(57)【要約】【課題】急激な温度上昇による発生する気泡を速やかに排出すことで熱交換構造体の腐食を防止するとともに、熱交換効率を向上させた排気ガス熱交換器を提供する。  【解決手段】排気ガス熱交換器１００は、熱交換部２０、水の流れを案内する案内部４０を備える。熱交換部２０は排気ガスが流通する複数の扁平伝熱管２１と、これらの扁平伝熱管２１の間の隙間に設けられた水流通路２２、水流通路２２を仕切って第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５を形成する仕切部２３とを有する。案内部４０は、水導入管３１から導入された水が第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５毎にその流通方向を交互に反転させながら第１の分割水流通路２２−１から第５の分割水流通路２２−５に向かって流れるように水を案内する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒形状の胴部と、
排気ガスが流通する複数の扁平伝熱管と、該複数の扁平伝熱管の間の隙間に設けられた水流通路と、該水流通路を仕切って上下方向に複数段の分割水流通路を形成する仕切部とを有する熱交換部と、
前記複数の扁平伝熱管の上端を支持する上支持板と、
前記複数の扁平伝熱管の上端の排気ガス入口に連通する排気ガス導入部と、
前記複数の扁平伝熱管の下端を支持する下支持板と、
前記複数の扁平伝熱管の下端の排気ガス出口に連通する排気ガス排出部と、
前記胴部に設けられ最下段の分割水流通路に連通する水導入管と、
前記上支持板に設けられ最上段の分割水流通路に連通する水排出管と、
前記水導入管から導入された水が各段の分割水流通路毎にその流通方向を交互に反転させながら最下段の分割水流通路から最上段の分割水流通路に向かって流れるように水を案内する案内部と、を備え、
前記熱交換部及び前記案内部が前記胴部内に収納されたことを特徴とする排気ガス熱交換器。
【請求項２】
前記案内部は、水を格段の分割水流通路の入口に向かわせるように前記仕切部に沿って  前記胴部の内壁との間に水平に掛け渡された複数の水平案内板と、
前記複数の水平案内板の一方の端部を互いに連結するように前記上支持板と前記下支持板の間に垂直に掛け渡された第１の垂直案内板と、
前記複数の水平案内板の他方の端部を互いに連結するように前記上支持板と前記下支持板の間に垂直に掛け渡された第２の垂直案内板と、を備え、
前記第１及び第２の垂直案内板により格段の分割水流通路の入口に向かうべき水が格段の分割水流通路の出口に回り込むのを防止したことを特徴する請求項１に記載の排気ガス熱交換器。
【請求項３】
前記仕切部は、前記複数の扁平伝熱管の各側面から前記水流通路に突出し、先端部が互いに当接した複数の凸部から構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の排気ガス熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガスと水との熱交換を行う排気ガス熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、円柱形状の胴部内に伝熱管を収納し、伝熱管内に乱流促進板を設け、伝熱管へ排気ガスを、伝熱管の外周に水を流通させることにより、排気ガスと水とを熱交換させて排気ガスの温度を低下させる排気ガス熱交換器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９７６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高温の排気ガスと常温の水とを熱交換する場合、水の急激な温度上昇による核沸騰により気泡が発生する恐れがある。気泡が胴部内に滞留すると、伝熱管や胴部等の熱交換構造体を腐食させる危険性が高まる。
【０００５】
また、水の流れが小流量である場合、熱交換器内での水の流速を上げるとともに、熱交換に寄与する伝熱面積を増やすことで、熱交換効率の向上を図る必要があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題に鑑み、本発明の排気ガス熱交換器は、筒形状の胴部と、排気ガスが流通する複数の扁平伝熱管と、該複数の扁平伝熱管の間の隙間に設けられた水流通路と、該水流通路を仕切って上下方向に複数段の分割水流通路を形成する仕切部とを有する熱交換部と、
