WO2015098438A1

WO2015098438A1 - 熱交換器及び水素貯蔵装置

Info

Publication number: WO2015098438A1
Application number: PCT/JP2014/081887
Authority: WO
Inventors: 善也中村; 亨竹内
Original assignee: Kayaba Industry Co Ltd
Current assignee: KYB Corp
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2016-06-24
Also published as: JP2015121346A

Abstract

　圧力容器内に設けられる熱交換器であって、圧力容器外から給排される熱媒体が内部を通過する熱交換パイプを備え、熱交換パイプは、異形断面形状を有し長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成される第１螺旋管及び第２螺旋管を備え、第１螺旋管及び第２螺旋管は、ねじれの向きが互いに逆向きである。

Description

熱交換器及び水素貯蔵装置

　本発明は、圧力容器内に設けられる熱交換器及びこれを備えた水素貯蔵装置に関するものである。

　従来、圧力容器内に設けられる熱交換器として、圧力容器外から給排される熱媒体が内部を通過する熱交換パイプを備えるものが知られている。ＪＰ２０１３－１５１７４Ａには、その断面が放射状に突出する複数の管凸部と隣り合う管凸部の間で窪む複数の管凹部とを有し、管凸部と管凹部が軸方向に螺旋状に延びて形成される熱交換パイプを備えた熱交換器が開示されている。

　圧力容器内に設けられる熱交換器の熱交換パイプには、外圧が作用する。螺旋状にねじれる熱交換パイプに外圧が作用すると、ねじれが増大する方向にねじりモーメントが発生する。圧力容器内に設けられる熱交換器には、このようなねじりモーメントが常に作用するため、熱交換器の耐久性を向上させることが求められている。

　本発明は、熱交換器の耐久性を向上させることを目的とする。

　本発明のある態様によれば、圧力容器内に設けられる熱交換器であって、圧力容器外から給排される熱媒体が内部を通過する熱交換パイプを備え、熱交換パイプは、異形断面形状を有し長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成された第１螺旋管及び第２螺旋管を有し、第１螺旋管及び第２螺旋管は、ねじれの向きが互いに逆向きである。

図１は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器を備える水素貯蔵装置の一部断面図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る熱交換器が有する第１螺旋管及び第２螺旋管の斜視図である。図３は、本発明の第２実施形態に係る熱交換器を備える水素貯蔵装置の一部断面図である。図４は、本発明の第３実施形態に係る熱交換器を備える水素貯蔵装置の一部断面図である。図５は、本発明の各実施形態に係る熱交換器が有する第１螺旋管及び第２螺旋管の他の形状を表す断面図である。

　（第１実施形態）
　以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る熱交換器１００について説明する。以下では、水素貯蔵装置１に設けられる熱交換器１００について説明する。

　まず、図１を参照して、熱交換器１００が設けられる水素貯蔵装置１について説明する。

　図１に示す水素貯蔵装置１は、例えば水素ガスを燃料とする車両に搭載されるものであり、高圧の水素ガスを貯蔵する水素貯蔵室２を有する。

　水素貯蔵装置１は、水素貯蔵室２を画成する圧力容器として、中空状のライナ１０と、ライナ１０の一端部に取り付けられるエンドフランジ２０と、ライナ１０の他端部に取り付けられるベースフランジ３０と、を備える。

　ライナ１０の外周には、ライナ１０を包囲する補強チューブ４０が設けられる。補強チューブ４０の材質は、ライナ１０より引張強度が高く、熱膨張率が小さい金属であり、例えば高張力鋼である。

　ライナ１０の内部には、水素貯蔵物質３を収容するタンクとして、中空状のサブタンク５０が設けられる。サブタンク５０の一端側の開口はベースフランジ３０によって塞がれ、他端側の開口は蓋部材６０によって塞がれる。

　蓋部材６０には、ライナ１０内の水素貯蔵室２とサブタンク５０の内部とを連通する通孔６１と、通孔６１を覆うメッシュ６２と、が設けられる。蓋部材６０は、エンドフランジ２０に連結される。

