(57)【要約】  第１および第２給気冷却器を使用して、車両の燃料電池システム中の加圧された給気を冷却する方法およびシステムである。システムはさらにガス−ガス加湿器および燃料電池スタックを含む。この方法およびシステムに従うと、カソード排気はガス−ガス加湿器を通され、第１給気冷却気中の冷却剤気体としても使用される。従って、燃料電池カソード排気は加熱されるとともに含水量が低減されて、排気中の水が凝縮し、車両の下で貯留する傾向を低減させる。また、第１および第２給気冷却器を統合した三流体熱交換器も提供される。
2015511754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック、ガス−ガス給気冷却器を有する第１給気冷却器、ガス−ガス加湿器、および第２給気冷却器を有する燃料電池システムにおいて、加圧されたカソード空気流を冷却する方法であって、
（ａ）第１温度（Ｔ１）を有する前記加圧されたカソード空気流を提供する段階と、
（ｂ）前記加圧されたカソード空気流を前記第１給気冷却器に通し、前記燃料電池スタックからのカソード排気流と熱交換させる段階であって、前記カソード排気流は前記第１給気冷却器の吸入口において第２温度（Ｔ２）を有し、前記加圧されたカソード空気流は前記第１給気冷却器の排出口において第３温度（Ｔ３）まで冷却される段階と、
（ｃ）前記加圧されたカソード空気流を前記第２給気冷却器に通し、前記第２給気冷却器の冷却剤吸入口において第４温度（Ｔ４）を有する液体冷却剤または気体冷却剤と熱交換させる段階であって、前記加圧されたカソード空気流は前記第２給気冷却器の排出口において第５温度（Ｔ５）まで冷却される段階と、
（ｄ）前記加圧されたカソード空気流および前記カソード排気流を前記ガス−ガス加湿器に通す段階であって、前記ガス−ガス加湿器において前記カソード排気流から前記加圧されたカソード空気流へと水蒸気が移動される段階と、
（ｅ）前記加圧されたカソード空気流を前記燃料電池スタックのカソード空気吸入口へと通す段階と、
を備え、
前記第１給気冷却器に通す前に前記カソード排気流を前記ガス−ガス加湿器に通し、前記第２給気冷却器に通した後且つ前記燃料電池スタックの前記カソード空気吸入口へと入る前に、前記加圧されたカソード空気流を前記ガス−ガス加湿器に通す方法。
【請求項２】
正常動作条件下においてＴ２＜Ｔ３＜Ｔ１である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
正常動作条件下においてＴ４＜Ｔ５＜Ｔ３である請求項１または請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記カソード排気流は前記ガス−ガス加湿器の吸入口において第６温度（Ｔ６）であり、前記加圧されたカソード空気流は前記ガス−ガス加湿器の排出口において第７温度（Ｔ７）であり、正常動作条件下においてＴ５＜Ｔ７＜Ｔ６である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
正常動作条件下においてＴ２＜Ｔ６である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第２給気冷却器は液体−ガス給気冷却器であり、前記液体冷却剤は前記燃料電池システム内の一または複数の他の熱源から熱を吸収する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１給気冷却器によって前記加圧されたカソード空気流から除去される熱エネルギーの量は、前記第２給気冷却器によって前記加圧されたカソード空気流から除去される熱エネルギーの量よりも大きい請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
燃料電池中で使用する加圧されたカソード空気流を製造するシステムであって、
（ａ）吸入口と、前記吸入口において第２温度（Ｔ２）を有する気体冷却剤により、第１温度（Ｔ１）から第３温度（Ｔ３）へと前記加圧されたカソード空気流を冷却するためのガス−ガス給気冷却器と、を有する第１給気冷却器と、
（ｂ）冷却剤吸入口を有し、前記冷却剤吸入口において第４温度（Ｔ４）を有する液体冷却剤または気体冷却剤により、前記第３温度（Ｔ３）から第５温度（Ｔ５）へと前記加圧されたカソード空気流を冷却するための第２給気冷却器と、
（ｃ）加湿用気体からの水の移動により前記加圧されたカソード空気流の含水量を増大させるためのガス−ガス加湿器と、
（ｄ）カソード空気吸入口およびカソード排気排出口を有する燃料電池スタックと、
を備え、
前記加湿用気体は、前記燃料電池スタックの前記カソード排気排出口からのカソード排気流を含み、
前記第１給気冷却器の前記気体冷却剤は前記カソード排気流を含み、
前記第１給気冷却器は前記ガス−ガス加湿器から前記カソード排気流を受け取るように配置され、前記ガス−ガス加湿器は前記燃料電池スタックの前記カソード排気排出口から前記カソード排気流を受け取るように配置されるシステム。
【請求項９】
前記第２給気冷却器が、前記第３温度（Ｔ３）の前記加圧されたカソード空気流を前記第１給気冷却器から受け取るように、前記第１給気冷却器および前記第２給気冷却器が連続的に配置される請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２給気冷却器は液体−ガス給気冷却器であり、前記第１給気冷却器および前記第２給気冷却器は、前記加圧されたカソード空気流用の複数の流路、前記気体冷却剤用の複数の流路、および、前記液体冷却剤用の複数の流路を有する三流体給気冷却器に統合されている請求項８または請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記カソード空気吸入口は、前記ガス−ガス加湿器から前記加圧されたカソード空気流を受け取る請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
周囲温度および周囲圧力の周囲空気を受け取り、前記周囲空気を圧縮して、前記第１温度（Ｔ１）の前記加圧されたカソード空気流を生成するコンプレッサーをさらに備え、前記第１給気冷却器は、前記コンプレッサーから前記加圧されたカソード空気流を受け取る請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ガス−ガス加湿器は膜式加湿器である請求項８から請求項１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２給気冷却器はガス−ガス給気冷却器であり、前記第２給気冷却器は速度可変のファンにより冷却され、前記速度可変のファンは、所望の範囲内に前記第５温度（Ｔ５）を維持するように制御回路によって制御される請求項８または請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第２給気冷却器は、前記燃料電池スタックも含む冷却回路を通って循環する液体冷却剤によって前記加圧されたカソード空気流が冷却される液体−ガス給気冷却器であり、前記冷却回路は、前記燃料電池スタックおよび前記第２給気冷却器を通る前記液体冷却剤の流れを制御する速度可変のポンプを有する請求項８から請求項１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
第１端部および第２端部、および前記第１端部から前記第２端部まで延びる長さを有するプレートスタックとして配置される複数のプレートを備える三流体給気冷却器であって、前記プレートスタックは前記長さに沿って第１部分および第２部分に分割され、
