WO2016056349A1

WO2016056349A1 - 熱交換器

Info

Publication number: WO2016056349A1
Application number: PCT/JP2015/075841
Authority: WO
Inventors: 司小原
Original assignee: フタバ産業株式会社
Priority date: 2014-10-06
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2016-04-14
Also published as: JP2016075420A

Abstract

　熱交換器１０は、直方体形状の外管１１と、外管１１の内部に形成される円筒形状の内管１２と、を備える。内管１２は、内部に排ガス流路１２Ｆを形成する。排ガス流路１２Ｆは、排ガス流入口１３と排ガス排出口１４とを繋ぐように形成されている。外管１１は、内管１２の外周面と、外管１１の内周面との間に、空気流路１１Ｆを形成する。内管１２の内部には、抵抗体１７が設けられている。抵抗体１７は、排ガス流路１２Ｆであって、排ガス流入口１３と排ガス排出口１４との間に設けられている。抵抗体１７は、複数の貫通孔を備えた排ガス流路１２Ｆを塞ぐ仕切り板となっている。抵抗体１７は、排ガス流路１２Ｆに絞りを与え、排ガス流路１２Ｆにおける内圧を高める。

Description

熱交換器

　本発明は、燃料電池装置に用いられる熱交換器に関する。

　燃料電池装置に用いられる熱交換器において、排ガスと受熱流体となる酸化剤ガスとの熱交換効率を向上させるため、熱交換器を二重管構造にし、内管に排ガス流路管が形成され、外管に受熱流体となる空気流路が形成され、排ガスと空気との熱交換を行う技術が提案されている。

　例えば、特許文献１の熱交換器では、ケース内に、排ガス導入路と排ガス排出流路を有する排ガス流路管が収納され、排ガスの導入側から排出側に向かって複数本並列して形成されている。発電用の空気流路はケースと排ガス流路管との間に形成されており、ケース内を流れる酸化剤ガスは、ガイド板にガイドされながら複数の排ガス流路管の外周を蛇行して流れるように構成され、これにより、流入空気と排ガスとの熱交換が行われる。

特開２０１２－１４９２１号公報

　ところで、熱交換器のケースと排ガス流路管との間に空気流路を形成したり、又はこれとは逆に、熱交換器のケースと空気流路管との間に排ガス流路を形成したりした場合、特許文献１の熱交換器のように、ケースの隅などには空気又はガスが流れ込まず、排ガス流路管又は空気流路管の外周全域に対して空気又はガスを行き渡らせることができなかった。したがって、排ガスと空気との熱交換効率が低かった。特に、排ガス又は空気の導入口又は排出口をケースの端部以外に形成した場合には、導入口の上流側又は排出口の下流側にはガス又は空気が充満せず、当該箇所における熱交換効率は一層低くなっていた。

　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、内管と外管との間で熱交換を行う熱交換器において、内管の全域にガスを行き渡らせることで熱交換効率を高めた熱交換器を提供する。

　上記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、第１のガス流路を形成する内管と、前記内管の外周に形成され、前記内管の外周面との間に第２のガス流路を形成する外管と、を備え、前記内管は、ガスを流入させるガス流入口と、ガスを排出されるガス排出口と、前記ガス流入口と前記ガス排出口とを繋ぐ前記第１のガス流路を絞る抵抗体と、備え、前記抵抗体は、前記ガス流入口と前記ガス排出口との間に形成される。

　以上の態様によれば、内管の第１のガス流路に抵抗体を設け、この抵抗体により第１のガス流路に絞りを与えることで、第１のガス流路の内圧を高めることができる。これにより、第１のガス流路全域にガスを行き渡らせることが可能になり、内管と外管との間における熱交換効率を高めることができるようになる。

　好ましくは、前記抵抗体は、複数の貫通孔が形成された仕切り板であり、前記第１のガス流路を塞ぐように前記内管に形成される。この態様では、複数の貫通孔を形成した仕切り板を内管に形成するという簡易な構成により、第１のガス流路に抵抗体を配置することが可能になる。

　また、好ましくは、前記内管は、前記第１のガス流路の表面積を増加させるように、壁面に凹凸を備える。この態様では、抵抗体により第１のガス流路の内圧を高めてガスを流路内に行き渡らせつつ、内管における第１のガス流路の表面積を増加させることにより、内管と外管との熱交換効率をより高めることが可能になる。

　また、好ましくは、前記凹凸は、前記内管の壁面にスパイラル状に形成される。この態様では、凹凸をスパイラル状に形成することで、第１のガス流路の表面積を増加させることができるだけでなく、抵抗体に加えて第１のガス流路の内圧を高めるように作用させることができる。したがって、ガスを第１のガス流路全域により行き渡らせることができ、内管と外管との間における熱交換効率をより一層高めることができるようになる。

　本発明によれば、内管と外管との間で熱交換を行う熱交換器において内管の全域にガスを行き渡らせることで熱交換効率を高めた熱交換器を提供することができる。

本発明の熱交換器が組み込まれた燃料電池装置の全体構成を示すブロック図。本発明の熱交換器の全体構成を示す断面模式図。図２のＡ－Ａ断面図。本発明の熱交換器の他の実施形態を示す断面模式図。