　水素貯蔵物質３は、メッシュ６２によってサブタンク５０の内部に閉じ込められる。図１には便宜上、サブタンク５０に収容される水素貯蔵物質３の一部を示しているが、水素貯蔵物質３はサブタンク５０内の全域に収容される。

　水素貯蔵物質３は、例えば粉末状の水素吸蔵合金が用いられる。水素吸蔵合金は、水素を吸蔵する性質があるものを合金化したものである。水素貯蔵物質３には、大気中に比べて数１００倍以上の水素ガスが貯蔵される。水素貯蔵物質３は、水素吸蔵合金に限らず、水素を取り込む性質のある他の物質を用いてもよい。

　エンドフランジ２０には、水素貯蔵室２に水素ガスを給排する水素ガス給排通路２１が設けられる。水素ガス給排通路２１は、エンドフランジ２０に接続される配管を介して水素ガスの供給源と水素ガスの供給先とに連通される。

　ベースフランジ３０には、後述する熱交換器１００に熱媒体を供給する第１ポート３０Ａと、熱交換器１００内を通過した熱媒体を排出する第２ポート３０Ｂと、が設けられる。

　サブタンク５０の内部には、水素貯蔵物質３を冷却または加熱する熱交換器１００が設けられる。熱交換器１００は、水素貯蔵装置１の外部から第１，第２ポート３０Ａ，３０Ｂを通じて給排される熱媒体が内部を通過することによって、水素貯蔵物質３との間で熱交換を行う。熱媒体は、例えば水またはオイルが用いられるが、これに限らず、他の液体または気体を用いてもよい。

　水素貯蔵装置１への水素ガス充填時には、エンドフランジ２０の水素ガス給排通路２１を通じて外部の供給源から高圧の水素ガスがライナ１０内の水素貯蔵室２に供給される。そして、第１ポート３０Ａを通じて外部の供給源から低温の冷却媒体（熱媒体）が熱交換器１００に供給される。熱交換器１００に供給される冷却媒体によって水素貯蔵物質３が冷却されることにより、水素ガスが水素貯蔵物質３に貯蔵される。

　一方、水素貯蔵装置１から水素ガスが取り出されるときには、外部の供給源から第１ポート３０Ａを通じて高温の昇温媒体（熱媒体）が熱交換器１００に供給される。熱交換器１００に供給される昇温媒体によって水素貯蔵物質３が加熱されることにより、水素貯蔵物質３から放出される水素ガスがエンドフランジ２０の水素ガス給排通路２１を通じて取り出される。

　次に、熱交換器１００について具体的に説明する。

　熱交換器１００は、水素貯蔵装置１の外部から給排される熱媒体が内部を通過する熱交換パイプ１０１と、熱交換パイプ１０１の基端を支持しベースフランジ３０に固定されるチューブフランジ１０２と、を備える。

　熱交換パイプ１０１は、熱媒体が供給される供給口１１０Ａを一端に有する往路部１１０と、往路部１１０と平行に設けられ、内部を通過した熱媒体を排出する排出口１２０Ａを一端に有する復路部１２０と、往路部１１０と復路部１２０の他端同士を連結する連結部１３０と、を備える。連結部１３０には、往路部１１０内を通過する熱媒体を復路部１２０へ導く連結路１３１が設けられる。

　往路部１１０は、異形断面形状を有し長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成される第１螺旋管１１１と、一端がチューブフランジ１０２に支持され断面が円形のストレート管である往路支持部１１２と、連結部１３０に連結され断面が円形のストレート管である往路接続部１１３と、を備える。

　往路部１１０の第１螺旋管１１１は、図２に示すように、放射状に突出する複数の凸部１１１Ａが長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成される。このように、断面形状を異形形状とすることにより、表面積が大きくなるため、熱伝達性が向上する。

　往路部１１０の往路支持部１１２は、一端の供給口１１０Ａがチューブフランジ１０２に支持され、他端が第１螺旋管１１１に連結される。往路支持部１１２は、供給口１１０Ａを通じて供給される熱媒体を第１螺旋管１１１の内部へと導く。

