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技術 熱交換器

出願人 大陽日酸株式会社
発明者 渡辺昇
出願日 2015年3月30日 (4年4ヶ月経過) 出願番号 2015-069536
公開日 2016年11月4日 (2年9ヶ月経過) 公開番号 2016-188738
状態 特許登録済
技術分野 ラジエータ、流路群をもつ熱交換装置
主要キーワード エアーモーター 冷媒循環ライン 各循環ポンプ 中継管 水素ガス配管 各噴出口 水素ガス導入管 噴出角度
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年11月4日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

水素ガス冷却能力に優れた熱交換器を提供する。

解決手段

ブライン充填された容器2と、容器2内に配設された水素ガス経路3と、水素ガス経路3の周囲に配設された冷媒経路4と、容器2内への噴出口5aを1以上有するブライン経路5とを備え、1以上の噴出口5aが、冷媒経路4と対向するように配置される熱交換器1を選択する。

概要

背景

次世代の自動車として、燃料電池搭載車両(以下、「水素自動車」という)の開発が進められている。水素自動車は、水素ガス燃料とするため、CO2、NOX、SOX等の排出がなく、水を排出するだけの環境にやさしい自動車とされている。

水素自動車は、燃料補給時には通常のガソリン自動車と同様に、燃料である水素ガスを充填する水素ステーションから水素ガスを補給する。この時、水素自動車の燃料タンクへの水素ガスの充填は、高圧かつ急速での圧縮充填であるため、燃料タンクが上限温度に達しないように、水素ステーション内において水素ガスを冷却する必要がある。

一般的に、水素ガスの冷却装置として、特許文献1に開示されるような熱交換器が用いられている。特許文献1に開示された熱交換器においては、冷媒配管水素ガス配管との冷却媒体となるブラインが充填された容器内に複数のプロペラを設けた構成となっている。この熱交換器では、複数のプロペラを回転させてブラインを撹拌することにより、ブラインと冷媒配管の表面との熱伝達、及びブラインと水素ガス配管の表面との間の熱伝達の効率を上げ、その結果、水素ガスの冷却能力を高めている。

概要

水素ガスの冷却能力に優れた熱交換器を提供する。ブラインが充填された容器2と、容器2内に配設された水素ガス経路3と、水素ガス経路3の周囲に配設された冷媒経路4と、容器2内への噴出口5aを1以上有するブライン経路5とを備え、1以上の噴出口5aが、冷媒経路4と対向するように配置される熱交換器1を選択する。

目的

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスの冷却能力に優れた熱交換器を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

冷媒で冷却したブラインによって水素ガスを冷却する熱交換器であって、ブラインが充填された容器と、前記容器内に配設された水素ガス経路と、前記容器内であって、前記水素ガス経路の周囲に配設された冷媒経路と、前記容器内への噴出口を1以上有するブライン経路と、を備え、1以上の前記噴出口が、前記水素ガス経路又は前記冷媒経路と対向するように配置される、熱交換器。

請求項2

1以上の前記噴出口が、前記容器の中心軸に向けられている、請求項1に記載の熱交換器。

請求項3

前記容器が、1以上のブラインの導出口と、1以上のブラインの導入口と、を有し、前記導出口と前記導入口とにわたって、前記ブライン経路が設けられている、請求項1又は2に記載の熱交換器。

請求項4

前記容器が、2以上の前記導入口を有し、前記ブライン経路が、前記導入口側で2以上に分岐し、分岐した当該ブライン経路の各先端側に前記噴出口が設けられるとともに、分岐した前記ブライン経路の先端側が、前記導入口から前記容器内に挿入される、請求項3に記載の熱交換器。

請求項5

前導入口と前記ブライン経路とが固着されていない、請求項4に記載の熱交換器。

請求項6

前記ブライン経路に、循環ポンプが設けられている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の熱交換器。