　以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態（以下、本実施形態という。）について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

　図１を参照して、本実施形態の熱交換器１０が組み込まれた燃料電池装置１００の全体構成を示す。図１に示されるとおり、燃料電池装置１００は、従来の燃料電池装置と同様の構成であり、本実施形態の熱交換器１０と、燃料改質器２０と、燃料電池スタック３０と、インバータ４０と、制御装置５０と、を備える。

　燃料改質器２０は、ガスと水蒸気を反応させガスより水素を取り出す手段である。燃料電池スタック３０は、燃料改質器２０から供給される水素に酸化剤ガス（発電用空気）ＣＧを反応させて電気を発生させる手段である。インバータ４０は、燃料電池スタック３０で発生した直流の電気を交流の電気に変換する手段である。制御装置５０は、燃料電池装置１００全体の制御を行う手段である。

　本実施形態における熱交換器１０は、燃料電池スタック３０で燃焼により発生する排ガスＥＧの熱により外部から導入される酸化剤ガスＣＧを加熱する手段である。

　続いて図２及び図３を参照して、熱交換器１０の構成について説明する。図２は、熱交換器１０の全体構成を示す平断面図であり、図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。

　図２及び図３に示されるとおり、熱交換器１０は、直方体形状の外管１１と、外管１１の内部に形成される円筒形状の内管１２と、を備える。言い換えれば、内管１２の外周に外管１１が形成されている。本実施形態において、外管１１は、熱交換器１０のケースを兼ねているが、本発明ではこのような態様に限られず、ケースと外管１１とを分けて構成しても構わない。

　図２に示されるとおり、内管１２は、内部に排ガス流路（第１のガス流路）１２Ｆを形成する。排ガス流路１２Ｆは、排ガス流入口１３と排ガス排出口１４とを繋ぐように形成されている。すなわち、図１で示した燃料改質器２０から排出された排ガスＥＧは、排ガス流入口１３から流入され、内管１２内の排ガス流路１２Ｆを通過した後、排ガス排出口１４から外部に排出される。

　排ガス流入口１３と排ガス排出口１４とは、筒状パイプにより形成され、外管１１及び内管１２の壁面に貫通して取り付けられている。排ガス流入口１３及び排ガス排出口１４により、内管１２は外管１１に対して支持固定されている。

　外管１１は、内管１２の外周面と、外管１１の内周面との間に、空気流路（第２のガス流路）１１Ｆを形成する。すなわち、空気流路１１Ｆは、円筒状の内管１２の外周面全体にわたって形成されている。また、空気流路１１Ｆは、空気流入口１５と空気排出口１６とを繋ぐように形成されている。すなわち、受熱流体である酸化剤ガスＣＧは、外部から供給されて空気流入口１５から流入され、空気流路１１Ｆを通過しながら加熱された後、図１で説明した通り、空気排出口１６から燃料電池スタック３０に供給される。

　空気流入口１５と空気排出口１６とは、排ガス流入口１３と排ガス排出口１４と同様、筒状パイプにより形成され、外管１１の壁面に貫通して取り付けられている。外管１１に対する空気流入口１５と空気排出口１６との取付け位置は任意であるが、空気流路１１Ｆの流れを考慮し、図２に示されるとおり長手方向両端部に取り付けるのが好ましい。

　図２に示されるとおり、内管１２の内部には、抵抗体１７が設けられている。抵抗体１７は、排ガス流路１２Ｆであって、排ガス流入口１３と排ガス排出口１４との間に設けられている。抵抗体１７は、排ガス流路１２Ｆに絞りを与え、排ガス流路１２Ｆにおける内圧を高めるためのものであり、排ガス流路１２Ｆを塞ぐ仕切り板となっている。

　図３も参照して抵抗体１７の詳細な構成を示す。図２及び３に示されるとおり、抵抗体１７は、全体形状が円形で平板部１７Ａと取付部１７Ｂとからなる盆状をなす。すなわち、円板状の平板部１７Ａに対して、取付部１７Ｂが平板部１７Ａの外周で鉛直方向に立ち上がって形成されている。

　平板部１７Ａには、複数の貫通孔１７Ｃが形成されている。貫通孔１７Ｃは、排ガス流路１２Ｆをなし、排ガス流路１２Ｆに対して絞りを与える部分である。取付部１７Ｂは、内管１２の内周面に溶接等により固定するための取付け代である。なお、抵抗体１７を内管１２と一体に成形する場合や平板部１７Ａの端部をそのまま取り付ける場合には、取付部１７Ｂは省略可能である。

　以上の熱交換器１０によれば、内管１２の排ガス流路１２Ｆに抵抗体１７を設け、この抵抗体１７により排ガス流路１２Ｆに絞りを与えることで、排ガス流路１２Ｆの内圧を高めることができる。これにより、排ガス流路１２Ｆ全域に排ガスＥＧを行き渡らせることが可能になる。したがって、内管１２を流れる排ガスＥＧの熱を、内管１２全域にわたって外管１１を流れる酸化剤ガスＣＧに伝導させることができ、熱交換器１０の熱交換効率を高めることができるようになる。

