(57)【要約】【課題】水素自動車などに水素ガスを充填する経路の途中に設ける熱交換器を小型化するとともに、大きな伝熱面積を有する熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の熱交換器は、冷却媒体が溜められる容器と、この容器内に設けられ、高圧ガスが流れるガス流路が内部に形成されたブロック体１３を具備してなり、  前記ブロック体１３が、金属からなる板体１４に複数の貫通孔１６を相互に交わるように形成し、これら貫通孔１６の開口のうちの１つをガス入口１７とし、他の１つの開口をガス出口１８とし、これ以外の開口を封止して、前記貫通孔１６を前記ガス流路としたものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを冷却するための熱交換器であって、
冷却媒体が溜められる容器と、この容器内に設けられ、ガスが流れるガス流路が内部に形成されたブロック体を具備してなり、
前記ブロック体が、金属体に複数の貫通孔を相互に交わるように形成し、これら貫通孔の開口のうちの１つをガス入口とし、他の１つの開口をガス出口とし、これ以外の開口を封止して、前記貫通孔を前記ガス流路としたものであることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記金属体が、板体であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記ブロック体の貫通孔の１つに温度センサーを取り付けたことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ガス等のガスを冷却する熱交換器に関し、特に水素自動車に燃料となる水素ガスを充填する際に使用される熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の自動車として、水素ガスを燃料として用いる水素自動車（燃料電池自動車および水素エンジン自動車）の開発が進められている。水素自動車は、炭酸ガス、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の排出量がなく、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、その燃料である水素ガスを充填する燃料充填装置（ディスペンサー）を備えた供給基地まで走行し、この燃料充填装置から水素ガスを補給することになる。
【０００３】
一般に圧縮天然ガス、他の高圧ガス（窒素ガス、酸素ガス等）は、圧縮状態（例えば圧力３５ＭＰａ）から断熱膨張させると、ジュールトムソン効果によりガス温度が低下する。
しかしながら、水素ガスは、一般のガスと異なり、ジュールトムソン効果により温度が上昇する性質を有するガスである。そのため水素ガスは、弁などの機器などを通過する際に温度が上昇しやすい。
また、水素ガスを燃料タンクに充填する際には、短時間での充填が望まれており、燃料タンクへの急速充填に伴う断熱圧縮による温度上昇も起きることから、ガス温度が高くなりやすい問題がある。
【０００４】
水素自動車の燃料タンクは、通常、軽量化のために繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製容器が使用されている。ＦＲＰからなる燃料タンクは、耐久性を考慮して使用温度の上限値が規定され、その設計値は一般に約８５℃である。
このようにＦＲＰからなる燃料タンクでは、使用温度に上限があるため、水素ガスの充填を行うに際しては厳重な温度管理が要求される。
【０００５】
燃料タンクの設計温度を超えて水素ガスを充填することは厳禁であり、圧力監視により満充填を感知し、充填を終了させると充填後、燃料タンク内温度が下がった際にタンク内圧力が減少する。これは燃料タンクへの充填可能な最大充填量（重量）が見かけ上少なくなることを意味しており、水素自動車の一充填当たりの走行距離に大きく影響する。
【０００６】
特に、水素ガスの充填圧力が７０ＭＰａになると、充填速度の制御だけでは急速充填と温度上昇のバランスを保つことは難しく、何らかの冷却装置が必要であった。
また、充填圧力が高圧になればなるほど配管や継ぎ手、バルブの肉厚が増すことにより熱容量が大きくなるため、充填開始後に充填ラインの冷却が開始されたのでは、冷却した水素ガスも配管や継ぎ手などにより暖められてしまい、燃料タンクへの充填に対して当初の目的を達成できない問題がある。
【０００７】
図７は、従来の高圧水素ガスを冷却する熱交換器の要部を示すものである。この熱交換器は、図示しない筐体内に収容されており、二重配管構造を有するものである。
この熱交換器では、内部配管１に水素ガスを、内部配管１と外部配管２との間にブラインなどの冷却媒体を流し熱交換を行うようになっている。熱交換器としてはコンパクトであることが望まれるが、このためには、熱交換の伝熱面積を増やす必要があることから、筐体内で内部配管１を複数回屈曲させ、往復させる構造としている。