前記三流体給気冷却器は、複数の第１冷却剤流路および複数の第２冷却剤流路と前記プレートスタック全体にわたって交互に並ぶ複数の給気流路を有し、
前記三流体給気冷却器は、
前記複数の給気流路と流れが通じている給気吸入マニホールドおよび給気排出マニホールドと、
前記複数の第１冷却剤流路と流れが通じている第１冷却剤吸入マニホールドおよび第１冷却剤排出マニホールドと、
前記複数の第２冷却剤流路と流れが通じている第２冷却剤吸入マニホールドおよび第２冷却剤排出マニホールドと、
をさらに備え、
前記給気吸入マニホールドおよび前記給気排出マニホールドは、前記プレートスタックの向かい合った複数の端部に近接して配置され、
前記複数の第１冷却剤流路は前記プレートスタックの前記第２部分に沿って延び、前記第１冷却剤吸入マニホールドは前記プレートスタックの前記第２端部に配置され、前記第１冷却剤排出マニホールドは前記プレートスタックの前記第２部分においてリブに近接して配置され、
前記複数の第２冷却剤流路は前記プレートスタックの前記第１部分に沿って延び、前記第２冷却剤吸入マニホールドは前記プレートスタックの前記第１部分において前記リブに近接して配置され、前記第２冷却剤排出マニホールドは前記プレートスタックの前記第１端部に配置される三流体給気冷却器。
【請求項１７】
前記給気吸入マニホールド、前記給気排出マニホールド、前記第１冷却剤吸入マニホールド、前記第１冷却剤排出マニホールド、前記第２冷却剤吸入マニホールド、および、前記第２冷却剤排出マニホールドは、前記プレートスタックにより一体的に形成され、前記プレートスタックによって包囲される請求項１６に記載の三流体給気冷却器。
【請求項１８】
前記複数の給気流路は、前記プレートスタックの前記長さの全体に沿って延びる請求項１７に記載の三流体給気冷却器。
【請求項１９】
前記プレートスタックの前記第１部分を前記第２部分から分割する複数のリブをさらに備え、
前記複数のリブのそれぞれは、前記プレートスタックの前記複数のプレートのうちの一のプレートに形成され、前記一のプレートを横切って延び、前記複数の第２冷却剤流路の一つから前記複数の第１冷却剤流路の一つを分離し、
前記複数のリブが、前記複数の第２冷却剤流路から前記複数の第１冷却剤流路を分離する請求項１８に記載の三流体給気冷却器。
【請求項２０】
前記給気吸入マニホールドは前記プレートスタックの前記第１端部に配置され、前記給気排出マニホールドは前記プレートスタックの前記第２端部に配置される請求項１６から請求項１９のいずれか１項に記載の三流体給気冷却器。
【請求項２１】
前記プレートスタックは、複数の第１コアプレートおよび複数の第２コアプレートを有し、前記複数の第１コアプレートのそれぞれおよび前記複数の第２コアプレートのそれぞれは、直立壁によって囲まれた平らなプレート底部を有し、
前記複数の第１コアプレートのそれぞれの前記平らなプレート底部は、前記複数の第２コアプレートのうちの隣接する一の第２コアプレートの前記平らなプレート底部に対して密封され、自身のプレート底部に沿って一緒に密封された第１コアプレートおよび第２コアプレートの複数の対は、平らなセパレータプレートによって分離される請求項１６から請求項２０のいずれか１項に記載の三流体給気冷却器。
【請求項２２】
複数のプレートから成る前記複数の対のそれぞれにおいて、前記第１コアプレートおよび前記第２コアプレートの少なくとも一方の前記平らなプレート底部に少なくとも１つの穴が設けられる請求項２１に記載の三流体給気冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１２年２月２７に出願された、米国特許仮出願第６１／６０３，７３４号からの優先権の利益を主張し、その開示内容を参照によりここに組み込む。
【０００２】
本発明は、車両用燃料電池システムのカソード熱管理方法およびシステムに関し、また、そのような方法およびシステムにおいて使用されてよいが、気体の冷却が必要とされる他のシステムにおける使用にも適合されている、三流体給気冷却器に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池のカソードは、エアコンプレッサによって燃料電池の動作圧力まで高められた加圧された給気を利用している。圧縮の間、空気は約２００℃またはそれよりも高い温度に加熱され得るが、これは、燃料電池の動作温度よりもかなり高い。従って、加圧された給気が燃料電池スタックに到達する前に、そして、エアコンプレッサと燃料電池スタックとの間に並ぶであろう加湿器に到達する前に、加圧された給気を所望の温度まで冷却するために給気冷却器が使用される。
【０００４】
従来のカソード熱管理システムは、給気から熱を除去するための液体−気体給気冷却器を使用している。液体冷却剤は通常、水または水−グリコール混合物であり、これが燃料電池冷却システムを通って循環される。液体冷却剤によって吸収された熱は、続いて、車両のフロントにあるラジエータのような熱交換器を通して、大気へと排出される。燃料電池エンジン自体も廃熱を発生する。この廃熱は、比較的低いスタック動作温度のために、低位熱である。この低位熱の排出は、通常、比較的大きなラジエータを必要とする。また、この同じラジエータを通って排出される給気冷却器からの熱負荷が加えられるので、車両のフロントスペースにラジエータを収めることが困難になるぐらいまで、ラジエータのサイズをさらに増大させる。従って、給気の冷却は、燃料電池の冷却システムに付加的な負荷を与え、既に限られたスペース内に実装することを困難にする。そうした従来技術のカソード熱管理システムの例を図１Ａに示す。
【０００５】
給気が適切な温度まで冷却されることを確実にしながらも、燃料電池冷却システムに対する熱負荷を低減するための、カソード熱管理に対する代替手段が必要とされている。さらに、燃料電池エンジンの冷却における寄生エネルギー損失を低減することが望まれている。
【発明の概要】
【０００６】
１つの側面においては、燃料電池スタック、ガス−ガス給気冷却器を有する第１給気冷却器、ガス−ガス加湿器、および第２給気冷却器を備える燃料電池システムにおいて、加圧されたカソード空気流を冷却する方法が提供される。この方法は、（ａ）第１温度（Ｔ１）を有する上記加圧されたカソード空気流を提供する段階と、（ｂ）上記加圧されたカソード空気流を上記第１給気冷却器に通し、上記燃料電池スタックからのカソード排気流と熱交換させる段階であって、上記カソード排気流は上記第１給気冷却器の吸入口において第２温度（Ｔ２）を有し、上記加圧されたカソード空気流は上記第１給気冷却器の排出口において第３温度（Ｔ３）まで冷却される段階と、（ｃ）上記加圧されたカソード空気流を上記第２給気冷却器に通し、上記第２給気冷却器の冷却剤吸入口において第４温度（Ｔ４）を有する液体冷却剤または気体冷却剤と熱交換させる段階であって、上記加圧されたカソード空気流は上記第２給気冷却器の排出口において第５温度（Ｔ５）まで冷却される段階と、（ｄ）上記加圧されたカソード空気流および上記カソード排気流を上記ガス−ガス加湿器に通す段階であって、上記ガス−ガス加湿器において上記カソード排気流から上記加圧されたカソード空気流へと水蒸気が移動される段階と、（ｅ）上記加圧されたカソード空気流を上記燃料電池スタックのカソード空気吸入口へと通す段階とを備える。上記第１給気冷却器に通す前に上記カソード排気流を上記ガス−ガス加湿器に通し、上記第２給気冷却器に通した後且つ上記燃料電池スタックの上記カソード空気吸入口へと入る前に、上記加圧されたカソード空気流を上記ガス−ガス加湿器に通す。
【０００７】
ある実施例においては、正常動作条件下において温度はＴ２＜Ｔ３＜Ｔ１および／またはＴ４＜Ｔ５＜Ｔ３である。
【０００８】
