WO2013002161A1 - 熱交換器 - Google Patents

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WO2013002161A1
WO2013002161A1 PCT/JP2012/066109 JP2012066109W WO2013002161A1 WO 2013002161 A1 WO2013002161 A1 WO 2013002161A1 JP 2012066109 W JP2012066109 W JP 2012066109W WO 2013002161 A1 WO2013002161 A1 WO 2013002161A1
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hydrogen gas
brine
refrigerant
pipe
container
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PCT/JP2012/066109
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稔治 片岡
渡辺　昇
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大陽日酸株式会社
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    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
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    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/08—Fluid driving means, e.g. pumps, fans

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger, and more particularly to a heat exchanger suitable for a heat exchanger for cooling a hydrogen gas provided in a facility for filling hydrogen gas into a fuel tank of a hydrogen automobile.
  • Hydrogen gas used as a fuel for hydrogen vehicles such as fuel cell vehicles has the property that the temperature rises due to the Joule-Thompson effect when adiabatic expansion occurs in various valves, flow meters, and other parts provided in the path through which hydrogen gas flows have. Accordingly, the temperature of the hydrogen gas rises due to the Joule-Thompson effect when passing through a valve or the like provided in the path for filling the hydrogen vehicle with the hydrogen gas from the hydrogen gas supply source, and the hydrogen gas is supplied to the fuel tank of the hydrogen vehicle. The temperature of the hydrogen gas also rises due to the compression heat for compressing and filling to a high pressure.
  • the cooling equipment for cooling the hydrogen gas is a system in which the brine is cooled and stored in a storage tank by heat exchange with the low-temperature refrigerant of the refrigerator, and the hydrogen gas is cooled by the low-temperature brine stored in the storage tank.
  • the brine is cooled and stored in a storage tank by heat exchange with the low-temperature refrigerant of the refrigerator, and the hydrogen gas is cooled by the low-temperature brine stored in the storage tank.
  • the present invention provides a heat exchanger that can efficiently perform heat exchange between a low-temperature refrigerant and brine and heat exchange between brine and hydrogen gas, and can reduce the size of cooling equipment and reduce equipment costs. It is aimed.
  • a heat exchanger for cooling hydrogen gas with brine cooled with a low-temperature refrigerant includes a vacuum-insulated container filled with brine, and a lid that closes the upper opening of the container.
  • a rotating shaft disposed in the axial direction of the container, a propeller provided on the rotating shaft, a spiral hydrogen gas cooling pipe disposed around the rotating shaft and the propeller, and the hydrogen gas cooling And a refrigerant pipe for cooling the brine arranged around the pipe.
  • the hydrogen gas cooling pipe includes a plurality of hydrogen gas cooling pipes arranged in upper and lower stages, and the refrigerant pipe has upper and lower ends on an annular upper manifold and an annular lower manifold.
  • the refrigerant flows from the lower end toward the upper end, the dry gas is supplied to the gas phase portion between the inner surface of the lid and the liquid level of the brine in the container, the container A drain for discharging the brine filled in the container is provided at the bottom of the container.
  • the container has a vertically long bottomed cylindrical shape, and the lower part of the container is supported by three or more support legs.
  • the axis can be vertical and self-supporting, and the low-temperature refrigerant is a low-temperature refrigerant of a refrigerator using a refrigeration cycle.
  • a heat exchanger for cooling hydrogen gas with brine cooled by a low-temperature refrigerant closes a vertically-bottomed cylindrical container having a double-walled structure with vacuum insulation and filled with brine and an upper opening of the container.
  • a gas cooling pipe and a hydrogen gas cooling pipe are arranged around the hydrogen gas cooling pipe, connected to an annular upper manifold and an annular lower manifold in upper and lower ends in communication, and supplied from a refrigerant introduction pipe communicating with the lower manifold.
  • a plurality of brine cooling refrigerant pipes for discharging the refrigerant from the refrigerant outlet pipe communicating with the upper manifold, and the rotating shaft, the hydrogen gas cooling pipe, the plurality of brine cooling refrigerant pipes and the container are flat. Sight, front From the inside about an axis of rotation, the propeller, the hydrogen gas cooling tube, is characterized by being arranged concentrically in the order of the plurality of the brine cooling refrigerant tube and the container.
