(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、筐体１内に複数の仕切板４、４・・を互いに平行に設けて１本の屈曲した冷媒流路５を形成し、この冷媒流路５内に空隙を介して１本の屈曲した冷却配管６を設け、前記冷媒流路５に冷却媒体を流し、前記冷却配管６に前記高圧ガスを流すようにしたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧ガスを冷却するための熱交換器であって、
筐体内に複数の仕切板を互いに平行に設けて１本の屈曲した冷媒流路を形成し、この冷媒流路内に空隙を介して１本の屈曲した冷却配管を設け、
前記冷媒流路に冷却媒体を流し、前記冷却配管に前記高圧ガスを流すようにしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記配管にその長手方向に沿って延びるフィンを設けたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記筐体を本体とこれを塞ぐ蓋部とから構成し、本体または蓋部に前記複数の仕切板を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【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を充填する際に使用す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６は、従来の高圧水素ガス充填の際に用いられている高圧水素ガスを冷却するための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５１に水素を、内部配管５１と外部配管５２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５１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５１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５１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、あるいは図に示すように、内部配管５１となる定尺直管をエルボ５４、５４と短管５５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５１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５１には継ぎ目部がない１本の直管を使用し、この内部配管５１の外部に外部配管５２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５１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５２の一部に分岐部５６を設け、この分岐部５６間を接続する構造としている。外部配管５２は、内部配管５１より径が大きいため、曲がり部の半径は内部配管５１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５２と外部配管５２との接続はフランジ５７による接合である。従って外部配管５２と外部配管５２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、高圧ガスを冷却するための熱交換器であって、
筐体内に複数の仕切板を互いに平行に設けて１本の屈曲した冷媒流路を形成し、この冷媒流路内に空隙を介して１本の屈曲した冷却配管を設け、
前記冷媒流路に冷却媒体を流し、前記冷却配管に前記高圧ガスを流すようにした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、前記配管にその長手方向に沿って延びるフィンを設けた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、前記筐体を本体とこれを塞ぐ蓋部とから構成し、本体または蓋部に前記複数の仕切板を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱交換器にあっては、冷却されるべき高圧ガスが流れる配管のほぼ全長が冷媒流路内に位置することになって、伝熱面積を大きくすることができ、結果的に熱交換器を小型とすることができる。
また、前記配管にフィンを設けたものでは、さらに伝熱面積が増加し、一層小型の熱交換器を得ることができる。
【００１５】
さらに、筐体を本体と蓋部とから構成し、本体または蓋部に前記複数の仕切板を設けた形態とすれば、蓋部を必要に応じて取り外すことができ、内部の高圧ガスが流れる配管を簡単に点検することができる。
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】
【００１６】
図１および図２は、本発明の熱交換器の一例を示すものである。
図１および図２において、符号１は、筐体を示す。
この筐体１は、ステンレス鋼などの金属からなる密閉箱状のもので、本体２と蓋部３とから構成されている。
【００１７】
本体２は、長方形のトレー状のもので、広い開口を有しており、この開口を平板状の蓋部３が塞ぐようになっている。蓋部３は、図示しないネジによって本体２にパッキング（図示略）を介して液密に取り付けられ、必要に応じて本体２から取り外すことができるようになっている。
【００１８】