ある実施例においては、上記カソード排気流は上記ガス−ガス加湿器の吸入口において第６温度（Ｔ６）であり、上記加圧されたカソード空気流は上記ガス−ガス加湿器の排出口において第７温度（Ｔ７）であり、正常動作条件下においてＴ５＜Ｔ７＜Ｔ６である。また、いくつかの実施例においては、正常動作条件下においてＴ２＜Ｔ６である。
【０００９】
ある実施例においては、上記第２給気冷却器は液体−ガス給気冷却器であり、上記液体冷却剤は上記燃料電池システム内の一または複数の他の熱源から熱を吸収する。
【００１０】
ある実施例におていは、上記第１給気冷却器によって上記加圧されたカソード空気流から除去される熱エネルギーの量は、上記第２給気冷却器によって上記加圧されたカソード空気流から除去される熱エネルギーの量よりも大きい。
【００１１】
別の側面においては、燃料電池中で使用する加圧されたカソード空気流を製造するシステムが提供される。このシステムは、（ａ）第１給気冷却器の吸入口において第２温度（Ｔ２）を有する気体冷却剤により、第１温度（Ｔ１）から第３温度（Ｔ３）へと上記加圧されたカソード空気流を冷却するためのガス−ガス給気冷却器を有する上記第１給気冷却器と、（ｂ）第２給気冷却器の冷却剤吸入口において第４温度（Ｔ４）を有する液体冷却剤または気体冷却剤により、Ｔ３から第５温度（Ｔ５）へと上記加圧されたカソード空気流を冷却するための上記第２給気冷却器と、（ｃ）加湿用気体からの水の移動により上記加圧されたカソード空気流の含水量を増大させるためのガス−ガス加湿器と、（ｄ）カソード空気吸入口およびカソード排気排出口を有する燃料電池スタックとを備える。上記加湿用気体は、上記燃料電池スタックの上記カソード排気排出口からのカソード排気流を含む。上記第１給気冷却器の上記気体冷却剤は上記カソード排気流を含む。上記第１給気冷却器は上記ガス−ガス加湿器から上記カソード排気流を受け取るように配置され、上記ガス−ガス加湿器は上記燃料電池スタックの上記カソード排気排出口から上記カソード排気流を受け取るように配置される。
【００１２】
ある実施例においては、上記第３温度（Ｔ３）の上記加圧されたカソード空気流を、上記第１給気冷却器から上記第２給気冷却器が受け取るように、上記第１給気冷却器および上記第２給気冷却器が連続的に配置される。
【００１３】
ある実施例においては、上記第２給気冷却器は液体−ガス給気冷却器であり、上記第１給気冷却器および上記第２給気冷却器は、上記加圧されたカソード空気流用の複数の流路、上記気体冷却剤用の複数の流路、および、上記液体冷却剤用の複数の流路を有する三流体給気冷却器に統合されている。
【００１４】
ある実施例においては、上記カソード空気吸入口は、膜式加湿器であってよい上記ガス−ガス加湿器から上記加圧されたカソード空気流を受け取る。
【００１５】
ある実施例においては、周囲温度および周囲圧力の周囲空気を受け取り、上記周囲空気を圧縮して、上記第１温度（Ｔ１）の上記加圧されたカソード空気流を生成するコンプレッサーをシステムがさらに備え、上記第１給気冷却器は、上記コンプレッサーから上記加圧されたカソード空気流を受け取る。
【００１６】
ある実施例においては、上記第２給気冷却器はガス−ガス給気冷却器であり、上記第２給気冷却器は速度可変のファンにより冷却され、上記速度可変のファンは、所望の範囲内に上記温度Ｔ５を維持するように制御回路によって制御される。
【００１７】
ある実施例においては、上記第２給気冷却器は、上記燃料電池スタックも含む冷却回路を通って循環する液体冷却剤によって上記加圧されたカソード空気流が冷却される液体−ガス給気冷却器であり、上記冷却回路は、上記燃料電池スタックおよび上記第２給気冷却器を通る上記液体冷却剤の流れを制御する速度可変のポンプを有する。
【００１８】
さらに別の側面においては、三流体給気冷却器が提供される。給気冷却器は、第１端部および第２端部、および上記第１端部から上記第２端部まで延びる長さを有するプレートスタックとして配置される複数のプレートを備える。上記プレートスタックはその長さに沿って第１部分および第２部分に分割される。給気冷却器は、複数の第１冷却剤流路および複数の第２冷却剤流路と上記プレートスタック全体にわたって交互に並ぶ複数の給気流路を有する。三流体給気冷却器はさらに、上記複数の給気流路と流れが通じている給気吸入マニホールドおよび給気排出マニホールドと、上記複数の第１冷却剤流路と流れが通じている第１冷却剤吸入マニホールドおよび第１冷却剤排出マニホールドと、上記複数の第２冷却剤流路と流れが通じている第２冷却剤吸入マニホールドおよび第２冷却剤排出マニホールドとを備える。ここで、上記給気吸入マニホールドおよび上記給気排出マニホールドは、上記プレートスタックの向かい合った端部に近接して配置される。また、上記複数の第１冷却剤流路は上記プレートスタックの上記第２部分に沿って延び、上記第１冷却剤吸入マニホールドは上記プレートスタックの上記第２端部に配置され、上記第１冷却剤排出マニホールドは上記プレートスタックの上記第２部分においてリブに近接して配置される。また、上記複数の第２冷却剤流路は上記プレートスタックの上記第１部分に沿って延び、上記第２冷却剤吸入マニホールドは上記プレートスタックの上記第１部分において上記リブに近接して配置され、上記第２冷却剤排出マニホールドは上記プレートスタックの上記第１端部に配置される。
【００１９】
ある実施例においては、上記した、給気用、第１冷却剤用および第２冷却剤用の吸入マニホールドおよび排出マニホールドは、上記プレートスタックにより一体的に形成され、上記プレートスタックによって包囲される。上記複数の給気流路は、上記プレートスタックの全長に沿って延びてよい。上記三流体給気冷却器は、上記スタックの上記第１部分を上記第２部分から分割する複数のリブをさらに備えてよい。上記複数のリブのそれぞれは、上記プレートスタックの上記複数のプレートのうちの一のプレートに形成され、上記一のプレートを横切って延び、上記複数の第２冷却剤流路の一つから上記複数の第１冷却剤流路の一つを分離する。これによって、上記複数のリブが、上記複数の第２冷却剤流路から上記複数の第１冷却剤流路を分離する。
【００２０】
ある実施例においては、上記給気吸入マニホールドは上記プレートスタックの上記第１端部に配置され、上記給気排出マニホールドは上記プレートスタックの上記第２端部に配置される。
【００２１】
ある実施例においては、上記プレートスタックは、複数の第１コアプレートおよび複数の第２コアプレートを有し、上記複数の第１コアプレートのそれぞれおよび上記複数の第２コアプレートのそれぞれは、直立壁によって囲まれた平らなプレート底部を有する。また、上記複数の第１コアプレートのそれぞれの上記平らなプレート底部は、上記複数の第２コアプレートのうちの隣接する一の第２コアプレートの上記平らなプレート底部に密封され、自身のプレート底部に沿って一緒に密封された第１および第２コアプレートの複数の対は、平らなセパレータプレートによって分離される。複数のプレートから成る上記対のそれぞれにおいて、上記第１および第２コアプレートの少なくとも一方の上記平らなプレート底部に少なくとも１つの穴が設けられてよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
ここからは図面を参照しつつ、以下のように本発明の実施例を議論する。
【００２３】
【図１Ａ】燃料電池システムのカソード熱管理に対する従来の方法およびシステムを示す概略図である。
【００２４】
【図１Ｂ】発明の第１の実施例に従った、燃料電池システムのカソード熱管理に対する方法およびシステムを示す概略図である。
【００２５】
【図１Ｃ】発明の第２の実施例に従った、燃料電池システムのカソード熱管理に対する方法およびシステムを示す概略図である。
【００２６】
【図２】第１の実施例に従った熱交換器のコアの上面斜視図である。
