 열교환 유닛(U1 내지 U6)을 적층한 적층형 열교환기 2b의 구성이, 제1 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a의 구성과는 다르므로, 이하에 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2b가, 제1 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a와 다른 점은, 냉각 플레이트 CP2의 구성이 제1 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2a의 냉각 플레이트 CP1과는 다른 것과, 제5 열교환 유닛(U5)과 제6 열교환 유닛(U6)이 더해지는 것에 있다. 제1 유로 플레이트(P1) 내지 제4 유로 플레이트(P4) 및 상하부 엔드 플레이트(3, 4)의 구성은, 제1 실시 형태와 마찬가지이다.
도 7은 본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2b에서 사용하는 냉각용 플레이트 CP2의 구성을 도시하고 있다. 도 7에 도시하는 냉각용 플레이트 CP2는, 냉각용 플레이트 CP2의 길이 방향을 따른 한쪽의 장변측에 있어서 냉각수 IN으로서 유로가 개방되고, 다른 쪽의 장변측에 있어서 냉각수 OUT으로서 유로가 개방된 플레이트이다. 냉각수 IN과 냉각수 OUT은, 냉각 플레이트 CP2의 대각 방향을 대략 따른 위치에 형성되어 있다. 냉각 플레이트 CP2에 형성된 유로는, 냉각 플레이트 CP2의 폭 방향으로 사행하도록 복수개 형성되어 냉각수 IN과 냉각수 OUT을 연결하고 있다.
냉각용 플레이트 CP2는, 길이 방향에 있어서의 양단부측에, 유체 공급 구멍 1IN 내지 4IN, 유체 배출 구멍 1OUT 내지 4OUT, 후술하는 유체 공급 구멍 5IN, 6IN 및 유체 배출 구멍 5OUT, 6OUT에 대응 가능한 관통 구멍을 갖고 있다.
이러한 냉각 플레이트 CP2를 사용하여, 제1 실시 형태와 마찬가지로 제1 유로 플레이트(P1)를 적층하여 제1 열교환 유닛(U1)을 구성하고, 제2 유로 플레이트(P2)를 적층하여 제2 열교환 유닛(U2)을 구성한다. 또한, 제3 유로 플레이트(P3)를 적층하여 제3 열교환 유닛(U3)을 구성하고, 제4 유로 플레이트(P4)를 적층하여 제4 열교환 유닛(U4)을 구성한다.
제5 유로 플레이트(P5) 및 제6 유로 플레이트(P6)는, 제1 실시 형태에 의한 냉각용 플레이트 CP1과 대략 마찬가지의 구성이며, 제1 실시 형태에 의한 냉각용 플레이트 CP1에 있어서의 냉각수 OUT은, 제5 유로 플레이트(P5)에 있어서 5IN으로서 작용하고, 냉각수 IN은 5OUT으로서 작용한다. 마찬가지로 제6 유로 플레이트(P6)는, 유체 공급 구멍 6IN과 유체 배출 구멍 6OUT을 구비하고 있다.
따라서, 도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 상부 엔드 플레이트(3)에 있어서, 제6 유로 플레이트(P6)의 6IN, 6OUT에 대응하는 위치에는, 관통 구멍 6IN, 6OUT이 형성되고, 하부 엔드 플레이트(4)에 있어서, 제5 유로 플레이트(P5)의 5IN, 5OUT에 대응하는 위치에는, 관통 구멍 5IN, 5OUT이 형성되어 있다.
제1 열교환 유닛(U1) 내지 제4 열교환 유닛(U4)과 마찬가지로, 냉각용 플레이트 CP2와 제5 유로 플레이트(P5)를 사용하여 제5 열교환 유닛(U5)을 구성하고, 냉각용 플레이트 CP2와 제6 유로 플레이트(P6)를 사용하여 제6 열교환 유닛(U6)을 구성한다.