　往路部１１０の往路接続部１１３は、一端が第１螺旋管１１１に連結され、他端が連結部１３０に連結される。往路接続部１１３は、第１螺旋管１１１の内部を通過した熱媒体を連結部１３０へと導く。

　図１に示すように、復路部１２０は、異形断面形状を有し長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成される第２螺旋管１２１と、一端がチューブフランジ１０２に支持され断面が円形のストレート管である復路支持部１２２と、連結部１３０に連結され断面が円形のストレート管である復路接続部１２３と、を備える。

　復路部１２０の復路接続部１２３は、一端が第２螺旋管１２１に連結され、他端が連結部１３０に連結される。復路接続部１２３は、連結部１３０を通じて導かれた熱媒体を第２螺旋管１２１の内部へと導く。

　復路部１２０の第２螺旋管１２１は、図２に示すように、放射状に突出する複数の凸部１２１Ａが長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成される。第２螺旋管１２１は、図２中矢印で示すように往路部１１０の第１螺旋管１１１のねじれの向きとは異なる逆向きにねじれて形成される。

　復路部１２０の復路支持部１２２は、一端の排出口１２０Ａがチューブフランジ１０２に支持され、他端が第２螺旋管１２１に連結される。復路支持部１２２は、排出口１２０Ａを通じて第２螺旋管１２１を通過した熱媒体を外部へと排出する。

　図１に示すように、往路部１１０の第１螺旋管１１１と復路部１２０の第２螺旋管１２１、往路支持部１１２と復路支持部１２２、及び往路接続部１１３と復路接続部１２３は、互いに同一の長さに形成される。

　また、往路部１１０は、１本の管を加工することにより第１螺旋管１１１、往路支持部１１２及び往路接続部１１３を形成してもよいし、それぞれを溶接等で接続して形成してもよい。復路部１２０も同様に、１本の管を加工して形成してもよいし、それぞれを溶接等で接続して形成してもよい。

　このように、熱交換パイプ１０１は、基端がチューブフランジ１０２に片持ち支持されるＵ字状に形成される。熱交換パイプ１０１の内部には、供給口１１０Ａを通じて外部から供給される熱媒体が、往路部１１０、連結部１３０、復路部１２０を通過して循環するため、水素貯蔵物質３との間で熱交換を行うことができる。

　ライナ１０内の水素貯蔵物質３は、高圧状態にあるため、熱交換パイプ１０１には外圧が作用する。熱交換パイプ１０１の第１螺旋管１１１及び第２螺旋管１２１の個々には、ねじれが増大するように外圧が作用するため、それぞれにねじりモーメントが発生する。

　しかし、第１螺旋管１１１と第２螺旋管１２１は、ねじれの向きが互いに異なる逆向きに形成される。このため、外圧によって第１螺旋管１１１と第２螺旋管１２１のそれぞれに発生するねじりモーメントは互いに打ち消しあう。したがって、熱交換器１００全体としては、外圧によるねじりモーメントの発生が防止される。

　以上の第１実施形態によれば、以下に示す効果を奏する。

　熱交換器１００の熱交換パイプ１０１は、放射状に突出する複数の凸部１１１Ａ，１２１Ａが長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成される第１螺旋管１１１及び第２螺旋管１２１を備えている。第１螺旋管１１１及び第２螺旋管１２１は、凸部１１１Ａ，１２１Ａのねじれの向きが互いに異なる逆向きであるため、外圧によって発生するねじりモーメントが互いに打ち消しあう。このため、熱交換器１００の耐久性を向上させることができる。

　このように、熱交換器１００は耐久性を向上させることができるため、外圧によって変形することが抑制され、寿命低下を防止することができる。

　（第２実施形態）
　次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係る熱交換器２００について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、上記第１実施形態の熱交換器１００と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