本体２内には、多数の金属からなる仕切板４、４・・・が設けられている。この仕切板４は、本体２の長手方向に沿ってほぼ互いに平行に間隔を空けて、本体２の底部から立ち上がった状態で設けられている。
また、仕切板４の長手方向の２つの端部のうち、一方の端部が本体２の一方の側壁部と直接接しており、他方の端部は、本体２の他方の側壁部にまでは届かずに空隙が残るようになっている。
【００１９】
そして、このような仕切板４の本体２側壁部への接合形態は、互いに隣接する仕切板４、４において、交互に反対側の側壁部に接合するように構成されている。
複数の仕切板４、４・・と本体２との接合は、溶接によるもの以外に、直方体状の金属塊を削り出すことによって、本体２と複数の仕切板４、４・・が一体となったものを作製してもよい。なお、複数の仕切板４、４・・を本体２と一体化せずに、蓋部３の内面に溶接等で固着するようにしてもよい。
以上の構成により、本体２内には１本の九十九折り状の連続した、かつ屈曲した流路が形成されることになり、この流路は冷却媒体が流れる冷媒流路５とされる。
【００２０】
この冷媒流路５内には、冷却すべき高圧ガスを流す１本の冷却配管６が設けられている。この冷却配管６は、冷媒流路５内のほぼ中心に位置するように、各仕切板４、本体２の底部および蓋部３から離れて空隙をもって設けられ、その全体の形状は、冷媒流路５の形状に倣う九十九折り状の屈曲した形状になっている。
冷却配管６の冷媒流路５内での支持は、本体２の底部に取り付けられた複数の支持台７、７・・によって行われている。なお、図２では、支持台７、７・・を省略して描いている。
【００２１】
前記冷却配管６は、直管とＵ字状の曲管とを接続して形成されており、この接続には、突き合わせ溶接、継手を用いた差し込み溶接などで行われるが、接続後の接続部分が太径化しない突き合わせ溶接が、冷媒流路５内での冷却媒体の流れが乱されることや流路が狭くなることがないこと、さらには冷却媒体の流れ抵抗が増大しないなどの点で、好適である。
また、長尺の直管に曲げ加工を施して湾曲部分を形成し、同様の形状を有する冷却配管６としてもよい。
【００２２】
また、蓋部３における冷媒流路５の始端と終端とに対応する位置には冷却媒体を冷媒流路５内に導入する冷媒入口８と冷媒流路５から冷却媒体を導出する冷媒出口９とが形成されている。さらに、蓋部３における前記冷却配管６の始端と終端とに対応位置には、開口が形成され、この開口に冷却配管６の始端部６１と終端部６２とがパッキングを介して蓋部３に対して液密状態に挿通され、外部に導出されている。
【００２３】
この熱交換器では、冷媒入口８からブラインなどの冷却媒体を冷媒流路５内に流し、冷媒出口９から導出するようにし、冷却配管６の始端部６１から冷却すべき高圧水素などのガスを冷却配管６に流し、終端部６２から導出するようにすることで使用に供されることになり、熱交換効率を高めるため、冷却媒体の流れ方向とガスの流れ方向とが向流するように、それぞれを流すようになっている。
【００２４】
このような熱交換器にあっては、冷却配管６のほぼ全長が冷媒流路５内に存在するので、冷却配管６全体が熱交換に寄与し、伝熱面積が大きくなる。このため、小型化が可能になる。さらに、蓋部３を取り外すことができ、筐体１内の冷却配管６が露出するので、簡単にその接続部分を観察、点検できる。
【００２５】
この例では、筐体１の底部に冷却媒体を抜く際に使用する弁を設けることもでき、蓋部３には、運転当初に流入する空気を排気する弁を配置することもできる。
さらに、冷却配管６の外周面に冷却配管６の長手方向に延びる１以上のフィンを設けて伝熱面積を増加させてもよい。
【００２６】
また、この例の熱交換器では、筐体１の蓋部３は筐体１の表面Ａを構成するものであるが、熱交換器の使用時の設置形態によっては、筐体１の表面Ｂまたは表面Ｃを蓋部３で構成することができる。この場合には、筐体１の表面Ａを構成する側壁部に仕切板４、４・・と冷却配管６とを接合あるいは支持して一体化しておくことで、蓋部３を取り外せば冷却配管６が露出し、冷却配管６を点検することができる。
【００２７】
さらに、前記冷媒入口８に冷却媒体の温度を測定する温度センサーを設け、この温度センサーで測定した冷却媒体の温度に基づいて、冷却配管６に流すガスの流量を制御することによって、ガスを所定温度にまで冷却することができる。
【００２８】
図３および図４は、この発明の熱交換器の他の例を示すもので、このものでは全体の形状が円柱状となっている。
この例では、筐体１１は、円柱状であり、筐体１１を構成する本体１２は、有底円筒状であって、この本体１２の円形の開口を塞ぐ蓋部１３は、円板状となっている。
なお、図４においては、本体１２内部を説明するため、本体１２の円筒部分を取り除いた状態で描いてある。
【００２９】
本体１２の底部付近には、冷媒入口１４と冷媒出口（図３では隠れている）とが外周面の互いに反対側に設けられている。本体１２内には、その長手方向に本体１２内部空間をほぼ二分して空間Ａと空間Ｂとを形成する分離板１６が、本体１２の底部から開口に向けて設けられている。この分離板１６の本体１２の開口付近には開口部１７が形成され、二分された空間Ａと空間Ｂとがここで繋がるようになっている。
【００３０】
前記分離板１６の両側面と本体１２の内周壁との間には、複数の仕切板１８、１８・・が互いに平行に間隔を空けて取り付けられている。この仕切板１８の平面形状は、一部を切り欠いた半円状となっていて、その切り欠き部分が隣接する仕切板１８、１８・・間において交互に反対側に位置するように配置されている。仕切板１８、１８・・は、図示のように、空間Ａと空間Ｂにおいて同様に配置されているが、本体１２の長手方向での取り付け位置が若干異なっていてもよい。
