(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体からなる第１流体が流入する第１の入口、前記第１流体が流出する第１の出口、および前記第１の入口と前記第１の出口とを個別につなぐ複数の配管で構成される熱媒体配管群の管内流路からなる前記第１流体が一方向にのみ流通する第１の流路と、液体の媒体からなる第２流体が流入する第２の入口、前記第２流体が流出する第２の出口、および前記第２の入口と前記第２の出口とをつなぎ前記複数の配管の間に形成される前記第２流体が流通する第２の流路と、を形成する円筒状のハウジングを有し、
前記第１の流路と前記第２の流路は、互いに平行に配置されて両流路間で熱交換を行う熱交換器であって、
前記ハウジングは、前記第１の入口および前記第１の出口が前記長手方向の両端に形成され、前記第２の入口および第２の出口が前記ハウジングの筒体の長手方向の両端の周面に周方向に沿って細長形状に形成され、前記第２の入口が前記ハウジングの下側に位置し、前記第２の出口が前記ハウジングの上側に位置しており、
前記第２の入口の全体を覆うことができる略箱型であって、前記ハウジングの長手方向に向く一面側の全体が略四角形状に切り欠かれるとともに、前記ハウジング側に向く上面が円弧状に切り欠かれた第１ケースと、前記第１ケースに対向して設けられて接合される略箱型であって、前記ハウジング側に向く上面が円弧状に形成されるとともに、前記第１ケースに対向する面の一部に開口が形成され、側面に導入孔が形成された第２ケースと、上部が円弧状に切り欠かれて前記開口に倣う面を有するとともに、複数の貫通孔が形成され、前記第１ケースと前記第２ケースとの間に介装される仕切板と、前記第２の入口の全体を覆う細長形状であって、前記開口部に倣って湾曲して形成されるメッシュプレートと、を備え、前記第１ケースと前記第２ケースの各円弧状部分が面一となるように接合された導入部と、
前記第２の出口の全体を覆うことができる略箱型であって、前記ハウジングの長手方向に向く一面側が略四角形状に切り欠かれるとともに、前記ハウジング側に向く下面が円弧状に切り欠かれた第３ケースと、前記第３ケースに対向して設けられて接合される略箱型であって、前記ハウジングに向く下面が円弧状に形成されるとともに、前記第３ケースに対向する面が開口し、側面に導出孔が形成された第４ケースと、を備え、前記第３ケースと前記第４ケースの各円弧形状部分が面一となるように接合された導出部と、
前記ハウジング内の、前記熱媒体配管群の配管と配管との間、および、前記筒体と前記熱媒体配管群との間の最外周経路に設けられるフィンと、をさらに有し、
前記フィンが設けられている領域が前記第２の流路として構成され、前記ハウジング内には、前記第２の入口と前記第２の流路とをつなぎ、前記第２流体が前記第１の流路を流通する前記第１流体に対して直交する向きで導入される入口部と、前記第２の流路と前記第２の出口とをつなぎ、前記第２流体が前記第１の流路を流通する前記第１流体に対して直交する向きで流れる出口部とが形成され、
前記入口部の前記長手方向に水平に切断したときの流路断面積が、前記出口部の前記長手方向に水平に切断したときの流路断面積よりも大きく形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
冷媒体からなる第１流体が流入する第１の入口、前記第１流体が流出する第１の出口、および前記第１の入口と前記第１の出口とを個別につなぐ複数の配管で構成される冷媒体配管群の管内流路からなる前記第１流体が一方向にのみ流通する第１の流路と、液体の媒体からなる第２流体が流入する第２の入口、前記第２流体が流出する第２の出口、および前記第２の入口と前記第２の出口とをつなぎ前記複数の配管の間に形成される前記第２流体が流通する第２の流路と、を形成する円筒状のハウジングを有し、
前記第１の流路と前記第２の流路は、互いに平行に配置されて両流路間で熱交換を行う熱交換器であって、
前記ハウジングは、前記第１の入口および前記第１の出口が前記長手方向の両端に形成され、前記第２の入口および第２の出口が前記ハウジングの筒体の長手方向の両端の周面に周方向に沿って細長形状に形成され、前記第２の入口が前記ハウジングの下側に位置し、前記第２の出口が前記ハウジングの上側に位置しており、
前記第２の入口の全体を覆うことができる略箱型であって、前記ハウジングの長手方向に向く一面側の全体が略四角形状に切り欠かれるとともに、前記ハウジング側に向く上面が円弧状に切り欠かれた第１ケースと、前記第１ケースに対向して設けられて接合される略箱型であって、前記ハウジング側に向く上面が円弧状に形成されるとともに、前記第１ケースに対向する面の一部に開口が形成され、側面に導入孔が形成された第２ケースと、上部が円弧状に切り欠かれて前記開口に倣う面を有するとともに、複数の貫通孔が形成され、前記第１ケースと前記第２ケースとの間に介装される仕切板と、前記第２の入口の全体を覆う細長形状であって、前記開口部に倣って湾曲して形成されるメッシュプレートと、を備え、前記第１ケースと前記第２ケースの各円弧状部分が面一となるように接合された導入部と、