상술한 바와 같이 얻어진 열교환 유닛(U1 내지 U6)을, 위에서부터 순서대로 제1 열교환 유닛(U1), 제3 열교환 유닛(U3), 제6 열교환 유닛(U6), 제4 열교환 유닛(U4), 제5 열교환 유닛(U5), 제2 열교환 유닛(U2)의 순으로 되도록 적층하고, 또한, 제1 열교환 유닛(U1)의 상면에 상부 엔드 플레이트(3)를 포개고, 제2 열교환 유닛(U2)의 하면에 하부 엔드 플레이트(4)를 포개어, 열교환 유닛(U1 내지 U6) 및 상하부 엔드 플레이트(3, 4)를 확산 접합에 의해 접합한다.
이에 의해, 본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2b가 형성된다. 상부 엔드 플레이트(3)에는 제1 유로 플레이트(P1)와 동일하게, 유체 공급 구멍 1IN과 유체 배출 구멍 1OUT, 유체 공급 구멍 3IN과 유체 배출 구멍 3OUT 및 6IN과 6OUT이 개방되어 있다. 하부 엔드 플레이트(4)에는, 유체 공급 구멍 2IN과 유체 배출 구멍 2OUT, 유체 공급 구멍 4IN과 유체 배출 구멍 4OUT 및 5IN과 5OUT이 개방되어 있다. 여기서, 제4 유로 플레이트(P4)에 있어서, 유체 공급 구멍 5IN, 6IN 및 유체 배출 구멍 5OUT, 6OUT에 대응하는 관통 구멍은 없어도 된다.
제1 열교환 유닛(U1) 내지 제6 열교환 유닛(U6)을 적층함으로써, 적층형 열교환기 2b의 측방에 적층형 열교환기 2b의 상하의 높이 방향을 따라 냉각용 플레이트 CP2의 냉각수 IN과 냉각수 OUT이 개방되게 된다. 이들 냉각수 IN과 냉각수 OUT에는, 적층형 열교환기 2b의 상하의 높이 방향을 따라 냉각수 IN과 냉각수 OUT의 각각에 공통의 유로를 형성하는 헤더(5)를 장착한다. 따라서, 냉각수 IN측의 헤더(5)에 공급된 냉각수는, 적층된 각 냉각용 플레이트 CP2의 냉각수 IN으로부터 유로에 유입되고, 각 냉각용 플레이트 CP2의 냉각수 IN으로부터 유출된 냉각수는, 냉각수 IN측의 헤더(5)를 통과하여 배출된다. 이 헤더(5)의 장착에 의해, 본 실시 형태에 의한 적층형 열교환기 2b가 완성된다.
본 실시 형태에 있어서도, 적층형 열교환기 2b의 복수의 열교환 유닛(U1 내지 U6)의 각각에는, 각 열교환 유닛에 유체를 공급하는 유체 공급 구멍(공급 구멍)과, 공급된 유체를 배출하는 유체 배출 구멍(배출 구멍)이 형성되어 있다. 각 열교환 유닛에 형성된 공급 구멍 및 배출 구멍은, 열교환 유닛(U1 내지 U6)의 적층 방향을 따라 직접 외부에 연통되는 길이로 형성되어 있고, 상부 엔드 플레이트(3) 및 하부 엔드 플레이트(4)에서 본 평면에서 볼 때의 배치 위치가 서로 겹치지 않도록 형성되어 있다고 할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 상술한 적층형 열교환기 2b와 6대의 컴프레서(C1 내지 C6)를 사용하여, 수소 가스를 6단으로 압축한다. 제1 열교환 유닛(U1)과 제1 컴프레서(C1), 제2 열교환 유닛(U2)과 제2 컴프레서(C2), …, 제5 열교환 유닛(U5)과 제5 컴프레서(C5) 및 제6 열교환 유닛(U6)과 제6 컴프레서(C6)와 같이 순서대로 대응시키고, 6대의 컴프레서(C1 내지 C6)가 적층형 열교환기 2b를 통해 직렬로 접속된 6단의 열교환 시스템 1b를 구성한다.