【０００８】
また、内部配管１には、高圧の水素ガスが流れるため、肉厚が厚いステンレス鋼管などが用いられているが、肉厚のステンレス鋼管などの管材の定尺が２ｍであるので、内部配管１にはこのような定尺直管をＵ字状の屈曲管で接続するか、あるいは図５に示すように、内部配管１となる定尺直管をエルボ４、４と短管５とで接続した往復構造としている。
接続方法としては、溶接やねじ込み等による方法が用いられる。
このような構造の熱交換器には必ず継ぎ目部が生じることになるが、内部配管１内に高圧水素ガスが流れるため、高圧ガス保安法上、継ぎ目部からのリークがないこと、また定期的な検査が必要である。
【０００９】
そのため、熱交換部の内部配管１には継ぎ目部がない１本の直管を使用し、この内部配管１の外部に外部配管２を設けて一体化した二重配管とし、二重配管と二重配管とを内部配管１のみからなる屈曲部を介して一体化することで継ぎ目部を大気開放状態とし、検査を容易に行うことができるようにしていた。
しかしながら、この継ぎ目部では冷媒との熱交換が行われず、効率が悪いと言う問題があった。
【００１０】
また、冷却媒体を二重配管と二重配管とに連続的に流す必要があり、各外部配管２の一部に分岐部６を設け、この分岐部６間を接続する構造としている。外部配管２は、内部配管１より径が大きいため、曲がり部の半径は内部配管１の曲がり部の半径より大きくなる。またメンテナンス上、外部配管２と外部配管２との接続はフランジ７による接合である。従って外部配管２と外部配管２との間隔は広くなってしまい、熱交換器として大きなものとなる問題があった。
【特許文献１】特開２００４−１１６６１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、水素自動車などに水素ガスを充填する経路の途中に設ける熱交換器を小型化するとともに、大きな伝熱面積を有する熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、ガスを冷却するための熱交換器であって、
冷却媒体が溜められる容器と、この容器内に設けられ、ガスが流れるガス流路が内部に形成されたブロック体を具備してなり、
前記ブロック体が、金属体に複数の貫通孔を相互に交わるように形成し、これら貫通孔の開口のうちの１つをガス入口とし、他の１つの開口をガス出口とし、これ以外の開口を封止して、前記貫通孔を前記ガス流路としたものであることを特徴とする熱交換器である。
【００１３】
請求項２にかかる発明は、前記金属体が、板体であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器である。
請求項３にかかる発明は、前記ブロック体の貫通孔の１つに温度センサーを取り付けたことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱交換器にあっては、熱交換を行うブロック体を、複数の貫通孔を形成した金属体から構成したので、熱交換がブロック体全体でなされることになり、伝熱面積が大きくなり、熱交換効率が高いものとなり、小型とすることができる。このため、ブロック体を容器内に溜められた液体窒素等の極低温の冷却媒体に浸すことにより、効率よく水素ガス等を冷却することが可能となる。
また、構造が簡単であるので製造が容易で安価に提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１ないし図３は、本発明の熱交換器の一例を示すものである。
この例の熱交換器１１は、液体窒素等の冷却媒体を貯留する容器１２と、ガス流路を備えたブロック体１３とからなる。
前記容器１２は、前記ブロック体１３を内部に収容し、冷却媒体中に浸漬するためのもので、その形状は特に限定されることはないが、断熱性能が優れている真空二重容器であることが好ましい。この容器１２は、容器本体１２ａとこの容器本体１２ａの開口を塞ぐ蓋部１２ｂとから構成されている。
【００１６】
また、前記ブロック体１３は、図２に示すように、金属からなる板体１４と、この板体１４を容器本体１２ａ内で立設して支える２個の脚部１５、１５を備えたものである。
板体１４を構成する金属としては、熱伝導率がよく、水素ガスを冷却するものでは低温脆性、水素脆性が起きにくいステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、錫、錫合金、鉄、鋼などが好ましい。
なお、前記ブロック体１３の板体１４を構成する材料については、この例のように、板状のものに限られることはなく、何ら加工が施されていない金属からなる直方体、立方体などの塊であればよい。しかし、伝熱効率を勘案すると薄い板状のものが好ましく、また板体１４は複数個設けても良い。
【００１７】