【００２７】
【図３】その第１コアプレートの上面斜視図である。
【００２８】
【図４】第１コアプレートの底面斜視図である。
【００２９】
【図５】その第２コアプレートの上面斜視図である。
【００３０】
【図６】第２コアプレートの底面斜視図である。
【００３１】
【図７】セパレータプレートの上面斜視図である。
【００３２】
【図８】第１実施例の熱交換器のコアの上部、前面斜視図である。
【００３３】
【図９】図８の線９−９'に沿った横断面である。
【００３４】
【図１０】図８の線１０−１０'に沿った横断面である。
【００３５】
【図１１】図８の線１１−１１'に沿った横断面である。
【００３６】
【図１２】第２実施例に従った熱交換器のコアの上面斜視図である。
【００３７】
【図１３】その第１コアプレートの上部平面図である。
【００３８】
【図１４】第１コアプレートの底面斜視図である。
【００３９】
【図１５】その第２コアプレートの上面斜視図である。
【００４０】
【図１６】第２コアプレートの底面斜視図である。
【００４１】
【図１７】図１２の線１７−１７'に沿った横断面である。
【００４２】
【図１８】図１２の線１８−１８'に沿った横断面である。
【００４３】
【図１９】図１２の線１９−１９'に沿った横断面である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下は、図面に示された本発明の実施例の記載である。
【００４５】
燃料電池システムにおける加圧されたカソード空気流を冷却および加湿するための方法およびシステムを、図１Ｂおよび１Ｃを参照しつつ以下に説明する。以下の記載は、燃料電池システム内における様々な流体の流れの特定の温度について言及する。ここで言及されるいかなる温度も単に例示目的であり、本発明を限定するものでないことは認識されるであろう。さらに、ここに開示される温度は定常状態下または正常動作条件下での流体の温度を示すものであり、コールドスタート条件下またはその他の非定常条件下では、著しい温度変動があってよい。正常動作条件下では、燃料電池スタック中のパワーレベルは急激には変化しておらず、スタックによって生成される発熱の大部分は燃料電池の冷却システムによって吸収され、燃料電池のエネルギーの少量がカソード流を加熱してスタックのカソード側で水の取り込みを補助するために使用される。
【００４６】
図１Ｂおよび１Ｃはそれぞれ、燃料電池エンジン、特に加圧および加湿されたカソード空気の供給を使用する自動車用燃料電池エンジンシステム１０を有する車両の多くの構成要素、特に燃料電池のカソードへのこの空気の供給に関連する構成要素を概略的に示す。
【００４７】
示されているシステム１０は、周囲温度および周囲圧力の空気を受け取り、燃料電池スタックへ導入するのに適した圧力までこの空気を圧縮するエアコンプレッサ１２を備える。周囲空気の圧縮により、周囲温度から、ここでは第１温度Ｔ１とする高められた温度まで、この空気の温度を上昇させる。通常の燃料電池システムにおいては、エアコンプレッサ１２中での周囲空気の圧縮により、約２００℃の温度を有する圧縮空気が生成される。温度Ｔ１は、燃料電池の動作温度（および、燃料電池の上流に設けられてよい加湿器の最大許容温度）よりもかなり高い。従って、エアコンプレッサ１２によって生成された加圧されたカソード空気流は、加湿器および／または燃料電池スタックへの導入に先立って冷却されなくてはならない。
【００４８】
システムは、ガス−ガス給気冷却器（gas-to-gas charge air cooler）である第１給気冷却器１４をさらに備える。第１給気冷却器１４は、エアコンプレッサ１２から加圧されたカソード空気流を受け取る。第１給気冷却器１４は、温度Ｔ１の加圧されたカソード空気流を受け取るカソード空気吸入口、および、第３温度Ｔ３の加圧されたカソード空気流を排出するカソード空気排出口を含む。ここでＴ３＜Ｔ１である。第１給気冷却器１４は、燃料電池カソード排気から引き込まれ、第２温度Ｔ２を有する気体冷却剤を用いて、加圧されたカソード空気流をＴ１からＴ３へと冷却する。ここで、燃料電池システムの定常状態または正常動作条件下ではＴ２＜Ｔ３＜Ｔ１である。コールドスタートおよび非定常条件下においては、これらの相対温度においていくらかの変動があってよい。
【００４９】
第１給気冷却器１４は、温度Ｔ２の気体冷却剤を受け取るための冷却剤吸入口、および、第１給気冷却器１４から気体冷却剤を排出するための冷却剤排出口をさらに備える。本発明のある実施例においては、気体冷却剤の温度Ｔ２は約９０から１００℃、例えば約９４℃である。気体冷却剤は、加圧されたカソード空気流によって、第１給気冷却器１４の冷却剤排出口において約１７５℃の温度まで加熱される。第１給気冷却器１４から排出される加熱された気体冷却剤は、周囲環境中に排出されてよく、あるいは、システム１０内のどこか他のところで熱源として使用されてよい。
【００５０】
システム１０は、加圧されたカソード空気流を温度Ｔ３から第５温度Ｔ５まで冷却するための第２給気冷却器１６をさらに備える。第２給気冷却器１６は、第２のガス−ガス給気冷却器であってよく、温度Ｔ５を制御するための制御された速度可変のファンを使用してよい。第２給気冷却器１６が液体冷却材を使用するかまたは気体冷却剤を使用するかに関係なく、冷却剤は第４温度Ｔ４を有する。ここで、燃料電池システムの定常状態または正常動作条件下では、Ｔ４＜Ｔ５＜Ｔ３である。コールドスタートおよび非定常条件下においては、これらの相対温度においていくらかの変動があってよい。定常状態または正常動作条件下では、温度Ｔ５は約８５から９５℃であってよく、例えば約９０℃であってよい。第２給気冷却器１６が液体冷却剤を使用するようなシステム１０の変形が、図１Ｃを参照しつつ以下に記載される。
【００５１】
第２給気冷却器１６は、温度Ｔ３の加圧されたカソード空気流を受け取るカソード空気吸入口、および、温度Ｔ５の加圧されたカソード空気流を排出するカソード空気排出口を含む。第２給気冷却器１６は、温度Ｔ４の気体または液体冷却剤を受け取る冷却剤吸入口、および、第２給気冷却器１６から冷却剤を排出する冷却剤排出口をさらに備える。
【００５２】
第２給気冷却器１６は、広い動作条件範囲において、特に、冷却の必要性が急激に増すような特定の非定常条件下において、十分な冷却を確実にすることを支援する自己安定化機能を実行する。この自己安定化機能は、第２給気冷却器１６を出る給気の十分且つ一貫した冷却を確実にする。燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの上流に設けられるであろう膜式加湿器の比較的低い動作温度および狭い動作温度範囲の観点からすると、このことは特に重要である。そのどちらも、典型的な平均の動作温度は約８０から１００℃の範囲内である。しかしながら、第２給気冷却器１６の出口温度Ｔ５に対するアクティブ制御は全く無くてもよいことが認識されるであろう。燃料電池スタック２０を出るカソード排気ガスの比較的一定な温度Ｔ６は、スタック２０が完全に温まった（ホットな）定常状態条件からの加速のような非定常条件下における加湿器の過熱を防ぐ。これは、そのような条件下ではＴ６はＴ５よりも低いためである。
【００５３】
第２給気冷却器１６が空冷式である場合、第２給気冷却器１６に速度可変のファン（不図示）を設けることによって自己安定化が実現される。その動作は、燃料電池スタック２０の入口温度Ｔ７および／または第２給気冷却器１６の出口温度Ｔ５をモニターするためのサーミスタまたは熱電対を使用した制御回路によって制御される。
【００５４】