  • the low-temperature refrigerant is preferably a low-temperature refrigerant of a refrigerator using a refrigeration cycle.
  • heat exchange for cooling the brine by the low-temperature refrigerant in the low-temperature cycle and heat exchange for cooling the hydrogen gas by the cooled brine can be performed in one container.
  • the piping and the pump can be omitted, and the cooling equipment can be downsized and the equipment cost can be reduced.
  • the low-temperature refrigerant of the refrigerator is used as the cold heat source, the running cost can be reduced as compared with those using liquefied gas as the cold heat source.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 1.
  • the heat exchanger 11 includes a vertically insulated cylindrical container 12 having a double-walled structure that is vacuum-insulated and filled with brine, and a disk-shaped lid 13 that closes the upper opening of the container 12.
  • a rotating shaft 14 that passes through the center of the lid 13 and is disposed in the axial direction of the container 12, an axial flow type propeller 15 that is provided above and below the rotating shaft 14, and the rotating shaft 14 and the propeller.
  • the spiral first hydrogen gas cooling pipe 16 and the second hydrogen gas cooling pipe 17 are arranged in two upper and lower stages around the periphery of the first hydrogen gas cooling pipe 16 and the second hydrogen gas cooling pipe 17.
  • a plurality of brine cooling refrigerant pipes 18 arranged in the axial direction.
  • Each of the plurality of brine cooling refrigerant pipes 18 is arranged at a position below the annular upper manifold 19 and the second hydrogen gas cooling pipe 17 disposed above the first hydrogen gas cooling pipe 16.
  • the upper and lower ends are connected in communication with the annular lower manifold 20 provided.
  • the refrigerant pipe 18 for cooling the brine corresponds to an evaporator in the refrigeration cycle, and cools the brine around the refrigerant pipe 18 by the cold heat generated when the decompressed liquid refrigerant evaporates.
  • the container 12 is provided with three or more support legs 21 at the lower part of the container, and is formed so that it can stand on its own axis.
  • a drain 22 is provided at the bottom of the container 12 for discharging the brine filled in the container 12 during maintenance.
  • the lid 13 is detachably fixed to a flange 12a provided on the upper outer edge of the container 12 by a fastener 23 made of a large number of bolts and nuts.
  • a speed reducer 25 with a cover that reduces the rotational speed of the drive shaft 24 that is rotationally driven by an air motor (not shown) and transmits it to the rotary shaft 14 is installed. Is operated to rotate the propeller 15 via the drive shaft 24, the speed reducer 25, and the rotary shaft 14.
  • the brine in the container 12 rises on the inner peripheral side of the first hydrogen gas cooling pipe 16 and the second hydrogen gas cooling pipe 17 by the rotation of the propeller, and the refrigerant from above the first hydrogen gas cooling pipe 16.
  • the pipe 18 descends outside and circulates from below the second hydrogen gas cooling pipe 17 to the inner peripheral side of the second hydrogen gas cooling pipe 17.
  • the lid 13 is provided with a first hydrogen gas introduction pipe 16a and a second hydrogen gas introduction for supplying hydrogen gas from a hydrogen gas supply source to the first hydrogen gas cooling pipe 16 and the second hydrogen gas cooling pipe 17, respectively.
  • a second hydrogen gas outlet pipe 17b is installed.
  • the hydrogen gas cooling pipes 16 and 17 are connected to the first hydrogen gas lead-out pipes 16b and the second hydrogen gas lead-out pipes 17b by a joining structure that does not require a joint by butt welding.
  • the first hydrogen gas introduction pipe 16a is disposed in the axial direction along the outside of the first hydrogen gas cooling pipe 16, and communicates with the lower end of the first hydrogen gas cooling pipe 16.
  • the 1 hydrogen gas outlet pipe 16 b communicates with the upper end of the first hydrogen gas cooling pipe 16.
  • the second hydrogen gas introduction pipe 17 a is disposed in the axial direction along the outside of the first hydrogen gas cooling pipe 16 and the second hydrogen gas cooling pipe 17, and is provided at the lower end of the second hydrogen gas cooling pipe 17.
  • the second hydrogen gas lead-out pipe 17b communicates with the upper end of the second hydrogen gas cooling pipe 17 and is disposed in the axial direction along the outside of the first hydrogen gas lead-out pipe 16b.