前記複数の扁平伝熱管の上端を支持する上支持板と、前記複数の扁平伝熱管の上端の排気ガス入口に連通する排気ガス導入部と、前記複数の扁平伝熱管の下端を支持する下支持板と、前記複数の扁平伝熱管の下端の排気ガス出口に連通する排気ガス排出部と、前記胴部に設けられ最下段の分割水流通路に連通する水導入管と、前記上支持板に設けられ最上段の分割水流通路に連通する水排出管と、前記水導入管から導入された水が各段の分割水流通路毎にその流通方向を交互に反転させながら最上段の分割水流通路に向かって流れるように水を案内する案内板と、を備え、前記熱交換部及び前記案内板が前記胴部内に収納されたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の排気ガス熱交換器によれば、排気ガスは扁平伝熱管の上端の排気ガス入口から導入されるため、排気ガスと水との熱交換により、排気ガス導入部に近い最上段の分割水流通路で急激な温度上昇による核沸騰により気泡が発生しやすい。そこで、水排出管を最上段の分割水流通路に連通するように上支持板に設け、最上段の分割水流通路の水を上方へ排出することにより、気泡を滞留させることなく速やかに排出することが可能となる。
【０００８】
また、本発明の排気ガス熱交換器によれば、熱交換部を、複数の扁平伝熱管と、複数の扁平伝熱管の間の隙間に設けられた水流通路と、水流通路を仕切って上下方向に複数段の分割水流通路を形成する仕切部とで構成し、かつ水の流れを案内する案内部を設けて、水が各段の分割水流通路毎にその流通方向を交互に反転させながら最下段の分割水流通路から最上段の分割水流通路に向かって流れるように構成したので、水の流速が上がるとともに、熱交換に寄与する伝熱面積が増加することから、熱交換効率を向上させることが可能となる。
【０００９】
また、本発明の排気ガス熱交換器によれば、筒形状の胴部と、板金で構成されるため、大型のものでも金型費用を抑えてイニシャルコストを安価にすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の排気ガス熱交換器によれば、急激な温度上昇による発生する気泡を滞留させることなく速やかに排出することで、熱交換構造体の腐食を防止することが可能となる。
【００１１】
また、本発明の排気ガス熱交換器によれば、水の流速が上がるとともに、熱交換に寄与する伝熱面積が増加することから、熱交換効率を向上させることが可能となる。
【００１２】
さらに、本発明の排気ガス熱交換器によれば、大型のものでも金型費用を抑えてイニシャルコストを安価にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態による排気ガス熱交換器の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態による排気ガス熱交換器の別角度から見た斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による排気ガス熱交換器の熱交換部の拡大図である。
【図４】本発明の実施形態による排気ガス熱交換器の熱交換部の斜視図である。
【図５】本発明の実施形態による排気ガス熱交換器の水の流れを示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態による排気ガス熱交換器の水の流れを示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態による排気ガス熱交換器の構成を図１乃至図６に基づいて説明する。
【００１５】
図１（ａ）は排気ガス熱交換器１００の外観斜視図、図１（ｂ）は円筒形状の胴部１０と排気ガス導入部２５の一部を取り除いた状態の斜視図である。図２（ａ）は図１（ａ）の矢印Ｄ１が向かう方向で見た斜視図、図２（ｂ）は図１（ａ）の矢印Ｄ２が向かう方向で見た斜視図である。
【００１６】
排気ガス熱交換器１００は、筒形状の胴部１０と、この胴部１０内に収納された熱交換部２０、及び水の流れを案内する案内部４０を備えて構成される。熱交換部２０及び案内部４０は胴部１０内に収納されている。本実施形態においては、胴部１０は円筒形状であるとして説明する。
【００１７】
熱交換部２０は、排気ガスと水との熱交換を行う構造体であって、複数の扁平伝熱管２１は、上端に排気ガス入口２１ａを、下端に排気ガス出口２１ｂを有し、それらの管軸が上下方向を向くように、互いに水平方向に隣接して配列される。これらの扁平伝熱管２１は狭い側面２１ｃと広い側面２１ｄを有し、管軸に垂直な断面で見ると扁平な四角形になっている。そして、隣接する扁平伝熱管２１の広い側面２１ｂの間に設けられた隙間が水流通路２２になっている。また、水流通路２２は水平方向に延びた第１乃至第４の仕切部２３−１，２３−２，２３−３，２３−４によって仕切られ、上下方向に第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５が形成されている。