第２給気冷却器１６が水または水／グリコール冷却剤によって冷却される場合、水のより大きな熱容量によって自己安定化が提供される。例えば図１Ｃに示されるように、第２給気冷却器１６および燃料電池スタック２０は、共通の冷却回路２１内に含まれてよい。そこでは、速度可変のポンプ２３が回路２１を通る冷却剤流量を制御する。回路２１は、主スタックラジエータ２５、および主スタックラジエータに設けられた速度可変のファン２７を含む。第２給気冷却器１６の存在は、ファン２７およびポンプ２３の援助を得てシステムを安定化させ、変動する動作条件下においてまたはシステム１０内の別の構成要素が万一機能不全になった場合において、燃料電池スタック入口温度Ｔ７を一貫した温度に維持することを支援する。燃料電池スタック２０の正確な温度制御を確実にするために、ラジエータ２５およびファン２７はスタック２０の上流に設けられるように図１Ｃには示されており、例えば、ラジエータ２５を出る液体冷却剤の温度が、本質的にスタック２０によって受け取られる液体冷却剤の温度と同じであるように、スタック２０の直接上流であってよい。
【００５５】
スタック入口温度Ｔ７は、例えばセンサおよび制御ループ（不図示）によって能動的に制御されてよい。スタック入口温度および出口温度Ｔ７およびＴ６はセンサによって測定され、Ｔ６が高過ぎる場合には、ポンプ２３の速度を増大することによって共通の冷却回路２１中の冷却剤流が増加される。これは、スタック２０および第２給気冷却器１６の両者における冷却を増大する。逆にＴ７が低過ぎる場合には、回路２１中の冷却剤流は、ポンプ２３の速度を低減することにより減少される。これにより、同時にスタック２０および第２給気冷却器１６の両者の冷却を低減する。
【００５６】
システム１０は、加圧されたカソード空気流の含水量を、燃料電池スタックに導入するために許容される湿度レベルまで増大させるための、ガス−ガス加湿器（gas-to-gas humidifier）１８をさらに備える。ある実施例においては、ガス−ガス加湿器１８は、その開示内容全体が参照によりここに組み込まれる米国特許出願公開第２０１２／０１８１７１２号明細書に記載される膜式加湿器を備えてよい。
【００５７】
加湿器１８は、比較的低い湿度レベルを有する加圧されたカソード空気流を受け取るためのカソード空気吸入口、および、比較的高い湿度レベルの加圧されたカソード空気流を排出するためのカソード空気排出口を含む。加湿器１８は、加圧されたカソード空気流へと移動されるべき水を含む気体を受け取るための加湿用気体吸入口、および、水分が奪われた加湿用気体を加湿器１８から排出するための加湿用気体排出口をさらに備える。
【００５８】
加圧されたカソード空気流は、冷却および加湿された後、燃料電池スタック２０へと流れる。燃料電池スタック２０は、加圧されたカソード空気流を受け取るためのカソード空気吸入口、および燃料電池スタック内で起こる化学反応によって生成されるカソード排気ガスを排出するためのカソード排気排出口を有する。燃料電池スタック２０は、システム１０の構成要素とみなしてもよいし、あるいは、燃料電池システムとは別個の構成要素とみなしてもよい。
【００５９】
加湿器１８は、その比較的大きな表面積によって効果的な熱交換器となる。また、燃料電池スタック２０の直前に位置することは、システム１０を安定化させ、万一、システム１０の非定常条件または機能不全によって加圧されたカソード空気流の温度の急上昇が引き起こされても、燃料電池スタック２０における一貫した入口温度を維持することを支援する。従って、第２レベルの自己安定化が加湿器１８によって提供される。これは、第２給気冷却器１６での第１レベルの安定化でも残ってしまった、加圧されたカソード空気システム中のあらゆる一時的な温度の逸脱に対処するために、比較的安定なカソード排気ガスの温度Ｔ６を利用している。
【００６０】
図１Ｂおよび１Ｃに示される実施例においては、第１給気冷却器１４から温度Ｔ３の加圧されたカソード空気流を第２給気冷却器１６が受け取るように、第１および第２給気冷却器が連続的に配置されている。第２給気冷却器１６に対して第１給気冷却器１４を上流に（すなわち、加圧されたカソード空気流の流れの方向に）設けることは、特に、第２給気冷却器１６が、燃料電池システムにおいて熱を生成する他の構成要素と冷却剤を共有する液体−ガス給気冷却器（liquid-to-gas charge air cooler）である場合には有利となり得る。正常動作条件下では、加圧されたカソード空気流から除去される熱エネルギーの大部分は第１給気冷却器１４によって除去され、より少ない量の熱エネルギーが、第２給気冷却器１６によって加圧されたカソード空気流から除去されるであろう。その結果、給気流からの廃熱の大部分は、少なくとも正常動作条件下においては、燃料電池冷却システムによって吸収されるよりもむしろ大気へと排出される。これは、いくつかの利点を生じ得る。例えば、燃料電池システムにおける本発明のシステムおよび方法を使用することは、燃料電池エンジンの冷却システムにかかる熱負荷を低減することを支援することが可能であり、より小さいラジエータの使用を可能とさせ、車両のフロントエンド内の空間を確保することができよう。同時に、非定常条件下におけるカソード空気流のより大きな冷却の要求を、冷却システムが満たすことができる。本発明のシステムおよび方法は、全システムの熱負荷のより多くを液体冷却システムから逸らすことによって、ラジエータファンの動作による損失のような、燃料電池エンジンの冷却システムにおける寄生エネルギー損失を低減することもできる。
【００６１】
標準的な技法と比べた場合の本発明のシステムおよび方法のさらなる利益は、燃料電池カソード排気が、車両の下での水の凝縮、および、水または氷（冬季の動作の場合）の貯留を引き起こすのに十分に低い温度である約８０−９０℃ではもはや大気に排出されないことである。その代わりに、本発明のシステムおよび方法は、給気流を冷却するために使用された後、燃料電池排気をより高温へと加熱させる。加熱された排気を、より高温で周囲空気へと排気することにより、局所的な凝縮、および、水または氷の貯留を回避することができる。
【００６２】
ある例においては、カソード空気流の圧縮はカソード空気流に対して１４．５ｋＷの熱エネルギーを付加し、約１０．５ｋＷの廃熱が圧縮されたカソード空気流から除去される。第１給気冷却器は約１０ｋＷの熱エネルギーを除去し、第２給気冷却器１６は約０．５ｋＷの熱エネルギーを除去する。これは、そうでなければ燃料電池の液体冷却システムへと排出されるであろう熱の約１０ｋＷの低減に当たる。
【００６３】
ひとたび温度Ｔ５へと冷却されると、加圧されたカソード空気流は、第２給気冷却器１６からガス−ガス加湿器１８へと流れる。
【００６４】
燃料電池スタック２０から出るカソード排気流は、通常、約９０から１００℃の温度を有する。これは、燃料電池スタック２０へと入る加圧されたカソード空気流の温度よりもわずかに高い。さらに、燃料電池スタック内での水の生成により、カソード排気流の水分レベルは相対的に高い。従って、本発明においては、加湿器１８を流れる加湿用気体は、燃料電池スタック２０のカソード排気排出口からのカソード排気流を含む。加湿器１８による燃料電池排気からの水の除去はまた、排気の相対湿度を低減させる。
【００６５】
加湿器１８中では比較的少量の熱交換が起こってもよい。例えば上記のように、燃料電池スタック２０を出るカソード排気ガスの温度（図１Ｂおよび１Ｃ中ではＴ６で表される）は、通常、加湿器１８から燃料電池スタック２０へと供給される加圧されたカソード空気流の温度（図１Ｂおよび１Ｃ中ではＴ７で表される）よりもわずかに高い。本発明のある実施例においては、Ｔ６は約９５から１００℃であって例えば約９６℃であり、これに対してＴ７は通常約９０から９５℃であって例えば約９２℃である。ここでＴ５＜Ｔ７＜Ｔ６である。これらはやはり定常状態または通常の動作中の燃料電池システム内の典型的な温度であり、コールドスタートおよび非定常条件下においては異なったものであってよい。