そして、板体１４の内部には、図３に示すように、板体１４の厚さ方向に直交する方向で、かつ縦方向と横方向に多数の貫通孔１６、１６・・が相互に直交し交差部において相互に連通するように穿設されている。
【００１８】
貫通孔１６は、丸孔、角孔などの種々の断面形状であってよく、その径は、板体１４の強度を保つために許される最大とすることが望ましく、板体１４の厚さの１０〜８０％程度とされる。
板体１４にこのような貫通孔１６、１６・・を多数形成することで、１個の貫通孔１６に対して２個の開口が生じ、板体１４には多数の開口が形成されるが、これら開口の内の１個がガス入口１７として、他の１個がガス出口１８として残されており、これ以外のすべての開口はプラグ１９、１９・・によって液密、かつ気密状態で封止されている。プラグ１９の取付は溶接あるいはねじ込みによって行われる。
【００１９】
ガス入口１７とガス出口１８とは、互いに最も離れた位置の開口になるようになっており、この例では、板体１４のほぼ対角線上に位置している。
かかる構造により、板体１４内の多数の貫通孔１６、１６・・は、ガス入口１７とガス出口１８を有する１つのガス流路を形成することになる。
【００２０】
また、この例では、板体１４の温度を測定することでガス流路を流れるガスの温度を測定するための温度センサーとしての熱電対２０が板体１４に埋め込まれており、この熱電対２０を避けるように貫通孔１６、１６・・が形成されている。熱電対２０は、必ずしも貫通孔１６を避ける必要はなく、貫通孔１６内に配置してもよい。
そして、多数の貫通孔１６、１６・・で形成されたガス流路の体積は、板体１４の強度が維持できる最大限とすることが望ましく、板体１４の体積の１０〜８０％程度とされる。
【００２１】
このように構成された熱交換器１１にあっては、ブロック体１３を容器本体１２ａ内の冷却媒体内に沈め、ガス入口１７からガス出口１８に向けてガス流路に冷却すべきガスを流すことで、ガスがガス流路を流れる際に冷却されることになる。
このため、ガス流路全体が熱交換に関与することになって、伝熱面積が広くなり、小型としても高い熱交換効率を発揮する。また、簡単な構造であるので、容易に低コストで製造することができる。
【００２２】
次に、このような熱交換器を用いて高圧水素ガスを冷却して所定の温度として水素自動車の燃料タンクなどの供給、充填する方法について説明する。
図４は、このような供給、充填方法を実施するための供給充填装置の一例を示すものである。
この供給充填装置は、常温の高圧水素ガスを貯える複数の水素容器２１・・・と、前記熱交換器１１と、冷却媒体としての液体窒素を貯える極低温貯槽２２から概略構成されている。
【００２３】
水素容器２１からの高圧水素は、開閉弁２３、流量計２４、流量調整弁２５を介して高圧配管２６を流れ、熱交換器１１のブロック体１３のガス入口１７に供給されるようになっている。
熱交換器１１の容器１２内には、極低温貯槽２２からの液体窒素が流量調整弁２７を介して管３７から供給され、容器１２内のブロック体１３を冷却するように構成されている。熱交換器１１のブロック体１３内のガス流路を流れた水素は、ここで冷却され、ブロック体１３のガス出口１８から弁を介して低温配管２８を通り、水素自動車などに供給され、その燃料タンク等に充填されるようになっている。
【００２４】
高圧配管２６を流れる高圧水素の一部は、流量調整弁２５の上流側で分岐され、バイパス管２９を流れ、流量調整弁３０を経て、低温配管２８に合流するようにもなっている。
熱交換器１１の容器１２には、液体窒素の量を調整する弁３１、気化した窒素ガスを抜く弁３２、安全弁３３等が設けられている。
また、熱交換器１１のブロック体１３に温度センサー２０が設けられ、低温配管２８のバイパス配管２９との合流点の下流側のガス温度を測定する温度センサー３４が設けられ、さらに高圧配管２６を流れる水素ガスの温度を測定する温度センサー３５が設けられている。
【００２５】
熱交換器１１の容器１２内の液体窒素は、水素ガスを冷却することでその一部は気化し、弁３２を経て蒸発器３６を通り系外に排出されるようになっている。
さらに、前記温度センサー２０、３４、３５からの温度信号に基づき、前記流量調整弁２５、２７、３０の開度を制御する制御部３７が設けられている。
【００２６】
水素容器２１内の常温の高圧水素ガスは、高圧配管２６を介して、熱交換器１１のブロック体１３に流れ、容器１２内の液体窒素と熱交換により冷却され、低温配管２８を通り、水素自動車の燃料タンクなどに供給される。
この際、水素自動車の燃料タンクには所定の温度（例えば−４０℃）で供給することが要求されているため、所定の温度に制御する必要がある。そのため常温の水素ガスの一部をバイパス配管２９に流し、熱交換器１１を介さずに、直接低温配管２８に流し、冷却された水素ガスに混合すことにより温度調整を行う。
【００２７】