請求項7

前記分岐されたブライン経路のそれぞれに、前記循環ポンプが設けられている、請求項6に記載の熱交換器。

請求項8

前記循環ポンプの出力を制御する制御部を有する、請求項6又は7に記載の熱交換器。

請求項9

前記容器の中心軸の軸線方向に配設された回転軸と、前記回転軸に設けられたプロペラと、を備える、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の熱交換器。

技術分野

0001

本発明は、熱交換器に関する。

背景技術

0002

次世代の自動車として、燃料電池搭載車両(以下、「水素自動車」という)の開発が進められている。水素自動車は、水素ガス燃料とするため、CO2、NOX、SOX等の排出がなく、水を排出するだけの環境にやさしい自動車とされている。

0003

水素自動車は、燃料補給時には通常のガソリン自動車と同様に、燃料である水素ガスを充填する水素ステーションから水素ガスを補給する。この時、水素自動車の燃料タンクへの水素ガスの充填は、高圧かつ急速での圧縮充填であるため、燃料タンクが上限温度に達しないように、水素ステーション内において水素ガスを冷却する必要がある。

0004

一般的に、水素ガスの冷却装置として、特許文献1に開示されるような熱交換器が用いられている。特許文献1に開示された熱交換器においては、冷媒配管水素ガス配管との冷却媒体となるブラインが充填された容器内に複数のプロペラを設けた構成となっている。この熱交換器では、複数のプロペラを回転させてブラインを撹拌することにより、ブラインと冷媒配管の表面との熱伝達、及びブラインと水素ガス配管の表面との間の熱伝達の効率を上げ、その結果、水素ガスの冷却能力を高めている。

先行技術

0005

国際公開第2013/002161号

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、近年、燃料タンクへ水素ガスを充填する際に、充填圧力のさらなる高圧化、充填速度のさらなる急速化が望まれており、熱交換器には冷却能力のさらなる向上が要求されていることが実状であった。

0007

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、水素ガスの冷却能力に優れた熱交換器を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0008

かかる課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
すなわち、請求項1に係る発明は、冷媒で冷却したブラインによって水素ガスを冷却する熱交換器であって、ブラインが充填された容器と、前記容器内に配設された水素ガス経路と、前記容器内であって、前記水素ガス経路の周囲に配設された冷媒経路と、前記容器内への噴出口を1以上有するブライン経路と、を備える、熱交換器である。

0009

請求項2に係る発明は、1以上の前記噴出口が、前記容器の中心軸に向けられている、請求項1に記載の熱交換器である。

0010

請求項3に係る発明は、前記容器が、1以上のブラインの導出口と、1以上のブラインの導入口と、を有し、前記導出口と前記導入口とにわたって、前記ブライン経路が設けられている、請求項1又は2に記載の熱交換器である。

0011

請求項4に係る発明は、前記容器が、2以上の前記導入口を有し、前記ブライン経路が、前記導入口側で2以上に分岐し、分岐した当該ブライン経路の各先端側に前記噴出口が設けられるとともに、分岐した前記ブライン経路の先端側が、前記導入口から前記容器内に挿入される、請求項3に記載の熱交換器である。

0012

請求項5に係る発明は、前記導入口と前記ブライン経路とが固着されていない、請求項4に記載の熱交換器である。

0013

請求項6に係る発明は、前記ブライン経路に、循環ポンプが設けられている、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の熱交換器である。

0014

請求項7に係る発明は、前記分岐されたブライン経路のそれぞれに、前記循環ポンプが設けられている、請求項6に記載の熱交換器である。

0015

請求項8に係る発明は、前記循環ポンプの出力を制御する制御部を有する、請求項6又は7に記載の熱交換器である。

0016

請求項9に係る発明は、前記容器の中心軸の軸線方向に配設された回転軸と、前記回転軸に設けられたプロペラと、を備える、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の熱交換器である。