  • a refrigerant introduction pipe 20 a for introducing a low-temperature refrigerant for cooling the brine from the lower manifold 20 to each of the brine cooling refrigerant pipes 18, and a refrigerant outlet pipe 19 a that is led out from the upper manifold 19. And are installed.
  • the refrigerant introduction pipe 20a is on the inner peripheral side of the refrigerant pipe 18, and the first hydrogen gas introduction pipe 16a, the second hydrogen gas introduction pipe 17a, the first hydrogen gas outlet pipe 16b, and the second hydrogen gas outlet. It is arrange
  • a liquefied gas such as liquefied nitrogen can be used, but the running cost is reduced by using a chlorofluorocarbon of a refrigerator (not shown) using a refrigeration cycle. Can be preferred.
  • the first and second hydrogen gas cooling pipes 16 and 17, the upper manifold 19 and the lower manifold 20, and the plurality of brine cooling refrigerant pipes 18 are arranged on the axis of the container 12 in a plan view.
  • the first and second hydrogen gas cooling pipes 16 and 17 and the plurality of brine cooling refrigerant pipes 18 are arranged concentrically in this order from the inside, and the upper manifold 19 and the lower manifold 20 are connected to the rotating shaft 14. It is formed in a circular shape with a center.
  • a gas phase portion for coping with thermal expansion of the brine is provided between the inner surface of the lid 13 and the liquid level of the brine, and a dry phase for preventing alteration of the brine is provided in the gas phase portion.
  • a dry gas supply pipe 26 a that constantly supplies gas and a dry gas discharge pipe 26 b that exhausts the supplied dry gas are provided through the lid 14.
  • the brine in the container 12 is cooled in advance by rotating the propeller 15 through the drive shaft 24, the speed reducer 25, and the rotating shaft 14 with an air motor (not shown) and circulating the brine in the container 12. Cool to the set brine cooling temperature.
  • the refrigerator is stopped and the introduction of the low-temperature refrigerant into the refrigerant pipe 18 is stopped, the air motor is stopped and the circulation of the brine is also stopped, and the heat exchanger 11 is waited. State.
  • the refrigerator and the air motor are operated again to cool the brine to the brine cooling temperature.
  • the valves of the first hydrogen gas introduction pipe 16a and the second hydrogen gas introduction pipe 17a are opened, and the first hydrogen gas cooling pipe 16 and At the same time as supplying hydrogen gas from a hydrogen gas supply source to the lower end of the second hydrogen gas cooling pipe 17, the refrigerator and the air motor are operated to restart cooling of the brine and circulation of the brine.
  • the supplied hydrogen gas exchanges heat with the pre-cooled brine while ascending the first hydrogen gas cooling pipe 16 and the second hydrogen gas cooling pipe 17, and is cooled to a predetermined temperature to be cooled to the first hydrogen gas.
  • the fuel is led out to the lead-out pipe 16b and the second hydrogen gas lead-out pipe 17b, and is filled into the fuel tank through the filling pipe.
  • the helical hydrogen gas cooling pipes 16 and 17 and the refrigerant pipe 18 for cooling the brine are disposed in the container 12 filled with the brine, so that the conventional brine storage tank and brine circulation are provided. Therefore, it is possible to reduce the size of the hydrogen gas cooling facility by omitting the piping and the pump. Further, by providing a propeller 15 on the rotating shaft 14 arranged in the axial direction of the container 12 and circulating the brine in the container 12, heat exchange between the low-temperature refrigerant flowing in the refrigerant pipe 18 and the brine and the hydrogen gas cooling pipe 16 are performed. , 17 can effectively exchange heat between the hydrogen gas and the brine, and the heat exchange efficiency can be improved to reduce the size of the heat exchanger 11.
  • the rotating shaft 14 the first hydrogen gas introduction pipe 16a, the second hydrogen gas introduction pipe 17a, the first hydrogen gas lead-out pipe 16b, the second hydrogen gas lead-out pipe 17b, the refrigerant introduction pipe 20a, the refrigerant lead-out pipe 19a, and the dry gas Since all of the supply pipe 26 a and the dry gas discharge pipe 26 b are provided on the lid 13, it is not necessary to perform pipe connection processing on the peripheral wall of the container 12, and each pipe is joined and assembled at the lid 13 portion. Therefore, the heat exchanger 11 can be easily manufactured, and the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, maintenance of the heat exchanger 11 can be easily performed by discharging the brine in the container 12 from the drain 22 and removing the lid 13, thereby reducing maintenance costs. In addition, by cooling the brine in advance and in a standby state, the hydrogen gas can be effectively cooled from the start of hydrogen gas filling.