【００１８】
この場合、図３に示すように、第１乃至第４の仕切部２３−１，２３−２，２３−３，２３−４は、複数の扁平伝熱管２１の隣接する広い側面２１ｄから水流通路２１にそれぞれ突出し、先端部が互いに当接した複数の凸部２１ｅ，２１ｅによって形成することができる。複数の凸部２１ｅ，２１ｅは扁平伝熱管２１の製作時に同時に加工することで、製造工程を短縮することができる。
【００１９】
図４に示すように、複数の扁平伝熱管２１の上端は上支持板２４によって支持されている。上支持板２４は胴部１０の上端開口部を塞ぐように取り付けられており、胴部１０が円筒形状の場合は円板形状をなしている。この場合、上支持板２４には、複数の扁平伝熱管２１に対応した複数の切り欠き部が形成されており、これらの切り欠き部に扁平伝熱管２１の上端部が嵌め込まれることで扁平伝熱管２１の上端の排気ガス入口２１ａが開放された状態で支持される。
【００２０】
上支持板２４の上方には、複数の扁平伝熱管２１の上端の排気ガス入口２１ａに連通する排気ガス導入部２５が設けられている。排気ガス導入部２５は、複数の扁平伝熱管２１の上端の排気ガス入口２１ａの上方を覆う箱状のヘッダー部２６と、ヘッダー部２６の側面に接続された排気ガス導入管２７で構成されている。排気ガス導入管２７から導入された排気ガスは、ヘッダー部２６を通って扁平伝熱管２１の上端の排気ガス入口２１ａから導入される。
【００２１】
一方、複数の扁平伝熱管２１の下端は、下支持板２８によって支持されている。上支持板２４は胴部１０の下端開口部を塞ぐように取り付けられており、胴部１０が円筒形状の場合は円板形状をなしている。この場合、下支持板２８には、複数の扁平伝熱管２１に対応した複数の切り欠き部が形成されており、これらの切り欠き部に扁平伝熱管２１の下端部が嵌め込まれることで扁平伝熱管２１の下端の排気ガス出口２１ｂが開放された状態で支持される。下支持板２８は、基台２９上に取り付けられており、基台２９の裏面開口部が扁平伝熱管２１の下端の排気ガス出口２１ｂに連通した排気ガス排出部３０となっている。
【００２２】
水導入管３１は、最下段の第１の分割水流通路２２−１に連通して胴部１０の下方に設けられている。水排出管３２は、最上段の第５の分割水流通路２３−５に連通して上支持板２４に設けられている。
【００２３】
案内部４０は、水導入管３１から導入された水が第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５毎にその流通方向を交互に反転させながら第１の分割水流通路２２−１から第５の分割水流通路２２−５に向かって流れるように水を案内する。
【００２４】
この場合、案内部４０は、第１乃至第４の水平案内板ＧＨ１〜ＧＨ４と、第１及び第２の垂直案内板ＧＶ１，ＧＶ２とで構成される。第１乃至第４の水平案内板ＧＨ１〜ＧＨ４は、水を第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５の入口に向かわせるように格段の境界と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されている。
【００２５】
詳しくは、第１の水平案内板ＧＨ１は、図１（ｂ）に示すように、第１及び第２の分割水流通路２２−１，２２−２の境界をなす第１の仕切部２３−１と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されるとともに、第１の仕切部２３−１に沿って熱交換部２０の導入管３１が設けられた側の一方の側面に回り込み、この側面と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されている。この場合、第１の水平案内板ＧＨ１は、２枚の弓形（円弧と円弧の両端を結ぶ線分で囲まれた形状）の板をそれぞれの端部で、それぞれの弓形の線分が直行するように接合した形状をなしている。第２乃至第４の水平案内板ＧＨ２〜ＧＨ４についても同じである。
【００２６】
第２の水平案内板ＧＨ２は、図２（ａ）に示すように、第２及び第３の分割水流通路２２−２，２２−３の境界をなす第２の仕切り部２３−２と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されるとともに、第２の仕切り部２３−２に沿って熱交換部２０の前記一方の側面と対向する反対側の側面に回り込み、この側面と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されている。