発明の効果

0017

本発明の熱交換器は、ブラインが充填された容器内に、水素ガス経路、冷媒経路及びブライン経路の1以上の噴出口が設けられているため、容器内のブラインを望ましい方向及び速度で水素ガス経路又は冷媒経路に向けて噴出することができ、容器内のブラインをより撹拌することができる。これにより、ブラインと冷媒経路及び水素ガス経路との間の熱伝達の効率が向上するため、水素ガスの冷却能力を向上させることができる。

図面の簡単な説明

0018

本発明を適用した一実施形態である熱交換器の、垂直方向の断面図である。
本発明を適用した一実施形態である熱交換器の、水平方向の断面図である。

実施例

0019

以下、本発明を適用した一実施形態である熱交換器について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

0020

先ず、本発明を適用した一実施形態である熱交換器の構成について説明する。
図1及び図2は、本発明を適用した一実施形態である熱交換器を示す断面図である。図1及び図2に示すように、本実施形態の熱交換器1は、ブラインが充填された容器2と、容器2内に配設された水素ガス配管(水素ガス経路)3と、水素ガス配管3の周囲に配設された冷媒配管(冷媒経路)4と、容器2内への噴出口5aを1以上有するブライン配管(ブライン経路)5と、を備えて概略構成されている。この熱交換器1は、冷媒で冷却したブラインによって水素ガスを冷却する設備である。

0021

容器2は、図1に示すように、縦長有底円筒状の容器本体2Aと、容器本体2Aの上部開口を塞ぐ円盤状の蓋2Bと、を有して構成されており、内部空間内にはブラインが充填されている。

0022

容器本体2Aには、容器2内のブラインを容器2外に導出するためのブライン導出口(ブラインの導出口)2aと、ブラインを容器1内に導入するためのブライン導入口(ブラインの導入口)2bと、が設けられている。具体的には、ブライン導出口2aは、後述する下部マニホールド4Bの高さの近傍に1つ設けられている。一方、ブライン導入口2bは、図2に示すように、後述する上部マニホールド4Aの高さの近傍に、同一平面上に複数設けられている。これにより、容器2内において、上側から下側向きへのブラインの対流を作ることができる。したがって、容器2内のブラインに生じた不必要な温度勾配を解消できるとともに、ブラインと水素ガス配管3の及び冷媒配管4の表面との間の熱伝達を高めることができる。

0023

なお、本実施形態の熱交換器1では、容器2の底部側に1つのブライン導出口2a、上部側に2以上のブライン導入口2bを有する構成を一例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、複数のブライン導出口2aを設けてもよいし、1つのブライン導入口2bとしてもよい。また、ブライン導出口2aを容器2の上部側に設けてもよいし、ブライン導入口2bを容器2の底部側に設ける構成としてもよい。さらには、ブライン導出口2a及びブライン導入口2bを、容器2の底面や、蓋2Bに設けてもよい。

0024

蓋2Bには、それぞれ図示しない、冷却前の水素ガスを水素ガス配管3に導入する水素ガス導入管と、冷却後の水素ガスを水素ガス配管3から導出する水素ガス導出管と、ブライン冷却用の冷媒を冷媒配管4に導入する冷媒導入管と、冷媒を冷媒配管4から導出する冷媒導出管とが、設けられている。

0025

水素ガス配管3は、図1及び図2に示すように、容器2の中心軸Pの周囲に、螺旋状に設けられている。水素ガス配管3の内側には、水素自動車の燃料タンクに充填される水素ガスが流れている。また、水素ガス配管3の外側は、予め冷却されたブラインで満たされており、水素ガスの熱は、水素ガス配管3の管壁を通して、ブラインに吸収される。

0026

冷媒配管4は、容器2内において水素ガス配管3の周囲に取り囲むように配設された冷媒経路である。この冷媒配管4は、水素ガス配管3の上方に設けられた環状の上部マニホールド4Aと、水素ガス配管3の下方に設けられた環状の下部マニホールド4Bと、上部マニホールド4Aと下部マニホールド4Bとの間にわたって設けられた複数の中継管4Cと、を有して構成されている。それぞれの中継管4Cは、上下端で上部マニホールド4A及び下部マニホールド4Bと連通するように接続されている。