  • fresh dry gas is always supplied to the gas phase portion, but it can be filled with dry gas in advance.
  • Nitrogen gas is optimal as the dry gas, but inert gas other than nitrogen or dry air can also be used.
  • the hydrogen gas cooling pipe has a two-stage configuration, but depending on conditions such as the height of the container, it can be arranged in three or more stages.
  • the coil diameter of the spiral in the hydrogen gas cooling pipe varies depending on the flow rate of hydrogen gas, the size of the pipe, etc., but in general, it is preferably in the range of 100 mm to 500 mm, and the gap between the spirals is preferably in the range of 5 mm to 32 mm. .
  • an air motor is employed for driving the drive shaft.
  • an electric motor can also be used, and the propeller differs depending on the length of the hydrogen gas cooling pipe. It is preferable to install one piece, but only one piece can be used.
  • an upper manifold and a lower manifold are provided and a plurality of straight tubular refrigerant tubes are arranged.
  • the refrigerant tubes are formed in the same spiral shape as the hydrogen gas cooling tubes, and each manifold is omitted. You can also.
  • finned pipes or pipes with spiral grooves formed on the inner surface as refrigerant pipes or hydrogen gas cooling pipes, it is possible to increase the heat transfer area and promote the heat transfer effect.
  • a pipe having a spiral groove formed on the inner surface turbulent flow of the fluid flowing in the pipe can be promoted, and heat transfer efficiency can be further improved.

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Abstract

低温冷媒とブラインとの熱交換、ブラインと水素ガスとの熱交換を効率よく行うことができ、冷却設備の小型化や設備費の低減を図れる熱交換器であって、ブラインが充填される真空断熱された容器１２と、該容器の上部開口を塞ぐ蓋１３と、前記容器の軸線方向に配設した回転軸１４と、該回転軸に設けられたプロペラ１５と、前記回転軸及びプロペラの周囲に上下２段に配設された螺旋状の水素ガス冷却管１６，１７と、該水素ガス冷却管の周囲に配設されたブライン冷却用の冷媒管１８とを備えている熱交換器。

Description

熱交換器
　本発明は、熱交換器に関し、より詳しくは、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に関する。