　上記第１実施形態では、熱交換パイプ１０１の往路部１１０は第１螺旋管１１１を有し、復路部１２０は第２螺旋管１２１を有する構成であった。これに対し、第２実施形態に係る熱交換器２００では、図３に示すように、往路部２１０及び復路部２２０は、ねじれの向きが互いに逆向きである第１螺旋管２１１及び第２螺旋管２２１をそれぞれが有する点において、第１実施形態に係る熱交換器１００と相違する。

　熱交換パイプ２０１の往路部２１０は、熱媒体が供給される供給口２１０Ａを一端に有する。熱交換パイプ２０１の復路部２２０は、内部を通過した熱媒体を排出する排出口２２０Ａを一端に有する。往路部２１０及び復路部２２０において、第１螺旋管２１１と第２螺旋管２２１は、中間部２４０によって連結される。中間部２４０は、円形断面を有するストレート部である。

　熱交換器２００では、往路部２１０及び復路部２２０は、それぞれ一対の第１螺旋管２１１及び第２螺旋管２２１を有している。これに対し、熱交換器２００は、第１螺旋管２１１及び第２螺旋管２２１をそれぞれ２以上有していてもよい。この場合には、熱交換パイプ２０１が有する第１螺旋管２１１の長さの総和と第２螺旋管２２１の長さの総和が同一となるように形成されることが好ましい。第１螺旋管２１１と第２螺旋管２２１の長さの総和が同一に形成されることによって、外圧によって生じるねじりモーメントを互いに完全に打ち消しあうことができる。

　このような第２実施形態に係る熱交換器２００によれば、ねじれの向きが互いに逆向きである第１螺旋管２１１と第２螺旋管２２１を備えているため、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。

　（第３実施形態）
　次に、図４を参照して、本発明の第３実施形態に係る熱交換器３００について説明する。以下では、上記第１実施形態と異なる点を中心に説明し、上記第１実施形態の熱交換器１００と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

　上記第１実施形態に係る熱交換器１００では、熱交換パイプ１０１は、第１螺旋管１１１を有する往路部１１０と、第２螺旋管１２１を有する復路部１２０と、往路部１１０の他端と復路部１２０の他端とを連結する連結部１３０と、を備え、Ｕ字状に形成される構成である。これに対し、第３実施形態に係る熱交換器３００では、図４に示すように、熱交換パイプ３０１は、第１螺旋管３１０及び第２螺旋管３１１を備える一本の直線状のパイプとして形成される点において、第１実施形態に係る熱交換器１００と相違する。

　熱交換器３００の熱交換パイプ３０１は、ねじれの向きが互いに逆向きである第１螺旋管３１０及び第２螺旋管３１１と、一端がチューブフランジ１０２に支持され他端が第２螺旋管３１１に連結されるストレート管である第１支持部３１３と、一端が第１螺旋管３１０に連結され他端がエンドフランジ２０に支持される第２支持部３１４と、第１螺旋管３１０と第２螺旋管３１１を連結するストレート管である中間部３１５と、を備える。

　第１螺旋管３１０及び第２螺旋管３１１は、それぞれ第１実施形態における第１螺旋管１１１及び第２螺旋管１２１と長さのみが異なる形状の螺旋管である。熱交換パイプ３０１は、第１螺旋管３１０と第２螺旋管３１１の長さが、同一となるように形成される。また、図４では、熱交換パイプ３０１は、一対の第１螺旋管３１０及び第２螺旋管３１１を有する場合を示すが、第１螺旋管３１０及び第２螺旋管３１１をそれぞれ２以上有していてもよい。

　熱交換パイプ３０１の第１支持部３１３は、外部から熱媒体が供給される供給口３１３Ａを有している。供給口３１３Ａを通じて、熱交換パイプ３０１内に熱媒体が導かれる。

　熱交換パイプ３０１の第２支持部３１４は、熱交換パイプ３０１内を通過した熱媒体を外部へ排出する排出口３１４Ａを有している。

　エンドフランジ２０には、水素貯蔵室２に水素ガスを給排する水素ガス給排通路２１と、排出口３１４Ａと連通し熱交換パイプ３０１から導かれた熱媒体を外部へ排出する排出通路２２と、が設けられる。