0027

冷媒配管4の内側には、ブラインを冷却するための冷媒が流れている。具体的には、図示略の冷媒導入管から下部マニホールド4Bに導入された冷媒は、各中継管4Cを経由して上部マニホールド4Aへと流れ、上部マニホールド4Aから図示略の冷媒導出管を経由して容器2の外側に導出される。また、図示略の冷媒導出管と冷媒導入管とは、容器2の蓋2Bの外側において、同じく図示略の環状の冷媒循環ラインと接続されている。

0028

なお、上述の冷媒循環ラインでは、冷媒の閉冷凍サイクルが行われる。具体的には、容器2の外側の冷媒循環ラインでは、循環する冷媒の圧縮工程、凝縮工程、膨張行程が行われ、蒸発に適した状態の冷媒が、冷媒配管4に供給される。そして、容器2内の冷媒配管4内において蒸発工程が行われる。これにより冷熱が発生し、冷媒配管4の壁を通して、冷媒配管4の外側に満たされたブラインを冷却する。

0029

冷媒としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、フロン代替フロンアンモニア二酸化炭素炭化水素等を用いることができる。

0030

ブライン配管5は、容器2の外側に設けられたブラインの循環経路である。このブライン配管5には、図1に示すように、ブラインを循環するための循環ポンプ6が設けられている。具体的には、ブライン配管5の一端は、容器2に設けられたブライン導出口2aと連通するように接続されており、容器2内のブラインをブライン配管5内に導出可能とされている。一方、ブライン配管5の他端側は、図1及び図2に示すように、ブライン導入口2bの数に対応するように分岐されており、それぞれブライン導入口2bを貫通して挿入するように設けられて、容器2内にブラインを導入可能とされている。

0031

なお、ブライン導入口2bと分岐されたブライン経路5の他端側とは、ブラインが容器内から漏出しない程度に密着されているが、完全には固着されてはおらず、ブライン導入口2bからの挿入量を自在に調整することができる。これにより、分岐されたブライン経路5の他端側の、容器2内への差し込み長さや、向きを自由に変更することができる。

0032

また、図2に示すように、ブライン配管5の分岐された他端は、それぞれが噴出口5aとなっており、全ての噴出口5aから噴出されるブラインは、容器2の中心軸Pの1点に向けられて、中心軸付近で噴出されたブライン同士がぶつかり合うように調整されている。これにより、ブラインをより撹拌することができる。したがって、ブラインと水素ガス配管3の及び冷媒配管4の表面との間の熱伝達をより高めることができる。

0033

さらに、各噴出口5aは、冷媒配管4の中継管4Cと対向するように配置されている。これにより、各噴出口5aからブラインを直接中継管4Cに向けて噴射することができるため、ブラインと冷媒配管4の表面との間の熱伝達をさらに高めることができる。さらには、中継管4Cの両側に分かれたブラインの流れが、水素ガス配管3に対しても効率よく当たるため、ブラインと水素ガス配管3の表面との間の熱伝達についてもさらに高めることができる。

0034

なお、上述したように、ブライン経路5の分岐部分の容器2内への差し込み長さを調整することにより、各噴出口5aと中継管4Cとの距離を調整することができる。また、ブライン経路5の分岐部分の容器2内への差し込む向きを調整することにより、各噴出口5aの中継管4Cへのブライン噴出角度を調整することができる。

0035

この形態の追加の効果としては、ブラインの流れは中継管4Cから水素ガス配管の順で当たるため、中継管4Cによって効率よく冷やされたブラインを、温度が上がる前の短時間で水素ガス配管に効率よく当てる事ができる。

0036

循環ポンプ6は、水素防爆範囲使用可能であることが求められる。なお、ブラインを循環供給する方法については、上述した実施形態の構成に限定されるものではなく、分岐されたブライン配管5のそれぞれに循環ポンプを設ける構成としてもよい。また、水素防爆適応した方法であれば、ブロワや圧縮機などを用いてもよい。