【００２７】
第２の水平案内板ＧＨ３は、図１（ｂ）に示すように、第３及び第４の分割水流通路２２−３，２２−４の境界をなす第３の仕切り部２３−３と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されるとともに、第３の仕切り部２３−３に沿って熱交換部２０の導入管３１が設けられた側の側面に回り込み、この側面と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されている。
【００２８】
第４の水平案内板ＧＨ４は、図２（ａ）に示すように、第４及び第５の分割水流通路２２−４，２２−５の境界をなす第４の仕切り部２３−４と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されるとともに、第４の仕切り部２３−４に沿って熱交換部２０の反対側の側面に回り込み、この側面と胴部１０の内壁の間に水平に掛け渡されている。
【００２９】
一方、第１の垂直案内板ＧＶ１は、第１乃至第４の水平案内板ＧＨ１〜ＧＨ４の一方の端部を上下方向に互いに連結するように上支持板２４と下支持板２８の間に垂直に掛け渡されている。第２の垂直案内板ＧＶ２は、第１乃至第４の水平案内板ＧＨ１〜ＧＨ４の他方の端部を上下方向に互いに連結するように上支持板２４と下支持板２８の間に垂直に掛け渡されている。第１及び第２の垂直案内板ＧＶ１，ＧＶ２により、第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５の入口に向かうべき水が熱交換部２０の広い側面２１ｂから格段の分割水流通路２１−１〜２２−５の出口に回り込むのを防止している。
【００３０】
したがって、案内部４０を設けることにより、水導入管３１から導入された水は、
第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５毎にその流通方向を交互に反転させながら、第１の分割水流通路２２−１から第５の分割水流通路２２−５に向かって流れる。
【００３１】
次に、第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５における水の流れを図５及び図６に基づいて説明する。
【００３２】
図５（ａ）に示すように、水導入管３１から導入された水は、第１の水平案内板ＧＨ１、第１及び第２の垂直案内板ＧＶ１，ＧＶ２に案内されて、第１の分割水流通路２２−１の入口に流入する。この時に、複数の扁平伝熱管２１を流れる排気ガスと第１の分割水流通路２２−１を流れる水とが熱交換される。
【００３３】
この場合、水導入管３１から導入された水の全部が第１の分割水流通路２２−１の入口に流入する。これは、下支持板２８、第１の水平案内板ＧＨ１、第１及び第２の垂直案内板ＧＶ１，ＧＶ２が水を他の領域に逃がさない閉空間を形成し、この閉空間が第１の分割水流通路２２の入口に連通していることから、水導入管３１から導入された水が、飛び越えて第２の分割水流通路２２−１の出口に向かうことや、第１の分割水流通路２２−１の出口に回りこむことが防止されるためである。
【００３４】
次に、図５（ｂ）に示すように、第１の分割水流通路２２−１の出口から流出した水は胴部１０の内壁によって跳ね返され、その流通方向を反転させて第２の分割水流通路２２−２の入口に流入する。
【００３５】
この場合も同様に、第１の分割水流通路２２−１の出口から流出した水の全部が第２の分割水流通路２２−２の入口に流入する。これは、下支持板２８、第２の水平案内板ＧＨ２、第１及び第２の垂直案内板ＧＶ１，ＧＶ２が水を他の領域に逃がさない閉空間を形成し、この閉空間が第２の分割水流通路２２−２の入口に連通していることから、第１の分割水流通路２２−１の出口から流出した水が飛び越えて第３の分割水流通路２２−３の出口に向かうことや、第２の分割水流通路２２−２の出口に回りこむことが防止されるためである。
【００３６】
次に、図５（ｃ）に示すように、第２の分割水流通路２２−２の出口から流出した水は胴部１０の内壁によって跳ね返され、その流通方向を反転させて第３の分割水流通路２２−３の入口に流入する。
【００３７】
