(57)【要約】【課題】小型で、温度変化によるチューブの伸縮にも対応でき、継手スペースを確保しやすく、圧力損失の低減も図れるシェルアンドチューブ式熱交換器を提供する。【解決手段】第一流体が通される中空状のシェル２と、このシェル２内に配置されて第二流体が通されるチューブ３とを備える。チューブ３は、左右に蛇行しつつ下方へ進みながら、シェル２の左右に架け渡される。好ましくは、シェル２の左右には、隔壁６を介して中空状のヘッダ７が設けられており、左右のヘッダ７を架け渡すように、複数本のチューブ３が前後に離隔して設けられる。そして、各チューブ３の端部は、各ヘッダ７内に開口されており、シェル２の上下に、第一流体の出入口４，５が設けられる一方、左右のヘッダ７に、第二流体の出入口８，９が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一流体が通される中空状のシェルと、このシェル内に配置されて第二流体が通されるチューブとを備え、
前記チューブは、左右に蛇行しつつ下方へ進みながら、前記シェルの左右に架け渡されている
ことを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項２】
前記シェルの左右には、隔壁を介して中空状のヘッダが設けられており、
左右のヘッダを架け渡すように、複数本の前記チューブが前後に離隔して設けられており、
各チューブの端部は、各ヘッダ内に開口されており、
前記シェルの上下に、第一流体の出入口が設けられる一方、左右のヘッダに、第二流体の出入口が設けられる
ことを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項３】
前記チューブは、左右方向一方のヘッダから他方へ向けて直管状に延出した後、略半円弧状に下方へ折り返されて、左右方向一方へ向けて直管状に延出した後、再び略半円弧状に下方へ折り返されて、左右方向他方へ向けて直管状に延出して、左右方向他方のヘッダに接続されており、
前記シェルは、略矩形状に形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項４】
左右方向一方のヘッダに、前記チューブの上端部が接続されると共に第二流体の入口が設けられ、左右方向他方のヘッダに、前記チューブの下端部が接続されると共に第二流体の出口が設けられ、
前記シェルには、左右方向他方の下部に、第一流体の入口が設けられ、左右方向一方の上部に、第一流体の出口が設けられる
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【請求項５】
燃料電池のオフガスと、そのオフガスの冷却水との熱交換に用いられ、
第一流体としての冷却水がシェルに通され、第二流体としてのオフガスがチューブに通される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シェル内にチューブを収容して構成されるシェルアンドチューブ式熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記各特許文献に開示されるように、各種のシェルアンドチューブ式熱交換器が知られている。特許文献１の第１図に示される熱交換器では、シェル（胴体１）の左右を架け渡すように、直管状のチューブ（熱交換管５）が設けられている。一方、特許文献２の第１図に示される熱交換器では、シェル（１）内に、略Ｕ字形状のチューブ（２）が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実願昭５５−６２２２３号（実開昭５６−１６２４７７号）のマイクロフィルム（明細書第１頁第１７行−第２頁第７行、第１図）
【特許文献２】特開昭５０−１１４６５７号公報（第１頁左下欄第１９行−右下欄第１６行、第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
シェルの左右に直管状のチューブを架け渡す場合、伝熱面積を確保するにはチューブを長くする必要があり、設置スペースを要する。また、温度差が大きい箇所で使用する場合、チューブの一部を伸縮管にするなどして、温度変化によるチューブの伸縮に対応する必要もある。
【０００５】