　燃料電池自動車のような水素自動車の燃料として用いられる水素ガスは、水素ガスが流れる経路に設けられている各種弁や流量計等の部分で断熱膨張すると、ジュールトムソン効果によって温度が上昇するという性質を有している。したがって、水素ガス供給源から水素自動車に水素ガスを充填する経路に設けられている弁等を通過する際のジュールトムソン効果により水素ガスの温度が上昇するとともに、水素ガスを水素自動車の燃料タンクに高圧に圧縮充填するための圧縮熱によっても水素ガスの温度が上昇する。
　このように水素ガスの温度が上昇すると、燃料タンクの使用上限温度である８５℃を超える問題や、充填後の冷却に伴う圧力降下等の問題が発生するため、水素ガスが流れる経路に冷却設備を配置し、この冷却設備で水素ガスを冷却しながら水素自動車に水素を充填する装置や方法が各種提案されている。
　水素ガスを冷却するための冷却設備としては、冷凍機の低温冷媒との熱交換によりブラインを冷却して貯槽に貯留し、該貯槽に貯留した低温のブラインによって水素ガスを冷却する方式のものや（例えば、特許文献１参照。）、液化窒素のような液化ガスと水素ガスとを熱交換させて水素ガスを冷却するものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００８－１６４１７７号公報 特開２００８－２６７４９６号公報
　しかし、特許文献１に記載された冷却設備では、冷凍サイクルの低温冷媒とブラインとを熱交換させる熱交換器、ブラインと水素ガスとを熱交換させる熱交換器、ブライン貯槽、ブライン循環用の配管及びポンプ等が必要であることから、設備が複雑になり、設置面積も大きく、設備費が高額なものとなっていた。また、特許文献２に記載された冷却設備では、熱交換器が１基で済むことから設備の小型化や簡略化を図ることは可能であるが、水素ガスとの熱交換によって消耗する液化ガスを常に補充する必要があるため、ランニングコストが大幅に上昇するという問題がある。
　そこで本発明は、低温冷媒とブラインとの熱交換、ブラインと水素ガスとの熱交換を効率よく行うことができ、冷却設備の小型化や設備費の低減を図れる熱交換器を提供することを目的としている。
　上記目的を達成するため、本発明に係る低温冷媒で冷却されたブラインで水素ガスを冷却する熱交換器は、ブラインが充填される真空断熱された容器と、該容器の上部開口を塞ぐ蓋と、前記容器の軸線方向に配設された回転軸と、該回転軸に設けられたプロペラと、前記回転軸及びプロペラの周囲に配設された螺旋状の水素ガス冷却管と、該水素ガス冷却管の周囲に配設されたブライン冷却用の冷媒管とを備えていることを特徴としている。
　また、上記熱交換器は、前記水素ガス冷却管が、複数の水素ガス冷却管を上下多段に配設していること、前記冷媒管は、環状の上部マニホールドと環状の下部マニホールドとに上下端を連通状態に接続して、下端から上端方向に冷媒を流通させること、前記蓋の内面と容器内のブラインの液面との間の気相部にドライガスが供給されていること、前記容器の底部には、容器内に充填されているブラインを排出するためのドレインが設けられていること、前記容器は、縦長有底円筒状を呈し、容器下部を３本以上の支持脚にて支持されて、軸線を垂直にして自立できること、前記低温冷媒は冷凍サイクルを用いた冷凍機の低温冷媒であることが好ましい。
　さらに、低温冷媒で冷却されたブラインで水素ガスを冷却する熱交換器は、ブラインが充填される真空断熱された二重壁構造の縦長有底円筒状の容器と、該容器の上部開口を塞ぐ蓋と、該蓋の中心を貫通して容器内に軸線方向に挿入される回転軸と、該回転軸に設けられたプロペラと、前記回転軸及びプロペラの周囲に配設された螺旋状の水素ガス冷却管と、該水素ガス冷却管の周囲に配設されて、環状の上部マニホールドと環状の下部マニホールドとに上下端を連通状態に接続して、下部マニホールドに連通する冷媒導入管から供給される冷媒を上部マニホールドに連通する冷媒導出管から排出する複数本のブライン冷却用の冷媒管とを備え、前記回転軸、前記水素ガス冷却管、前記複数のブライン冷却用冷媒管及び容器は、平面視、前記回転軸を中心にして内側から、前記プロペラ、前記水素ガス冷却管、複数のブライン冷却用冷媒管及び容器の順に同心円上に配置されていることを特徴としている。また、前記低温冷媒は冷凍サイクルを用いた冷凍機の低温冷媒であることが好ましい。