0037

さらには、循環ポンプ6の出力を制御する制御部(図示略)を設ける構成としてもよい。特に、分岐されたブライン配管5のそれぞれに循環ポンプ6を設けるとともに、その各循環ポンプ6にそれぞれ制御部を設ける構成とすることが好ましい。ブラインの循環供給の開始と停止、ブラインの循環量を個別に制御することにより、個々の噴出口5aからのブラインの噴出の有無や、噴出の速度を個別に制御することができる。これにより、容器2内での恒常的な温度の偏りなどを解消することができる。

0038

以上説明したように、本実施形態の熱交換器1では、冷媒配管4の中継管4Cと対向するようにブラインの各噴出口5aを配置し、中継管4Cに向けて直接ブラインを噴出することによって、容器2内のブラインの流れに乱流をつくることができるため、ブラインと水素ガス配管3の及び冷媒配管4の表面との間の熱伝達をより高めることができる。したがって、水素ガスの冷却能力をより高めることができる。

0039

また、本実施形態の熱交換器1によれば、例えば、容器2内のブラインを中心軸に設けたプロペラ等によって撹拌する従来の熱交換器と比較した場合、約10%程度、水素ガスの冷却能力を向上することができる。

0040

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。すなわち、熱交換器の能力を上げるため、ブライン導出口およびブライン導入口の数や位置、また、ブラインを噴出する向きや強さなどを変更する等の、種々の変更を加えてもよい。

0041

具体的には、上述した実施形態の熱交換器1においては、各噴出口5aからブラインを噴出する方向を、中心軸P上の任意の一点に集中させた構成を一例として説明したが、容器2内のブラインをより撹拌する目的で、中心軸P上でそれぞれ異なる方向に向けてもよいし、中心軸Pに向けなくてもよい。

0042

また、上述した実施形態の熱交換器1においては、各噴出口5aからのブラインの噴出の強さは、全て同じ構成を一例として説明したが、それぞれのブラインを供給するブライン配管5の分岐後配管の太さや、噴出口5aの穴の大きさ(口径)を複数設けることによって、ブラインの噴出する強さに変化を設けてもよい。

0043

また、上述した実施形態の熱交換器1においては、容器2に設けたブライン導出口2a及びブライン導入口2bと、ブライン配管5と、循環ポンプ6とによって、容器2内のブラインを循環させる構成を一例として説明したが、さらに、水素ガス配管3の内側に、容器2の中心軸Pの軸線方向に配設された回転軸と、この回転軸に設けられたプロペラと、を設け、エアーモーターでプロペラを回転させて、よりブラインを撹拌させてもよい。これにより、容器2内のブラインの対流を、層流と乱流とを組み合わせたものとすることができる。

0044

さらに、本発明の熱交換器は、上述した実施形態の熱交換器1では、全ての噴出口5aが冷媒配管4の中継管4Cと対向するように配置される構成を一例として説明したが、水素ガス配管3に近接する位置で、当該水素ガス配管3と対向するように配設される1以上の噴出口5aと、冷媒配管4に近接する位置で、当該冷媒配管4と対向するように配設される1以上の噴出孔5aと、を両方備える構成であってもよい。これにより、ブラインと水素ガス配管3及び冷媒配管4の表面との間の熱伝達をさらに高めることができる。

0045

本発明の熱交換器は、特に、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等に利用可能性を有する。

0046

1…熱交換器、2…容器、2A…容器本体、2B…蓋、2a…ブライン導出口(ブラインの導出口)、2b…ブライン導入口(ブラインの導入口)、3…水素ガス配管(水素ガス経路)、4…冷媒配管(冷媒経路)、4A…上部マニホールド、4B…下部マニホールド、4C…中継管、5…ブライン配管(ブライン経路)、5a…噴出口、6…循環ポンプ

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