一方、シェルの左右片側にＵ字管状のチューブの両端部を保持する場合、チューブの伸縮には対応できるが、チューブの両端部がシェルの片側にまとめて配置されるので、配管との継手スペースが狭くなる。これに対処するために、チューブの口径を小さくしたのでは、圧力損失が大きくなる。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、小型で、温度変化によるチューブの伸縮にも対応でき、継手スペースを確保しやすく、圧力損失の低減も図ることができるシェルアンドチューブ式熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、第一流体が通される中空状のシェルと、このシェル内に配置されて第二流体が通されるチューブとを備え、前記チューブは、左右に蛇行しつつ下方へ進みながら、前記シェルの左右に架け渡されていることを特徴とするシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、チューブが左右に蛇行して形成されるので、単なる直管状とした場合と比較して、伝熱面積を確保しつつ、熱交換器を小型に構成することができる。また、チューブは、左右に蛇行して形成されるので、温度変化による伸縮にも対応することができる。さらに、チューブの両端部は、シェルの左右に分かれて配置されるので、継手スペースを確保しやすく、チューブを小径とする必要もないので圧力損失の低減も図ることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記シェルの左右には、隔壁を介して中空状のヘッダが設けられており、左右のヘッダを架け渡すように、複数本の前記チューブが前後に離隔して設けられており、各チューブの端部は、各ヘッダ内に開口されており、前記シェルの上下に、第一流体の出入口が設けられる一方、左右のヘッダに、第二流体の出入口が設けられることを特徴とする請求項１に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、シェルの左右にヘッダを備え、そのヘッダを架け渡すように複数本のチューブが設けられることで、省スペースで効率的な熱交換を図ることができる。また、複数本のチューブに対し、ヘッダでまとめて、外部に対し配管することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記チューブは、左右方向一方のヘッダから他方へ向けて直管状に延出した後、略半円弧状に下方へ折り返されて、左右方向一方へ向けて直管状に延出した後、再び略半円弧状に下方へ折り返されて、左右方向他方へ向けて直管状に延出して、左右方向他方のヘッダに接続されており、前記シェルは、略矩形状に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、チューブは、上下に離隔した直管状部が、左右互い違いに略半円弧状部で連接された構成とされ、小型でありながら、伝熱面積を確保することができる。また、シェルは、略矩形状に形成されているので、上述したチューブの全体形状との相性もよく、スペースの有効利用が可能となる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、左右方向一方のヘッダに、前記チューブの上端部が接続されると共に第二流体の入口が設けられ、左右方向他方のヘッダに、前記チューブの下端部が接続されると共に第二流体の出口が設けられ、前記シェルには、左右方向他方の下部に、第一流体の入口が設けられ、左右方向一方の上部に、第一流体の出口が設けられることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、チューブに対する第二流体の入口または出口と、シェルに対する第一流体の出口または入口とが、それぞれ同じ側に寄せて構成される。これにより、第一流体と第二流体との熱交換を円滑に図ることができる。たとえば、第二流体としての高温ガスを、第一流体としての冷却水と熱交換して冷却しようとする際、高温ガスの入口側のチューブが高温となるが、この高温部に寄せて冷却水を流すことができるので、高温ガスの温度を下げやすく、局所的な沸騰や、応力腐食割れを防止することができる。
【００１５】
さらに、請求項５に記載の発明は、燃料電池のオフガスと、そのオフガスの冷却水との熱交換に用いられ、第一流体としての冷却水がシェルに通され、第二流体としてのオフガスがチューブに通されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のシェルアンドチューブ式熱交換器である。
【００１６】
請求項５に記載の発明によれば、燃料電池のオフガスと冷却水とを熱交換して、オフガスの冷却と冷却水の加温とを図ることができる。オフガスの冷却により、オフガス中の水分を凝縮させれば、その凝縮水を燃料電池へ戻して、水自立を図ることができる。また、オフガスの熱を冷却水の加温に用いて、熱回収を図ることができる。なお、オフガスは、チューブに通されるが、チューブは、温度変化に伴う伸縮を吸収する形状とされている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のシェルアンドチューブ式熱交換器によれば、小型で、温度変化によるチューブの伸縮にも対応でき、継手スペースを確保しやすく、圧力損失の低減も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例のシェルアンドチューブ式熱交換器の概略縦断面図である。