本発明によれば、低温サイクルの低温冷媒によってブラインを冷却する熱交換及び冷却されたブラインによって水素ガスを冷却する熱交換を１つの容器内で行うことができ、ブライン用の貯槽やブライン循環用の配管及びポンプを省略でき、冷却設備の小型化及び設備費の低減を図れる。また、冷凍機の低温冷媒を冷熱源とするので、液化ガスを冷熱源として使用するものに比べてランニングコストを低減することができる。
本発明の熱交換器の一形態例を示す断面正面図である。 図１の熱交換器の平面図である。 図１のIII－III断面図である。
　本形態例に係る熱交換器１１は、ブラインが充填される真空断熱された二重壁構造の縦長有底円筒状の容器１２と、該容器１２の上部開口を塞ぐ円板状の蓋１３と、該蓋１３の中心を貫通して容器１２の軸線方向に配置された回転軸１４と、該回転軸１４の上下に複数個設けられた軸流式のプロペラ１５と、前記回転軸１４及びプロペラ１５の周囲に上下２段に配設された螺旋状の第１水素ガス冷却管１６及び第２水素ガス冷却管１７と、前記第１水素ガス冷却管１６及び第２水素ガス冷却管１７の周囲に軸線方向に配設された複数本のブライン冷却用の冷媒管１８とを備えている。
　該複数本のブライン冷却用の冷媒管１８のそれぞれは、前記第１水素ガス冷却管１６の上方位置に配設された環状の上部マニホールド１９と前記第２水素ガス冷却管１７の下方位置に配設された環状の下部マニホールド２０とに上下端を連通状態に接続している。このブライン冷却用の冷媒管１８は、冷凍サイクルにおける蒸発器に相当するものであって、減圧された液冷媒が蒸発する際に発生する冷熱により、冷媒管１８の周囲のブラインを冷却する。
　前記容器１２は、容器下部に３本以上の支持脚２１が設けられ、軸線を垂直にして自立できるように形成されている。また、容器１２の底部には、容器１２内に充填されているブラインをメンテナンス時等に排出するためのドレイン２２が設けられている。
　前記蓋１３は、前記容器１２の上部外縁に設けられたフランジ１２ａに多数のボルト及びナットからなる締結具２３にて着脱可能に固着されている。前記蓋１３の外面中央部には、図示しないエアーモータにより回転駆動される駆動軸２４の回転速度を減速して前記回転軸１４に伝達するカバー付きの減速機２５が設置されており、エアーモータを作動させることにより、前記駆動軸２４、減速機２５及び回転軸１４を介して前記プロペラ１５を回転させる。容器１２内の前記ブラインは、このプロペラの回転により、前記第１水素ガス冷却管１６及び第２水素ガス冷却管１７の内周側を上昇し、第１水素ガス冷却管１６の上方から前記冷媒管１８の外側を下降して第２水素ガス冷却管１７の下方から第２水素ガス冷却管１７の内周側に循環する。
　前記蓋１３には、水素ガス供給源からの水素ガスを、前記第１水素ガス冷却管１６及び前記第２水素ガス冷却管１７にそれぞれ供給する第１水素ガス導入管１６ａ及び第２水素ガス導入管１７ａと、前記第１水素ガス冷却管１６及び前記第２水素ガス冷却管１７で冷却された水素ガスを導出して使用先、例えば自動車の燃料タンクへ送出する第１水素ガス導出管１６ｂ及び第２水素ガス導出管１７ｂとが設置されている。各水素ガス冷却管１６，１７と各第１水素ガス導出管１６ｂ及び第２水素ガス導出管１７ｂとは、突き合わせ溶接により継手を必要としない接合構造により接続されている。
　また、前記第１水素ガス導入管１６ａは、前記第１水素ガス冷却管１６の外側に沿って軸線方向に配設され、前記第１水素ガス冷却管１６の下端に連通しており、前記第１水素ガス導出管１６ｂは、前記第１水素ガス冷却管１６の上端に連通している。前記第２水素ガス導入管１７ａは、前記第１水素ガス冷却管１６及び前記第２水素ガス冷却管１７の外側に沿って軸線方向に配設され、前記第２水素ガス冷却管１７の下端に連通している。また、前記第２水素ガス導出管１７ｂは、前記第２水素ガス冷却管１７の上端に連通して、前記第１水素ガス導出管１６ｂの外側に沿って軸線方向に配設されている。
　さらに、前記蓋１３を貫通して、ブライン冷却用の低温冷媒を、前記下部マニホールド２０から各ブライン冷却用冷媒管１８に導入する冷媒導入管２０ａと、前記上部マニホールド１９から導出する冷媒導出管１９ａとが設置されている。前記冷媒導入管２０ａは、前記冷媒管１８の内周側で、前記第１水素ガス導入管１６ａ、前記第２水素ガス導入管１７ａ、前記第１水素ガス導出管１６ｂ、前記第２水素ガス導出管１７ｂの間に軸線方向に配設されている。
なお、ブライン冷却用の低温冷媒については、液化窒素のような液化ガスを用いることもできるが、冷凍サイクルを用いた冷凍機（図示せず）のフロン等を使用することでランニングコストを低減することができ、好ましい。