【００６６】
従って、カソード排気流は、わずかに高められた温度Ｔ６で加湿器１８に入る。そして、温度Ｔ５で加湿器１８に入る加圧されたカソード空気流によって、わずかに冷却される。その結果、燃料電池スタック２０の排出口における温度Ｔ６よりもわずかに低い温度Ｔ２で、カソード排気流は加湿器１８を出るだろう。冷却および／または加湿用気体としてカソード排気流を使用することにより、加圧されたカソード空気流を燃料電池中で使用されるのに適した温度まで冷却し、カソード空気流の過剰な冷却または冷却の不足を回避することができることが上述の議論からわかる。
【００６７】
図１Ｂおよび１Ｃに示されるように、カソード排気流は温度Ｔ２で加湿器１８を出て、エアコンプレッサ１２のすぐ下流側に配置されてよいガス−ガス給気冷却器１４へと流れる。
【００６８】
図１Ｂおよび１Ｃに従って、加圧されたカソード空気流を冷却および加湿する方法が以下に記載される。
【００６９】
上述の通り燃料電池システムは、燃料電池スタック２０、第１給気冷却器１４、第２給気冷却器１６、およびガス−ガス加湿器１８を備えてよい。
【００７０】
本発明に従うと、加圧されたカソード空気流が、例えばエアコンプレッサ１２から温度Ｔ１で供給される。次いで加圧されたカソード空気流はガス−ガス給気冷却器１４を通され、燃料電池スタック２０からのカソード排気流へと熱を移動させる。カソード排気流は第１給気冷却器１４の吸入口において第２温度Ｔ２を有し、これにより加圧されたカソード空気流は第１給気冷却器１４の排出口において第３温度Ｔ３まで冷却される。ここで、定常状態または正常動作条件下ではＴ２＜Ｔ３＜Ｔ１である。
【００７１】
次いで加圧されたカソード空気流は第２給気冷却器１６を通され、第２給気冷却器１６の吸入口において温度Ｔ４を有する気体または液体冷却剤へと熱を移動させる。これにより加圧されたカソード空気流は、第２給気冷却器１６の排出口において温度Ｔ５まで冷却される。ここで、定常状態または正常動作条件下では、Ｔ４＜Ｔ５＜Ｔ３である。
【００７２】
次いで加圧されたカソード空気流はガス−ガス加湿器１８を通される。ここでは、加圧されたカソード空気流の含水量によって、カソード排気流から水が吸収される。
【００７３】
上記のように、ひとたび加圧されたカソード空気流が冷却および加湿されると、それは燃料電池スタック２０のカソード空気吸入口へと通される。
【００７４】
ここでは加圧されたカソード空気流を冷却および加湿するためのシステムおよび方法を記載してきたが、以下は、本発明に従った三流体給気冷却器の記載である。これは、図１Ｂおよび１Ｃに概略的に示される第１給気冷却器１４と第２給気冷却器１６とを統合するものである。ここに記載される三流体給気冷却器は本発明に従ったシステムおよび方法における使用に適合されているが、熱い気体流を冷却するためのその他多くの用途に使用されてもよい。
【００７５】
本発明の第１の実施例に従った三流体給気冷却器１００が、図２から図１１を参照しつつ以下に記載される。図面は熱交換器１００のコア２２の一部分を示している。熱交換器１００は、上部プレート、底部プレート、車両の別の構成要素へと熱交換器１００を設置するためのベースプレート、給気および冷却剤用の吸入口および排出口接続部材等のようなその他の構成要素も含むであろうが、そられはいずれも図面中には示されていないことが認識されるであろう。これらの構成要素は従来からのものであり、その外観や位置は、少なくとも部分的には、空間的な制限によって決定づけられてよい。例えば、給気および冷却剤用の吸入開口および排出開口および接続部材の具体的な位置や構成は、車両の吸気システムおよび燃料電池システムの具体的な構成に依存し、用途ごとに変化するであろう。
【００７６】
コア２２は"自己閉鎖的"であって、これは、コア２２を形成する複数のプレートのスタック内にマニホールドおよび流路が完全に包囲されることを意味する。従って、熱交換器１００のコア２２は、別個のハウジング内に包囲される必要が無い。
【００７７】
コア２２は、給気と冷却剤とに対する交互の流路を形成するために、（例えばろう付けによって）一緒に連結された複数のプレートから形成される。コア２２は、複数の第１コアプレート２４、複数の第２コアプレート２６、および、複数の平らなセパレータプレート２８を含む。
【００７８】
プレート２４、２６、２８、およびコア２２は細長く、図２に示される縦軸Ａを定義する。全てのプレートおよびコア２２は、少なくとも概して軸Ａに平行な長い側面と、軸Ａを横切る比較的短い端部とを含む。
【００７９】
熱交換器１００は給気吸入マニホールド３０を含む。これは、示される実施例においてはコア２２の長手側に沿って角に隣接して配置され、各プレート２４、２６、および２８における位置合わせされた給気吸入開口３２、３４、および３６から形成される。給気吸入マニホールド３０はコア２２の高さ全体にわたって延びる。組み立てられた熱交換器１００においては、給気吸入マニホールド３０の一端は、上部プレートまたは底部プレートによって塞がれ、マニホールド３０の他端は、吸入口接続部材（不図示）を介してエアコンプレッサ１２から熱い加圧された給気を受け取るであろう。給気吸入マニホールド３０の正確な位置、形状、および外観は、図面に示されたものから変化してよいことは認識されるであろう。
【００８０】
給気排出マニホールド３８はコア２２の側面に沿って角に隣接して配置される。給気吸入マニホールド３０および給気排出マニホールド３８は、コア２２の向かい合った端部に隣接して配置され、示されるように、コア２２の対角線上に向かい合った角に配置されてよい。給気排出マニホールド３８は、各コアプレート２４、２６、および２８における位置合わせされた給気排出開口４０、４２、および４４から形成される。給気排出マニホールド３８は、コア２２の高さ全体にわたって延びる。マニホールド３８の一端は上部プレートまたは底部プレートによって塞がれ（不図示）、反対側の端には、冷却された給気をガス−ガス加湿器１８へと排出するための排出口接続部材（不図示）が備えられるであろう。図面中に示される給気排出マニホールド３８の正確な位置、形状、および外観は必須なわけではない。マニホールド３０および３８は、それらが互いに対して真向かいにあるか、あるいは対角線上の向かい側にあるかには関係なく、コア２２の向かい合った端部に配置されていれば十分である。例えば、吸入マニホールド３０および排出マニホールド３８は、対角線上の向かい合った角よりも、むしろコア２２の同じ側に沿って配置されてよい。あるいは、コア２２の端部に沿って任意の点に配置されてもよい。
【００８１】
第１コアプレート２４は、上面４６および底面４８を有する。図２に示される上面４６を見ると、プレート２４は、プレート２４の給気吸入開口３２および給気排出開口４０と同一平面上にあるプレート底部５０を有する。プレート底部５０およびプレート２４の外周は、隣接するプレートに対して密封するための平面上部シール面５４を有する直立壁５２によって囲まれている。直立壁５２は、プレート２４の外周を包囲する外周部、および、プレート底部５０から（以下に記載される）冷却剤マニホールドを分離する直立リブを含む。プレート２４の上部シール面５４は、直立壁５４の外周部に沿って延びる外周フランジ、並びに、直立壁５２の直立リブ部に対する平面シール面を含む。加圧された給気は、プレート底部５０を対角線上および長手方向に横切るように、第１コアプレート２４の上面４６に沿って給気吸入開口３２から給気排出開口４０へと流れる。従って、給気流路５１は、プレート底部５０の矩形領域に沿って画定される。
【００８２】