【図２】図１のシェルアンドチューブ式熱交換器の概略横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の一実施例のシェルアンドチューブ式熱交換器１の概略図であり、図１は縦断面図、図２は横断面図である。
【００２０】
本実施例のシェルアンドチューブ式熱交換器１は、中空容器状のシェル２と、このシェル２内に配置されるチューブ３とを備える。
【００２１】
シェル２は、その形状を特に問わないが、好適には略矩形の中空ボックス状に形成される。シェル２には、第一流体を導入および導出するために、第一入口管４および第一出口管５が設けられる。第一入口管４は、シェル２への第一流体の入口管であり、本実施例ではシェル２の下端部に接続される。一方、第一出口管５は、シェル２からの第一流体の出口管であり、本実施例ではシェル２の上端部に接続される。
【００２２】
本実施例では、シェル２が略矩形の中空ボックス状に形成されるため、第一入口管４がシェル２の下壁に接続される一方、第一出口管５がシェル２の上壁に接続される。その際、第一入口管４および第一出口管５は、シェル２の左右方向中央部に接続されてもよいが、後述するように、チューブ３に通される第二流体との熱交換を効率的に行うために、左右方向片側へずれた位置（しかも第一入口管４と第一出口管５とで逆側へずれた位置）に接続されるのがよい。なお、シェル２の前後方向に対しては、第一入口管４および第一出口管５は、図示例では前後方向中央部に接続されるが、場合により前後方向に互いにずらした位置に接続されてもよい。
【００２３】
シェル２の左右両端部には、隔壁６を介して、中空状のヘッダ７（７Ａ，７Ｂ）が設けられる。ヘッダ７の外形（側面視縦断面形状）は、シェル２と同様とするのが好ましい。言い換えれば、ヘッダ７付きのシェル２全体として、本実施例では、略矩形のボックス状に形成されており、シェル２とヘッダ７とが隔壁６で仕切られている。
【００２４】
チューブ３は、蛇行した金属管から構成され、左右のヘッダ７を架け渡すように設けられる。本実施例では、複数本のチューブ３が、前後に離隔して平行に設けられている。各チューブ３は、典型的には同一の形状および大きさとされる。具体的には、各チューブ３は、左右に蛇行しつつ下方へ進みながら、シェル２の左右の隔壁６に架け渡される。その際、各チューブ３の左右両端部は、隔壁６を気密に貫通して、左右のヘッダ７内に開口する。
【００２５】
より詳細には、本実施例の各チューブ３は、上下に離隔して平行に配置される複数の直管状部３ａと、隣接する直管状部３ａの端部同士を左右互い違い連接する略円弧状部３ｂとを備え、これら各部が一体的に金属管を屈曲形成されて構成される。そして、最も上方に配置される直管状部３ａの一端部が一方のヘッダ７Ａに接続され、最も下方に配置される直管状部３ａの他端部が他方のヘッダ７Ｂに接続される。
【００２６】
直管状部３ａの数は、適宜に設定されるが、チューブ３内を通される流体の圧力損失などを考慮し、図示例では三つである。つまり、図示例の場合、チューブ３は、左右方向一方のヘッダ７Ａから他方へ向けて直管状に延出した後（直管状部３ａ）、略半円弧状に下方へ折り返されて（略円弧状部３ｂ）、左右方向一方へ向けて直管状に延出した後（直管状部３ａ）、再び略半円弧状に下方へ折り返されて（略円弧状部３ｂ）、左右方向他方へ向けて直管状に延出して（直管状部３ａ）、左右方向他方のヘッダ７Ｂに接続される。
【００２７】
左右のヘッダ７には、各チューブ３に対し第二流体を導入および導出するために、第二入口管８および第二出口管９が設けられる。第二入口管８は、ヘッダ７ひいては各チューブ３への第二流体の入口管であり、一方（図１の左側）のヘッダ７Ａに接続される。第二出口管９は、各チューブ３およびヘッダ７からの第二流体の出口管であり、他方（図１の右側）のヘッダ７Ｂに接続される。なお、ヘッダ７に対する第二入口管８や第二出口管９の接続は、図示例では、ヘッダ７の左右方向外側の端面で行われるが、場合により、上下または前後のいずれかの面で行われてもよい。
【００２８】
本実施例では、シェル２には、第一流体が、シェル２の下方から導入されて、シェル２の上方へ導出される。また、チューブ３には、第二流体が、一方（図１の左側）のヘッダ７Ａから導入されて、他方（図１の右側）のヘッダ７Ｂから導出される。第一流体および第二流体は特に問わないが、たとえば、第一流体が冷却水、第二流体が高温ガスとされる。いずれにしても、熱交換器１において、第一流体と第二流体とを混ぜることなく熱交換することができる。シェル２には下方から上方へ向けて第一流体を流すので、第一流体が気泡を含む液体の場合でも、気泡を確実に熱交換器１外へ導出することができる。