　前記第１・第２水素ガス冷却管１６，１７、上部マニホールド１９及び下部マニホールド２０、複数のブライン冷却用冷媒管１８は、平面視で、容器１２の軸線上に配置されている前記回転軸１４を中心にして内側から、前記第１・第２水素ガス冷却管１６，１７、複数のブライン冷却用冷媒管１８の順に同心円上に配置され、上部マニホールド１９及び下部マニホールド２０は、回転軸１４を中心とした円形に形成されている。
　また、前記蓋１３の内面とブラインの液面との間には、ブラインの熱膨張に対処するための気相部が設けられるとともに、この気相部に、ブラインの変質を防止するためのドライガスを常時供給するドライガス供給管２６ａ及び供給されたドライガスを排気するドライガス排出管２６ｂが前記蓋１４を貫通して設けられている。
　次に、この熱交換器１１を用いて水素ガスを自動車の燃料タンクに充填する使用例を説明する。まず、前記ドライガス供給管２６ａ及びドライガス排出管２６ｂの弁を開いて前記気相部をドライガスで満たした状態とし、前記冷媒導入管２０ａ及び冷媒導出管１９ａの弁を開き、冷凍機の膨張弁（図示せず）で膨張した液冷媒あるいは該液冷媒が蒸発した低温のガス冷媒を冷媒管１８に導入し、冷媒管１８を介して低温サイクルの低温冷媒とブラインとを熱交換させることによりブラインを冷却するとともに、図示しないエアーモータで駆動軸２４、減速機２５、回転軸１４を介してプロペラ１５を回転させ、ブラインを容器１２内で循環させることにより、容器１２内のブラインをあらかじめ設定されたブライン冷却温度まで冷却する。ブラインの温度がブライン冷却温度に達したら、冷凍機を停止して冷媒管１８への低温冷媒の導入を中断するとともに、エアーモータを停止してブラインの循環も中断し、熱交換器１１を待機状態とする。この待機状態でブラインの温度があらかじめ設定された上限温度に上昇したときには、再び冷凍機及びエアーモータを作動させてブラインをブライン冷却温度に冷却する。
　あらかじめ圧縮された高圧の水素ガスを自動車の燃料タンクへ充填する際には、第１水素ガス導入管１６ａ及び第２水素ガス導入管１７ａの弁をそれぞれ開き、前記第１水素ガス冷却管１６及び前記第２水素ガス冷却管１７の下端に水素ガス供給源からの水素ガスをそれぞれ供給すると同時に、冷凍機及びエアーモータを作動させてブラインの冷却及びブラインの循環を再開する。供給された水素ガスは、前記第１水素ガス冷却管１６及び前記第２水素ガス冷却管１７を上昇しながら、あらかじめ冷却されたブラインと熱交換を行い、所定温度に冷却されて第１水素ガス導出管１６ｂ及び第２水素ガス導出管１７ｂに導出され、充填用配管を介して燃料タンクに充填される。
　このように、ブラインが充填された容器１２内に、螺旋状の前記水素ガス冷却管１６，１７と、ブライン冷却用の前記冷媒管１８とを配設したことにより、従来のブライン貯槽、ブライン循環用の配管及びポンプを省略して水素ガス冷却設備の小型化を図ることができる。また、容器１２の軸線方向に配置した回転軸１４にプロペラ１５を設けてブラインを容器１２内で循環させることにより、冷媒管１８内を流れる低温冷媒とブラインとの熱交換及び水素ガス冷却管１６，１７内を流れる水素ガスとブラインとの熱交換を効果的に行うことができ、それぞれの熱交換効率を向上させて熱交換器１１の小型化も図ることができる。
　また、回転軸１４、第１水素ガス導入管１６ａ、第２水素ガス導入管１７ａ、第１水素ガス導出管１６ｂ、第２水素ガス導出管１７ｂ、冷媒導入管２０ａ、冷媒導出管１９ａ、ドライガス供給管２６ａ及びドライガス排出管２６ｂのすべてを蓋１３に設けているので、容器１２の周壁に配管接続用の加工を施す必要がなく、各配管の接合や組み立ても蓋１３の部分で行うことができるので、熱交換器１１の製作も容易に行うことができ、製造コストを低減することができる。さらに、熱交換器１１のメンテナンスも、ドレイン２２から容器１２内のブラインを排出して蓋１３を取り外すことにより容易に行うことができ、保守コストの低減も図れる。加えて、あらかじめブラインを冷却して待機状態としておくことにより、水素ガス充填開始時から水素ガスを効果的に冷却することができる。
　なお、上述の形態例では、前記気相部に常時新鮮なドライガスを供給しているが、予めドライガスで満たしておくこともできる。また、ドライガスとしては、窒素ガスが最適であるが、窒素以外の不活性ガスや乾燥空気も使用可能である。
　さらに、上述の形態例では水素ガス冷却管を上下２段構成としているが、容器の高さなどの条件によっては上下３段以上に配設することも可能であり、１段にすることもできる。水素ガス冷却管における螺旋のコイル径は、水素ガスの流量、管のサイズ等によって異なるが、一般的には、１００ｍｍ～５００ｍｍの範囲が好ましく、螺旋の隙間間隔は、５ｍｍ～３２ｍｍの範囲が好ましい。