この場合も同様に、第２の分割水流通路２２−２の出口から流出した水の全部が第３の分割水流通路２２−３の入口に流入する。これは、第１の水平案内板ＧＨ１、第３の水平案内板ＧＨ３、第１及び第２の垂直案内板ＧＶ１，ＧＶ２が水を他の領域に逃がさない閉空間を形成し、この閉空間が第３の分割水流通路２２−３の入口に連通していることから、第２の分割水流通路２２−２の出口から流出した水が飛び越えて第４の分割水流通路２２−４の出口に向かうことや、第３の分割水流通路２２−３の出口に回りこむことが防止されるためである。
【００３８】
次に、図６（ａ）に示すように、第３の分割水流通路２２−３の出口から流出した水は胴部１０の内壁によって跳ね返され、その流通方向を反転させて第４の分割水流通路２２−４の入口に流入する。
【００３９】
この場合も同様に、第３の分割水流通路２２−３の出口から流出した水の全部が第４の分割水流通路２２−４の入口に流入する。これは、第２の水平案内板ＧＨ２、第４の水平案内板ＧＨ４、第１及び第２の垂直案内板ＧＶ１，ＧＶ２が水を他の領域に逃がさない閉空間を形成し、この閉空間が第４の分割水流通路２２−４の入口に連通していることから、第３の分割水流通路２２−３の出口から流出した水が飛び越えて第５の分割水流通路２２−５の出口に向かうことや、第４の分割水流通路２２−４の出口に回りこむことが防止されるためである。
【００４０】
次に、図６（ｂ）に示すように、第４の分割水流通路２２−４の出口から流出した水は胴部１０の内壁によって跳ね返され、その流通方向を反転させて第５の分割水流通路２２−５の入口に流入する。
【００４１】
この場合も同様に、第４の分割水流通路２２−４の出口から流出した水の全部が第５の分割水流通路２２−５の入口に流入する。これは、第４の水平案内板ＧＨ４、上支持板２４、第１及び第２の垂直案内板ＧＶ１，ＧＶ２が水を他の領域に逃がさない閉空間を形成し、この閉空間が第５の分割水流通路２２−５の入口に連通していることから、第４の分割水流通路２２−４の出口から流出した水が第５の分割水流通路２２−５の出口に回りこむことが防止されるためである。そして、第５の分割水流通路２２−５の出口から流出した水は、熱交換部２０の側面に回り込み、上仕切り板２４に設けられ水排出管３２を介して排出される。
【００４２】
本実施形態による排気ガス熱交換器１００によれば、排気ガスは扁平伝熱管２１の上端の排気ガス入口２１ａから導入されるため、排気ガスと水との熱交換により、排気ガス導入部２５に近い、最上段の第５の分割水流通路２２−５で急激な温度上昇による核沸騰により気泡が発生しやすい。そこで、水排出管３２を最上段の第５の分割水流通路２２−５に連通するように上支持板２４に設け、第５の分割水流通路２２−５の水を上方へ排出することにより、気泡を滞留させることなく速やかに排出することが可能となる。
【００４３】
また、排気ガス熱交換器１００によれば、熱交換部２０を、複数の扁平伝熱管２１と、複数の扁平伝熱管２１の間の隙間に設けられた水流通路２２と、水流通路２２を仕切って上下方向に第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５を形成する第１乃至第４の仕切部２３−１〜２３−４とで構成し、かつ水の流れを案内する案内部４０を設けて、水が第１乃至第５の分割水流通路２２−１〜２２−５毎にその流通方向を交互に反転させながら第１の分割水流通路２２−１から第５の分割水流通路２２−５に向かって流れるように構成したので、水の流速が上がるとともに、熱交換に寄与する伝熱面積が増加することから、熱交換効率を向上させることが可能となる。
【００４４】
また、排気ガス熱交換器１００によれば、筒状の胴部１０と、板金からなる案内部４０で構成されるため、大型のものでも金型費用を抑えてイニシャルコストを安価にすることが可能となる。
【００４５】
排気ガス熱交換器１００は、燃料電池から排出される２５０℃〜３００℃程度の排気ガス（水蒸気）と常温の上水（市水）との熱交換に用いて好適である。この場合、排気ガス（水蒸気）の廃熱を利用して上水（市水）を加熱することができる。
【００４６】
なお、分割水流通路２２−１〜２２−５の段数は適宜変更することができ、それに応じて水平案内板の枚数も変更される。
【符号の説明】
【００４７】
１０  胴部
２０  熱交換部
２１  扁平伝熱管
２２  水流通路
２２−１〜２２−５  第１乃至第５の分割水流通路
２３−１〜２３−４  第１乃至第４の仕切部
２４  上支持板
２５  排気ガス導入部
２６  ヘッダー部
２７  排気ガス導入管
２８  下支持板
２９  基台
３０  排気ガス排出部
３１  水導入管
３２  水排出管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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