熱交換器１００のコア２２はまた、各コアプレート２４、２６、および２８における気体冷却剤吸入開口５８、６０、および６２により形成される気体冷却剤吸入マニホールド５６を含む。気体冷却剤吸入マニホールド５６は、コア２２の側面に沿って両端部間の途中に配置される。その理由は以下において明らかにされるであろう。給気マニホールドと同様に、気体冷却剤吸入マニホールド５６は、上部プレートまたは底部プレートによって一端が閉じられ、マニホールド５６の反対側の端には、気体冷却剤を受け取るための吸入口接続部材が備えられるであろう。例えば、気体冷却剤がカソード排気流である場合、気体冷却剤吸入口は、燃料電池スタック２０から直接的または間接的のいずれかでカソード排気流を受け取るように構成されるであろう。気体冷却剤吸入マニホールド５６の正確な位置および外観は、図面に示されたものから変化してよいことが認識されるであろう。
【００８３】
コア２２は、各コアプレート２４、２６、および２８における位置合わせされた気体冷却剤排出開口６６、６８、および７０から形成される気体冷却剤排出マニホールド６４をさらに備える。気体冷却剤排出マニホールド６４は、コア２２の側面に沿って、その端部の１つに近接して配置される。対角線上の配置が必要なわけではないが、示される実施例において気体冷却剤排出マニホールド６４は、気体冷却剤吸入マニホールドから対角線上に向かい合ったコア２２の角に配置される。気体冷却剤排出マニホールド６４の一端は熱交換器１００の上部プレートまたは底部プレートによって塞がれ、マニホールド６４の反対側の端には排出口接続部材が備えられ、ここを通って熱交換器１００から気体冷却剤が排出されるであろうことが認識されよう。給気を用いた熱交換により高められた温度まで加熱された気体冷却剤は、大気へ排出されるか、あるいは、燃料電池システム中の他の場所で使用されてよい。
【００８４】
第２コアプレート２６は上面７２および底面７４を有する。組み立てられたコア２２においては、第２コアプレート２６の上面７２は、コア２２における隣接する第１コアプレート２４の底面４８に対して、例えばろう付けによって固定および密封される。図５を参照すると、第２コアプレート２６は、気体冷却剤吸入開口６０および気体冷却剤排出開口６８と同一平面上にあるプレート底部７６を有する。プレート底部７６およびプレート２６の外周は、隣接するプレートに対して密封するための上部平面シール面８０が備えられた直立壁７８によって囲まれている。直立壁７８は、プレート２６の外周を包囲する外周部、および、プレート底部７６から給気マニホールド３０および３８を分離する直立リブを含む。プレート２６の上部シール面８０は、直立壁７８の外周部に沿って延びる外周フランジ、並びに、直立壁７８の直立リブ部に対する平面シール面を含む。気体冷却剤は、プレート２６の底面７４上のプレート底部７６に沿って対角線上に、気体冷却剤吸入開口６０から気体冷却剤排出開口６８へと流れるであろうことがわかる。示される実施例においては、気体冷却剤と給気とは、軸Ａに沿って反対方向に流れる。
【００８５】
熱交換器１００のコア２２はまた、各コアプレート２４、２６、および２８における位置合わせされた液体冷却剤吸入開口８４、８６、および８８から形成される液体冷却剤吸入マニホールド８２を含む。液体冷却剤吸入マニホールド８２の一端は上部プレートまたは底部プレートによって塞がれ、マニホールド８２の反対側の端には、冷却剤源から液体冷却剤を受け取るための吸入口接続部材が備えられるであろう。液体冷却剤吸入マニホールド８２はコア２２の側面に沿ってコア２２の端部に近接して配置され、図面中に示されるように、コア２２の角に配置される。液体冷却剤吸入マニホールド８２の正確な位置、形状、および外観は、図面に示されたものから変化してよいことが認識されるであろう。
【００８６】
コア２２はまた、各コアプレート２４、２６、および２８における位置合わせされた液体冷却剤排出開口９２、９４、および９６から形成される液体冷却剤排出マニホールド９０を含む。液体冷却剤排出マニホールド９０は、コア２２の側面に沿って両端部間の途中に配置され、示される実施例においては、気体冷却剤吸入マニホールド５６とはコア２２の真向いに配置される。
【００８７】
図５に示される第２コアプレート２６の底面７４を再び参照すると、液体冷却剤吸入開口８６および液体冷却剤排出開口９４は、プレート底部７６と同一平面上にあり、やはり直立外周壁７８によって囲まれていることがわかる。よって液体冷却剤は、第２コアプレート２６の底面７４上のプレート底部７６に沿って、液体冷却剤吸入開口８６から液体冷却剤排出開口９４へと流れるであろう。従って、液体冷却剤は、プレート底部７６に沿って対角線上且つ長手方向に、給気の流れとは反対方向に流れる。
【００８８】
気体冷却剤および液体冷却剤の両者ともに、第２コアプレート２６の底面７４上のプレート底部７６に沿って流れることがわかる。従って、液体および気体冷却剤に対する流路は、互いに同一平面上にある。液体冷却剤の流れを気体冷却剤の流れから物理的に分離するために、第２コアプレート２６のプレート底部７６には、プレート２６の向かい合った側面間を実質的に横切って延び、プレート底部７６を気体冷却剤流路１０２と液体冷却剤流路１０４とに分割する直立リブ９８が備えられる。リブ９８は、第２コアプレート２６の直立外周壁７８の高さと同じ高さであり、密封フランジ８０と同一平面上にあって密封フランジ８０に結合された平面上部シール面１０６を有する。
【００８９】
上述のように、コア２２の各第１コアプレート２４の底面４８は、隣接する第２コアプレート２６の上面７２に対して固定され、密封される。従って、コア２２においては、各第１コアプレート２４の上面４６は、隣接する第２コアプレート２６の底面７４に面する。コアプレート２４のプレート底部５０に沿った給気流路５１を、コアプレート２６のプレート底部７６に沿った冷却剤流路１０２、１０４から分離するために、各第１コアプレート２４の上面４６と各第２コアプレート２６の底面７４との間に、薄く平らなセパレータプレート２８が設けられる。セパレータプレート２８は、複数のマニホールドのそれぞれに対する複数の開口、並びに、密封フランジ８０および第２コアプレート２６の上部シール面１０６に対して密封される平らな上面１０８、および、第１コアプレート２４の密封フランジ５４に対して例えばろう付けによって密封される平らな底面１１０を有する。従って、給気と冷却剤との間の熱交換が、平らなセパレータプレート２８を介して行われる。
【００９０】
熱交換器１００のコア２２は、コア２２の側面から突き出るマニホールドを有するものとして示されている。しかしながら、この構成は必須なものではないことが認識されるであろう。むしろ、コア２２の矩形領域内にマニホールドが配置されるように、コアの全体の形状は矩形であってよい。
【００９１】
図面中には示されていないが、コア２２中の給気流路５１および冷却剤流路１０２、１０４のいくつかまたは全てには、タービュライザーまたは波形フィンのような乱流促進挿入体が備えられてよい。それぞれのタービュライザーまたはフィンは、セパレータプレート２８と、コアプレート２４または２６のプレート底部５０または７６との間に受け入れられ、ろう付けによって一側面または両側面に固定されてよい。ここで使用されるように"波形フィン"および"タービュライザー"という用語は、軸方向に延びる複数の隆線、または側壁によって接続された頂点を有する、波形の乱流促進挿入体を指すことを意図している。隆線は丸みを帯びているかまたは平坦である。ここで定義されるように、"フィン"は連続的な隆線を有し、これに対して"タービュライザー"は、タービュライザーを通る軸流がねじれるように、その長さに沿って断続的な隆線を有する。タービュライザーは、オフセットストリップフィンまたはランスドストリップフィン（lanced strip fin）とも時として呼ばれることがある。そのようなタービュライザーの例は、米国再発行特許発明第３５，８９０号明細書（Ｓｏ）および米国特許第６，２７３，１８３号明細書（Ｓｏ等）に記載されている。ＳｏおよびＳｏ等に対する特許のその全体を参照によりここに組み込む。フィンまたはタービュライザーが給気流路５１内に設けられる場合、それは、プレート底部５０の矩形領域の実質的に全体を覆うであろう。同様に、フィンまたはタービュライザーは、第２コアプレート２６のプレート底部７６に沿って、気体および液体冷却剤流路１０２、１０４内に設けられてもよい。