　また、上述の形態例によれば、前記駆動軸の駆動にエアーモータを採用しているが、電気モータを使用することも可能であり、プロペラは、水素ガス冷却管の長さによって異なり、複数個設置することが好ましいが、１個のみとすることもできる。
　さらに、上述の形態例では、上部マニホールド及び下部マニホールドを設けて直管状の冷媒管を複数本配置するようにしているが、冷媒管を水素ガス冷却管と同様の螺旋形状として各マニホールドを省略することもできる。
　また、冷媒管や水素ガス冷却管として、フィン付き管や内面に螺旋状の溝を形成した管を用いることにより、伝熱面積を大きくして伝熱効果を促進することがきる。また、内面に螺旋状の溝を形成した管を使用することにより、管内を流れる流体の乱流を促進することができ、伝熱効率を更に向上させることができる。
　１１…熱交換器、１２…容器、１３…蓋、１４…回転軸、１５…プロペラ、１６…第１水素ガス冷却管、１６ａ…第１水素ガス導入管、１６ｂ…第１水素ガス導出管、１７…第２水素ガス冷却管、１７ａ…第２水素ガス導入管１７ａ、１７ｂ…第２水素ガス導出管、１８…冷媒管、１９…上部マニホールド、２０…下部マニホールド、２１…支持脚、２２…ドレイン管、２３…締結具、２４…駆動軸、２５…減速機、２６ａ…ドライガス供給管、２６ｂ…ドライガス排出管

Claims (9)

  1. 低温冷媒で冷却されたブラインで水素ガスを冷却する熱交換器において、該熱交換器は、ブラインが充填される真空断熱された容器と、該容器の上部開口を塞ぐ蓋と、前記容器の軸線方向に配設された回転軸と、該回転軸に設けられたプロペラと、前記回転軸及びプロペラの周囲に配設された螺旋状の水素ガス冷却管と、該水素ガス冷却管の周囲に配設されたブライン冷却用の冷媒管とを備えていることを特徴とする熱交換器。
  2. 前記水素ガス冷却管は、複数の水素ガス冷却管を上下多段に配設していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
  3. 前記冷媒管は、環状の上部マニホールドと環状の下部マニホールドとに上下端を連通状態に接続して、下端から上端方向に冷媒を流通させることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
  4. 前記蓋の内面と容器内のブラインの液面との間の気相部にドライガスを供給することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
  5. 前記容器の底部には、容器内に充填されているブラインを排出するためのドレインが設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
  6. 前記容器は、縦長有底円筒状を呈し、容器下部を３本以上の支持脚にて支持されて、軸線を垂直にして自立できることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
  7. 前記低温冷媒は、冷凍サイクルを用いた冷凍機の低温冷媒であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
  8. 低温冷媒で冷却されたブラインで水素ガスを冷却する熱交換器において、該熱交換器は、ブラインが充填される真空断熱された二重壁構造の縦長有底円筒状の容器と、該容器の上部開口を塞ぐ円盤状の蓋と、該蓋の中心を貫通して容器の軸線方向に配設された回転軸と、該回転軸に設けられたプロペラと、前記回転軸及びプロペラの周囲に配設された螺旋状の水素ガス冷却管と、該水素ガス冷却管の周囲に配設されて、環状の上部マニホールドと環状の下部マニホールドとに上下端を連通状態に接続して、下部マニホールドに連通する冷媒導入管から供給される冷媒を上部マニホールドに連通する冷媒導出管から排出する複数本のブライン冷却用の冷媒管とを備え、前記回転軸、前記水素ガス冷却管、前記複数のブライン冷却用冷媒管及び容器は、平面視、前記回転軸を中心にして内側から、前記プロペラ、前記水素ガス冷却管、複数のブライン冷却用冷媒管及び容器の順に同心円上に配置されていることを特徴とする熱交換器。
  9. 前記低温冷媒は、冷凍サイクルを用いた冷凍機の低温冷媒であることを特徴とする請求項８記載の熱交換器。
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