　特に、図２の例に示されるように、排ガス流入口１３が、内管１２の端部ではなく、排ガス流路１２Ｆの中央寄りに形成されるような場合には、排ガス流路１２Ｆの上流側の隅には、排ガスが充満し難い状況となる。この点、熱交換器１０によれば、抵抗体１７により、内管１２内部の内圧を高めることができるので、排ガス流路１２Ｆの上流側の隅にも排ガスを充満させることができる。したがって、排ガス流入口１３や排ガス排出口１４を設ける位置がどこであっても、熱交換器１０の熱交換効率を高く保つことが可能になる。

　また、内管１２に対して、複数の貫通孔１７Ｃを形成した仕切り板を取り付けるという簡易な構成により、抵抗体１７を排ガス流路１２Ｆに自由に配置することができる。

　続いて、図４を参照して、熱交換器１０の他の態様となる熱交換器１０Ａについて説明する。なお、熱交換器１０と同様の構成について同様の符号を付し、説明を省略する。また、図４では説明の便宜上、抵抗体１７を図示していないが、図２で示されるのと同様に、熱交換器１０Ａにおいても抵抗体１７は形成されているものとする。

　図４に示されるとおり、熱交換器１０Ａは、内管１２Ａの壁面の構成に改良を加えたものである。内管１２Ａは、排ガス流路１２Ｆの表面積を増加させるように、壁面に凹凸１２Ａ１を備える。凹凸１２Ａ１は、内管１２Ａの壁面にスパイラル状に形成されている。

　以上の熱交換器１０Ａでは、抵抗体１７により排ガス流路１２Ｆの内圧を高めて排ガスを排ガス流路１２Ｆ内に行き渡らせつつ、内管１２における排ガス流路１２Ｆの表面積を増加させることにより、内管１２Ａと外管１１との熱交換効率をさらに高めることが可能になる。

　また、凹凸１２Ａ１をスパイラル状に形成することで、排ガス流路１２Ｆの表面積を増加させることができるだけでなく、排ガス流路１２Ｆにおいて排ガスをスムーズに流すことができる。したがって、排ガスＥＧを排ガス流路１２Ｆ全域により行き渡らせることができ、なおかつ排ガスをスムーズに流すことにより内管１２Ａと外管１１との間における熱交換効率をより一層高めることができるようになる。

　以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。

　本実施形態において抵抗体１７は、複数の貫通孔１７Ｃを形成した板状体により構成しているが、本発明における抵抗体としては、このような態様に限られず、排ガス流路１２Ｆの内圧を高めるために、排ガス流れの抵抗となるものであれば広く含みうる。例えば、内管１２内部に、内管１２の中央方向に突出させ、排ガス流路１２Ｆに絞りを与えるオリフィス板を設置して構成することも可能である。また、内管１２を円周状で内側に潰すことで、内管１２のガス流路側に突出させて排ガス流路１２Ｆの絞りとして構成することも可能である。また、抵抗体は、必ずしも内管１２に同一円周上に設ける必要はなく、内管１２の長手方向に分割して形成することも可能であるし、同一円周上において一円でなく間隔を置いて形成することも可能である。

　また、本実施形態では、外管１１に空気流路１１Ｆを形成し、内管１２に排ガス流路１２Ｆを形成しているが、本発明は、これを逆にして外管１１に排ガス流路を形成し、内管１２に空気流路を形成する態様も含み得る。また、外管１１と内管１２の全体形状は、角管や円管に捉われず、設計に応じて任意に構成し得る。

　そのほか、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなども、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，１０Ａ：熱交換器
１１：外管
１１Ｆ：空気流路
１２，１２Ａ：内管
１２Ａ１：凹凸
１２Ｆ：排ガス流路
１３：排ガス流入口
１４：排ガス排出口
１５：空気流入口
１６：空気排出口
１７：抵抗体
１７Ａ：平板部
１７Ｂ：取付部
１７Ｃ：貫通孔
２０：燃料改質器
３０：燃料電池スタック
４０：インバータ
５０：制御装置
１００：燃料電池装置
ＣＧ：酸化剤ガス
ＥＧ：排ガス

Claims

　第１のガス流路を形成する内管と、前記内管の外周に形成され、前記内管の外周面との間に第２のガス流路を形成する外管と、を備え、
　前記内管は、ガスを流入させるガス流入口と、ガスを排出されるガス排出口と、前記ガス流入口と前記ガス排出口とを繋ぐ前記第１のガス流路を絞る抵抗体と、備え、
　前記抵抗体は、前記ガス流入口と前記ガス排出口との間に形成された、熱交換器。
　前記抵抗体は、複数の貫通孔が形成された仕切り板であり、前記第１のガス流路を塞ぐように前記内管に形成された、請求項１の熱交換器。
　前記内管は、前記第１のガス流路の表面積を増加させるように、壁面に凹凸を備えた、請求項１又は２の熱交換器。
　前記凹凸は、前記内管の壁面にスパイラル状に形成された、請求項３の熱交換器。