　外部から供給される熱媒体は、供給口３１３Ａ、熱交換パイプ３０１、排出口３１４Ａ、及び排出通路２２を通じて、外部へと排出される。

　以上の第３実施形態によれば、上記第１実施形態と同様の効果を奏する。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　上記実施形態では、熱交換器１００，２００，３００は、水素貯蔵装置１に設けられる場合について説明したが、その他の圧力容器内に設けてもよい。

　また、熱交換パイプ１０１，２０１，３０１が有する第１螺旋管１１１，２１１，３１０及び第２螺旋管１２１，２２１，３１１は、その断面が放射状に突出する複数の凸部１１１Ａ，１２１Ａが長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成されるものである。これに代えて、第１螺旋管１１１，２１１，３１０及び第２螺旋管１２１，２２１，３１１の断面形状を、その他の円形ではない異形形状、例えば多角形断面を有して長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成してもよい。

　また、図５に断面図を示すように、第１螺旋管１１１，２１１，３１０及び第２螺旋管１２１，２２１，３１１は、熱媒体の通過を許容する中空管４００と、中空管４００の外周に形成されるフィン４０１と、を有する異形断面形状に形成してもよい。中空管４００は、円形断面形状に形成されてもよく、異形断面形状に形成されてもよい。フィン４０１は、図５に示すように、中空管４００の径方向に直線状に延びて形成されてもよいし、その他の形状、例えば屈曲した形状に形成されてもよい。

　また、熱交換パイプ１０１，２０１，３０１は、第１螺旋管１１１，２１１，３１０と第２螺旋管１２１，２２１，３１１の長さの総和が同一となるように形成される。外圧によって生じるねじりモーメントを完全に打ち消すためには、第１螺旋管１１１，２２１，３１０と第２螺旋管１２１，２２１，３１１の長さの総和が同一となることが好ましいが、長さの総和が異なるように形成してもよい。この場合、外圧によって生じるねじりモーメントを互いに完全に打ち消しあうことはできないが、そのねじりモーメントの大きさを減少することができる。

　本願は２０１３年１２月２４日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－２６４９９２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims

　圧力容器内に設けられる熱交換器であって、
　前記圧力容器外から給排される熱媒体が内部を通過する熱交換パイプを備え、
　前記熱交換パイプは、異形断面形状を有し長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成された第１螺旋管及び第２螺旋管を有し、
　前記第１螺旋管及び前記第２螺旋管は、ねじれの向きが互いに逆向きである熱交換器。
　請求項１に記載の熱交換器であって、
　前記第１螺旋管及び前記第２螺旋管は、放射状に突出する複数の凸部が長手方向に沿ってねじれた螺旋状に形成される熱交換器。
　請求項１に記載の熱交換器であって、
　前記熱交換パイプは、
　前記第１螺旋管を有し、熱媒体が供給される供給口を一端に有する往路部と、
　前記第２螺旋管を有し、前記往路部と平行に設けられ、内部を通過した熱媒体を排出する排出口を一端に有する復路部と、
　前記往路部と前記復路部との他端同士を連結し、前記往路部内を通過する熱媒体を前記復路部へ導く連結部と、を備える熱交換器。
　請求項１に記載の熱交換器であって、
　前記熱交換パイプは、前記第１螺旋管及び第２螺旋管を備える１本の直線状のパイプとして形成される熱交換器。
　請求項１に記載の熱交換器であって、
　前記熱交換パイプは、前記第１螺旋管の長さの総和と前記第２螺旋管の長さの総和が同一となるように形成される熱交換器。
　水素貯蔵装置であって、
　水素ガスを貯蔵する水素貯蔵物質を収容する前記圧力容器内に設けられる請求項１に記載の熱交換器を備え、
　前記水素貯蔵物質と前記熱交換器に給排される熱媒体との間における熱交換によって水素ガスを貯蔵する水素貯蔵装置。