具体的には温度センサー２０によるブロック体１３の温度と、温度センサー３４によって低温配管２８内のバイパス配管２９以降の水素ガスの温度とを測定し、所定の温度よりも低い場合には流量調整弁３０の開度を大きく、流量調整弁２５の開度を小さくする制御を行う。
逆に、所定の温度よりも高い場合には流量調整弁３０の開度を小さく、流量調整弁２５の開度を大きくする制御を行う。
これにより、高圧水素ガスを所定の温度に保って水素自動車等の燃料タンクなどに充填できる。
【００２８】
図５は、高圧水素ガスの供給、充填方法を実施するための供給充填装置の他の例を示すもので、この例では熱交換器の冷却媒体として、液化水素を用い、熱交換によって生成した水素ガスを回収して水素ガスの供給充填に利用するものである。なお、図４に示した装置と同一構成部材には同一符号を付してその説明を省略する。
【００２９】
水素容器２１からの高圧水素は、開閉弁２３、流量計２４，流量調整弁２５を介して高圧配管２６を流れ、熱交換器１１のブロック体１３のガス入口１７に供給される。
熱交換器１１の容器１２内には液体水素貯槽４１からの液体水素が冷却媒体として流量調整弁４２を介して、管４３から供給され、ブロック体１３を冷却する。
【００３０】
熱交換器１１のブロック体１３内のガス流路を流れる高圧水素は、ここで冷却され、ブロック体１３のガス出口１８から弁を経て低温配管２８を通り、水素自動車等に供給され、その燃料タンク等に充填される。
高圧配管２６を流れる高圧水素の一部は、流量調整弁２５の上流側で分岐され、バイパス管２９を流れ、流量調整弁３０を経て、低温配管２８に合流する。
【００３１】
熱交換器１１の容器１２には、液体水素の量を調整する弁３１、気化した水素ガスを抜く弁３２、安全弁３３等が設けられている。
また、熱交換器１１のブロック体１３に温度センサー２０が設けられ、低温配管２８のバイパス配管２９との合流点の下流側のガス温度を測定する温度センサー３４が設けられ、さらに高圧配管２６を流れる水素ガスの温度を測定する温度センサー３５が設けられている。
さらに、前記温度センサー２０、３４、３５からの温度信号に基づき、前記流量調整弁２５、３０、４２の開度を制御する制御部３７が設けられている。
【００３２】
熱交換器１１の容器１２内の液体水素は、水素ガスを冷却することでその一部は気化し、この水素ガスは同伴される少量の液体水素ととも弁３２を経て、弁３１から流出した液体水素と合流して管４４、蒸発器４５に送られ、ここで同伴された液体水素が気化し、水素ガスとして水素ガス貯槽４６に送られ、ここで一時的に貯留される。
水素ガス貯槽４６内の水素ガスは、管４７を通り、コンプレッサー４８に送られて加圧され、管４９、弁５０を経て水素容器２１に送られ、ここに貯えられて再利用される。
【００３３】
図６は、図５に示した水素ガスの供給充填装置の変形例であり、この例では、熱交換器１１の冷却媒体を溜める容器１２を液体水素貯槽４１に代え、この液体水素貯槽４１内の液体水素によってブロック体１３を冷却してブロック体１３内のガス流路を流れる高圧水素ガスを冷却するもので、換言すれば、液体水素貯槽４１内の液体水素中にブロック体１３を漬けた状態としたものでもある。
【００３４】
液体水素貯槽４１内で熱交換によりガス化した水素ガスは、同伴される少量の液体水素ととも弁３２を経て管４４、蒸発器４５を通り、水素ガスとして水素ガス貯槽４６に送られ、ここで一時的に貯留され、さらにコンプレッサー４８に送られて加圧されたのち、水素容器２１に送られる点は、図５に示した装置と同様である。
また、温度センサー２０、３４、３５からの温度信号に基づき流量調整弁２５、３０の開度を制御する制御部３７が同様に設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の熱交換器の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明でのブロック体の一例の外観を示す図面である。
【図３】本発明でのブロック体の一例の内部構造を示す断面図である。
【図４】本発明の熱交換器を用いた高圧水素充填のための装置を示す概略構成図である。
【図５】本発明の熱交換器を用いた高圧水素充填のための装置の他の例を示す概略構成図である。
【図６】本発明の熱交換器を用いた高圧水素充填のための装置の他の例を示す概略構成図である。
【図７】従来の水素ガス用熱交換器の要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１１：熱交換器、１２：容器、１３：ブロック体、１６：貫通孔、１７：ガス入口、１８：ガス出口  
【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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【図７】
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