【００９２】
フィンまたはタービュライザーではなく、プレート２４、２６のプレート底部５０、７６に、リブおよび／または窪み（不図示）のような乱流促進突起が設けられてもよいことが認識されるであろう。さらに、隣接するプレート２４、２６のプレート底部５０、７６の平坦部分は、コア２２内において互いに接触しており、通常は、ろう付けによって一緒に密封されていることに気付くであろう。穴がリークパスを生じさせることがなければ、プレート底部５０、７６のそれぞれ隣接した対の平坦部分に穴が開けられてよい。これらの穴は、プレート底部５０、７６の互いに対する信頼性のあるろう付けを促進し、また、平坦部分５０、７６の二重のプレート厚さの導電性抵抗を低減する。やはり、隣接するプレート２４、２６内のこれらの穴がリークパスを生成するようには配置されないのであれば、プレート２４、２６の一方または両方にそのような穴が設けられてよい。これらの穴のサイズおよび数を変化させることができる。例示目的として、図８は、プレート底部５０と、隣接するプレート２６のプレート底部７６との間のろう付けを改善するための、単一の大きな切欠き１１８（破線）をプレート底部５０の中央部分に示す。図１０は、プレート２４、２６を確実に一緒にろう付けすることを補助するための、プレート２４内の複数の小さな穴１１９、および、プレート２６内の複数の小さな穴１２１を示す。示されるように、対を成すプレート２４、２６を通るリークパスの生成を回避するために、これらの穴１１９、１２１は互いに重なり合わない。また、プレート底部５０、７６の平坦部分全体にわたって、すなわち、リークパスの形成を回避するために、プレート２４と２６のどちらも穴が開けられていないリブ９８の領域を除いて、これらの穴１１９、１２１が設けられてよいことも認識されるであろう。
【００９３】
ここでは、本発明の第２の実施例に従った熱交換器２００について、図１２−１９を参照しつつ以下に記載する。熱交換器２００は、熱交換器１００のコア２２に類似した構造を有するコアを含む。熱交換器２００のうち同様な要素は、同様な参照番号によって識別されており、これらの要素の詳細な記載は以下では省略する。
【００９４】
熱交換器２００のコア２２は自己閉鎖的であって、外部ハウジングを必要としない。熱交換器２００は、どれも図面には示されていないが、コア２２の底部に配置される底部プレート、コア２２の上部に配置される上部プレート、取り付け用のベースプレート、および、給気および２つの冷却剤用の吸入口および排出口接続部材をさらに備えてよい。
【００９５】
コア２２は、給気および２つの冷却剤用の交互の流路を形成するために、向かい合わせて一緒に結合される複数のコアプレートから形成される。コア２２は複数の第１コアプレート２４および複数の第２コアプレート２６を含む。熱交換器２００のコア２２は自己閉鎖的であって向かい合わせて一緒に結合されたコアプレート２４、２６から形成されるが、熱交換器２００は、これに代えて、入れ子状の直立した縁部を有する複数の窪んだプレートのスタックから形成されてもよいことが認識されるであろう。あるいは、バーとプレートの（骨格）構造が熱交換器に使用されてもよい。但し、この構成は大量生産への適正は劣る。
【００９６】
熱交換器２００のコア２２は、各コアプレート２４および２６における位置合わせされた給気吸入開口３２および３４から形成される給気吸入マニホールド３０を含む。コア２２はまた、各コアプレート２４および２６における位置合わせされた給気排出開口４０および４２から形成される給気排出マニホールド３８を備える。
【００９７】
図１７および１９の断面において最もよくわかるように、第１コアプレート２４の上面４６と、隣接する第２コアプレート２６の底面７４との間の空間によって給気用の流路５１が画定されるように、第１コアプレート２４のプレート底部５０は、給気吸入開口３２および給気排出開口４０と同一平面上にある。
【００９８】
気体冷却剤吸入マニホールド５６および気体冷却剤排出マニホールド６４は、第１コアプレート２４の底面４８と、第２コアプレート２６の上面７２との間に配置される気体冷却剤流路１０２と通じている。第１コアプレート２４の気体冷却剤吸入開口および排出開口５８および６６は、開口５８および６６を完全に囲む直立壁５２およびシール面５４によって、給気流路から遮断されていることがわかる。しかしながら、各気体冷却剤流路１０２が、第２コアプレートの上面７２と、隣接する第１コアプレート２４の底面４８との間に画定されるように、第２コアプレート２６の気体冷却剤吸入開口および排出開口６０および６８は、プレート底部７６と流れが通じている。
【００９９】
同様に、液体冷却剤吸入マニホールドおよび排出マニホールド８２および９０は、対応する液体冷却剤吸入開口８４、８６および液体冷却剤排出開口９２、９４によって画定される。第２コアプレート２６の液体冷却剤吸入開口８６および液体冷却剤排出開口９４はプレート底部７６と流れが通じている。従って、各液体冷却剤流路１０４は、第２コアプレート２６のプレート底部７６と、隣接する第１コアプレート２４のプレート底部５０との間に画定される。
【０１００】
熱交換器２００におけるプレート２４、２６の構成により、熱交換器１００における平らなセパレータプレート２８が必要無くなることがわかる。しかしながら図１９に示されるように、熱交換器２００の給気流路５１は、それらの縁部に、プレート２４の上面４６から上方へと延びる（直立壁５２の形態の）上方延伸密封リブ、およびプレート２４の底面４８から下方へと延びる隣接する密封リブ１２２の存在により生じるバイパスチャネル１２０を有する。密封リブ１２２は、冷却剤流路１０２、１０４の縁部を密封するために、隣接するコアプレート２６のプレート底部から上方に突出する対応するリブ １２４に対して密封する。バイパスチャネル１２０は、給気吸入マニホールド３０および給気排出マニホールド３８の間で連続的に延び、各給気流路中に給気用の低い圧力の少量の流路を生成する。これらのバイパスチャネル１２０は、バイパスチャネル１２０を部分的にまたは完全に塞ぐリブを生成するためのこの領域におけるプレートの局所的な変形によって、部分的にまたは完全に取り除くことができる。例えば図１９に示されるように、プレート底部５０の縁部は密封リブ１２２およびバイパスチャネル１２０に対して持ち上げられており、効果的な密封を維持するために密封リブ１２２、１２４の間に充分な接触領域を残しながらも、バイパスチャネル１２０を部分的に塞ぐ遮断リブ１２６を形成するために、直立壁５２に向かって外側に変形した。いくつかの遮断リブ１２６が、バイパスチャネル１２０に沿って、プレート２４の両方の長側面に沿って設けられてよいことが認識されるであろう。
【０１０１】
特定の実施例を参照しつつ本発明を記載してきたが、発明はこれらに限定されるものではない。むしろ、本発明は、以下の特許請求項内に入るであろう全ての実施例を包含するものである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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