【００３１】
このような仕切板１８、１８・・を設けることにより、冷媒入口１４から流入した冷却媒体が一方の空間Ａにある仕切板１８、１８・・の切り欠き部分をジグザグ状に開口側に向けて流れ、分離板１６の開口部１７をくぐって他方の空間Ｂに流れ込み、空間Ｂにある仕切板１８、１８・・の切り込み部分をジグザグ状に底部側に向かって流れ冷媒出口に到る１本の冷媒流路が形成されることになる。
【００３２】
また、本体１２内には、その空間Ａから空間Ｂにかけて１本の冷却配管１９が設けられている。この冷却配管１９は、複数の直管部２０、２０・・と複数のＵ字管部２１、２１・・とからなり、これら直管部２０、２０・・とＵ字管部２１、２１・・とが交互に接続されて１本の連続した管となるように構成されている。
複数の直管部２０、２０・・は、それぞれの空間Ａ、Ｂに存在する複数の仕切板１８、１８・・と蓋部１３を貫通して設けられており、複数のＵ字管部２１、２１・・のうち半数は、本体１２の底部付近に置かれ、残りのＵ字管部２１、２１・・は、蓋部１３の上方に置かれ、この部分のＵ字管部は連結ケース２２内に収められている。
【００３３】
また、この冷却配管１９の始端部２３と終端部とは、連結ケース２２から外部に導出され、その始端部２３から冷却すべきガスを導入し、終端部２４から導出できるように構成されている。
この例の熱交換器においても、冷媒入口１４から冷媒出口に向けてブラインなどの冷却媒体を流し、冷却配管１９の始端部２３から終端部２４に向けて水素などの冷却すべきガスを流すことにより、このガスを冷却できる。
そして、この例でも、冷却配管１９のほぼ全長が冷媒流路内に存在するので、伝熱面積が増大し、熱交換効率が高くなって、小型化が可能となる。また、蓋部１３を取り外すことができ、筐体１１内の冷却配管１９が露出するので、簡単にその接続部分を観察、点検できる。
【００３４】
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５は、このような方法を実施するための装置の例を示すものである。
この装置は、常温の高圧水素ガスを貯える水素容器３１・・・と、前記熱交換器１０と、冷却媒体としてのブラインなどの冷却媒体を貯える貯槽３２から概略構成されている。
【００３５】
水素容器３１からの高圧水素は、開閉弁３３、流量計３４、流量調整弁３５を介して高圧配管３６を流れ、熱交換器１０の本体の冷却配管の始端部６１に供給されるようになっている。
熱交換器１０の本体内には、貯槽３２からの冷却媒体が流量調整弁３７を介して管３８から供給され、熱交換器１０の冷媒入口８から冷媒流路に送られるようになっている。
【００３６】
熱交換器１０の冷媒流路を流れた冷却媒体は、その冷媒出口９から導出され、管４１を経て冷凍機４２に送られ、ここで冷却されて貯槽３２に循環されるようになっている。
熱交換器１０の冷却配管を流れた水素は、ここで冷却され、冷却配管の終端部６２から弁を介して低温配管３９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。
【００３７】
また、熱交換器１０に温度センサー４０が設けられ、低温配管３９を流れる水素ガスの温度を測定する温度センサー４４および高圧配管２６を流れる水素ガスの温度を測定する温度センサー４５が設けられている。
さらに、前記温度センサー４０、４４、４５からの温度信号に基づき、前記流量調整弁３５、３７の開度を制御する制御部４７が設けられている。
【００３８】
水素容器３１内の常温の高圧水素ガスは、高圧配管３６を介して、熱交換器１０の冷却配管に流れ、冷媒流路内の冷却媒体との熱交換により冷却され、低温配管３９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。
【００３９】
具体的には温度センサー４０による熱交換器１０の冷却媒体の温度と、温度センサー４４によって低温配管３９内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３５の開度を大きく、流量調整弁３７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３５の開度を小さく、流量調整弁３７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。
なお、図３および図４に示した熱交換器にあっても、同様にして、高圧水素ガスの冷却に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の熱交換器の一例を示す一部切開した概略斜視図である。
【図２】本発明の熱交換器の一例を示す一部切開した概略平面図である。
【図３】本発明の熱交換器の他の例を示す概略斜視図である。
【図４】本発明の熱交換器の他の例を示す一部省略した概略斜視図である。
【図５】本発明の熱交換器を用いた高圧水素ガス充填のための装置を示す概略構成図である。
【図６】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】
【００４１】
１・・・筐体、２・・・本体、３・・・蓋部、４・・・仕切板、５・・・冷媒流路、６・・・冷却配管
【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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