도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 수소 가스가 이 열교환 시스템 1b를 수소 가스류 (1) 내지 수소 가스류 (6)으로서 통과하면, 수소 가스는 6단으로 압축을 받으면서 원하는 압력으로까지 가압된다. 그때 열교환 시스템 1b는, 인접하는 열교환 유닛의 차압의 합계가 가장 작아지도록 구성되는 것이 바람직하다.
그런데 금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 특히, 금회 개시된 실시 형태에 있어서, 명시적으로 개시되어 있지 않은 사항, 예를 들어, 동작 조건이나 측정 조건, 각종 파라미터, 구성물의 치수, 중량, 체적 등은, 당업자가 통상 실시하는 범위를 일탈하는 것이 아니라, 통상의 당업자라면 용이하게 상정하는 것이 가능한 값을 채용하고 있다.
예를 들어, 제1 실시 형태에서는, 4대의 컴프레서(C1 내지 C4)와 4개의 열교환 유닛(U1 내지 U4)을 직렬로 접속하여 구성한 4단의 압축을 설명하였지만, 2대의 컴프레서와 2개의 열교환 유닛을 직렬로 접속하여 구성한 2단의 압축을 2개 병렬로 배열한 구성으로 해도 된다. 물론, 1단의 압축과 3단의 압축을 병렬로 배열한 구성도 가능하다.
제2 실시 형태에서는, 6대의 컴프레서(C1 내지 C6)와 6개의 열교환 유닛(U1 내지 U6)을 직렬로 접속하여 구성한 6단의 압축을 설명하였지만, 1단의 압축과 5단의 압축을 병렬로, 2단의 압축과 4단의 압축을 병렬로, 3단의 압축과 3단의 압축을 병렬로 배열한 구성도 가능하다.
또한, 열교환 시스템 1a, 1b의 유체로서 수소 가스를 예시하였지만, 유체로서, 수소 가스에 한정하지 않고 다른 기체나 액체를 채용할 수 있다. 그 경우, 냉각용 플레이트 CP1, CP2에 공급되는 냉각 매체는, 공급되는 유체의 종류에 따라 적절하게 변경 가능하다. 또한, 본 발명은 열교환 시스템이기도 하므로, 가열 매체를 흘림으로써 냉각용 플레이트를 가열용 플레이트로서 사용하여, 유체를 가열해도 된다.

Claims (6)

  1. 적층형 열교환기이며,
    복수의 기계로부터 송출된 유체의 열교환을 행하는 복수의 열교환 유닛이 적층되고,
    상기 열교환 유닛은, 복수의 유로판이 적층된 구조를 갖고,
    상기 유로판은, 표면에 형성된 오목 형상의 홈을 상기 유체의 유로로서 갖고 있는, 적층형 열교환기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 열교환 유닛의 각각이 상기 복수의 기계의 각각과 쌍으로 되어 있는, 적층형 열교환기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 열교환 유닛의 각각에는, 열교환 유닛에 유체를 공급하는 공급 구멍과, 상기 공급된 유체를 배출하는 배출 구멍이 형성되고,
    각 열교환 유닛에 형성된 공급 구멍 및 배출 구멍은, 열교환 유닛의 적층 방향을 따라 직접 외부에 연통되는 길이로 형성되어 있고, 평면에서 볼 때의 배치 위치가 서로 겹치지 않도록 형성되어 있는, 적층형 열교환기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유로판은, 금속제이며,
    상기 유로판의 유로는, 케미컬 에칭에 의해 형성되어 있는, 적층형 열교환기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적층된 금속제의 유로판이, 서로 확산 접합에 의해 접합되어 있는, 적층형 열교환기.
  6. 열교환 시스템이며,
    유체에 대하여 열량의 변화를 일으키게 하는 복수의 기계와, 상기 복수의 기계에 의해 열량이 변화된 유체의 열교환을 행하는 열교환 유닛이 적층되어 이루어지는 적층형 열교환기를 갖고,
    상기 적층형 열교환기가, 제1항에 기재된 적층형 열교환기인, 열교환 시스템.
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