【００２９】
本実施例のシェルアンドチューブ式熱交換器１によれば、チューブ３が左右に蛇行して形成されるので、単なる直管状とした場合と比較して、伝熱面積を確保しつつ、熱交換器１を小型に構成することができる。また、チューブ３は、左右に蛇行して形成されるので、温度変化による伸縮に対応することができる。つまり、各直管状部３ａは、少なくとも一端部が固定されていないので、伸縮が制限されることがなく、それ故、チューブ３は、蛇腹状の伸縮管を一部に有することなく、温度変化による伸縮が許容される。さらに、チューブ３の両端部は、シェル２の左右に分かれて配置されるので、継手スペースを確保しやすく、チューブ３を小径とする必要もないので圧力損失の低減も図ることができる。
【００３０】
ところで、本実施例では、左右方向一方（図１の左側）のヘッダ７Ａに、チューブ３の上端部が接続されると共に第二流体の入口（第二入口管８）が設けられ、左右方向他方（図１の右側）のヘッダ７Ｂに、チューブ３の下端部が接続されると共に第二流体の出口（第二出口管９）が設けられる。一方、シェル２には、左右方向他方（図１の右側）の下部に、第一流体の入口（第一入口管４）が設けられ、左右方向一方（図１の左側）の上部に、第一流体の出口（第一出口管５）が設けられる。このようにして、チューブ３に対する第二流体の入口または出口と、シェル２に対する第一流体の出口または入口とが、それぞれ同じ側に寄せて構成される。これにより、第一流体と第二流体との熱交換を円滑に図ることができる。たとえば、第二流体としての高温ガスを、第一流体としての冷却水と熱交換して冷却しようとする際、高温ガスの入口側のチューブが高温となるが、この高温部に寄せて冷却水を流すことができるので、高温ガスの温度を下げやすく、局所的な沸騰や、応力腐食割れを防止することができる。
【００３１】
本実施例のシェルアンドチューブ式熱交換器１の好適な使用例として、シェルアンドチューブ式熱交換器１を、燃料電池システムにおけるオフガス（排ガス）と冷却水との熱交換に用いることができる。たとえば、特願２０１６−１４２９４３号として開示した燃料電池システムにおけるオフガス熱交換器の他、従来公知の各種のオフガス熱交換器として利用することができる。その場合、第一流体としての冷却水は、第一入口管４からシェル２内へ導入され、第一出口管５から導出される。また、第二流体としてのオフガスは、第二入口管８から導入され、チューブ３内を介して、第二出口管９から導出される。
【００３２】
この場合、シェルアンドチューブ式熱交換器１において、燃料電池のオフガスと冷却水とを熱交換して、オフガスの冷却と冷却水の加温とを図ることができる。オフガスの冷却により、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を、第二出口管９（またはこれが接続されたヘッダ７Ｂ）の分岐管（図示省略）から燃料電池へ戻して、水自立（外部からの補給水なしに燃料電池の運転）を図ることができる。
【００３３】
本発明のシェルアンドチューブ式熱交換器１は、前記実施例の構成に限らず適宜変更可能である。特に、第一流体が通される中空状のシェル２と、このシェル２内に配置されて第二流体が通されるチューブ３とを備え、チューブ３は、左右に蛇行しつつ下方へ進みながら、シェル２の左右に架け渡されるのであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。
【００３４】
また、前記実施例において、各チューブ３には、特に直管状部３ａに、フィンなどの伝熱面拡大部材を設けてもよい。さらに、前記実施例において、各チューブ３の直管状部３ａは、水平に配置されるのではなく、先端側（下流側）へ向けて下方へ若干傾斜するよう形成されてもよい。
【００３５】
その他、前記実施例では、シェル２には、下方から上方へ第一流体を通し、チューブ３には、上方から下方へ第二流体を通したが、場合によりこれとは逆に利用してもよい。すなわち、シェル２には、上方から下方へ第一流体を通し、チューブ３には、下方から上方へ第二流体を通してもよい。その場合、シェル２には、上部に第一入口管４が接続され、下部に第一出口管５が接続される。また、図１において、右側のヘッダ７Ｂに第二入口管８が接続され、左側のヘッダ７Ａに第二出口管９が接続される。
【符号の説明】
【００３６】
１  シェルアンドチューブ式熱交換器
２  シェル
３  チューブ（３ａ：直管状部、３ｂ：略円弧状部）
４  第一入口管
５  第一出口管
６  隔壁
７  ヘッダ（７Ａ：一方のヘッダ、７Ｂ：他方のヘッダ）
８  第二入口管
９  第二出口管
【図１】
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【図２】
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