前記第２の出口の全体を覆うことができる略箱型であって、前記ハウジングの長手方向に向く一面側が略四角形状に切り欠かれるとともに、前記ハウジング側に向く下面が円弧状に切り欠かれた第３ケースと、前記第３ケースに対向して設けられて接合される略箱型であって、前記ハウジングに向く下面が円弧状に形成されるとともに、前記第３ケースに対向する面が開口し、側面に導出孔が形成された第４ケースと、を備え、前記第３ケースと前記第４ケースの各円弧形状部分が面一となるように接合された導出部と、
前記ハウジング内の、前記冷媒体配管群の配管と配管との間、および、前記筒体と前記冷媒体配管群との間の最外周経路に設けられるフィンと、をさらに有し、
前記フィンが設けられている領域が前記第２の流路として構成され、前記ハウジング内には、前記第２の入口と前記第２の流路とをつなぎ、前記第２流体が前記第１の流路を流通する前記第１流体に対して直交する向きで導入される入口部と、前記第２の流路と前記第２の出口とをつなぎ、前記第２流体が前記第１の流路を流通する前記第１流体に対して直交する向きで流れる出口部とが形成され、
前記入口部の前記長手方向に水平に切断したときの流路断面積が、前記出口部の前記長手方向に水平に切断したときの流路断面積よりも小さく形成されていることを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液体の媒体を用いて熱交換を行う熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱交換器では、熱変換効率を高めるために流路にフィンを設けることが行われている。しかし、熱交換器面内において流速にバラツキが発生すると、熱変換効率が低下するという問題があった。そこで、流速が速くなる部分ではフィンのピッチを短くして単位長さ当たりの流路抵抗を大きくし、流速が遅くなる部分ではフィンのピッチを長くして単位長さ当たりの流路抵抗を小さくすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】実開昭６３−１７９６４号公報（第２図および第３図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の熱交換器では、流速を均一にするために流路の全体にわたってフィンの形状を調整する必要があるため、製造が非常に複雑になるという問題があった。また、形状が複雑になるため製造誤差が非常に出易くなるという問題もある。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、簡単な構成で熱変換を効率的に行うことができ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】
【０００５】
請求項１に係る発明は、熱媒体からなる第１流体が流入する第１の入口、前記第１流体が流出する第１の出口、および前記第１の入口と前記第１の出口とを個別につなぐ複数の配管で構成される熱媒体配管群の管内流路からなる前記第１流体が一方向にのみ流通する第１の流路と、液体の媒体からなる第２流体が流入する第２の入口、前記第２流体が流出する第２の出口、および前記第２の入口と前記第２の出口とをつなぎ前記複数の配管の間に形成される前記第２流体が流通する第２の流路と、を形成する円筒状のハウジングを有し、前記第１の流路と前記第２の流路は、互いに平行に配置されて両流路間で熱交換を行う熱交換器であって、前記ハウジングは、前記第１の入口および前記第１の出口が前記長手方向の両端に形成され、前記第２の入口および第２の出口が前記ハウジングの筒体の長手方向の両端の周面に周方向に沿って細長形状に形成され、前記第２の入口が前記ハウジングの下側に位置し、前記第２の出口が前記ハウジングの上側に位置しており、前記第２の入口の全体を覆うことができる略箱型であって、前記ハウジングの長手方向に向く一面側の全体が略四角形状に切り欠かれるとともに、前記ハウジング側に向く上面が円弧状に切り欠かれた第１ケースと、前記第１ケースに対向して設けられて接合される略箱型であって、前記ハウジング側に向く上面が円弧状に形成されるとともに、前記第１ケースに対向する面の一部に開口が形成され、側面に導入孔が形成された第２ケースと、上部が円弧状に切り欠かれて前記開口に倣う面を有するとともに、複数の貫通孔が形成され、前記第１ケースと前記第２ケースとの間に介装される仕切板と、前記第２の入口の全体を覆う細長形状であって、前記開口部に倣って湾曲して形成されるメッシュプレートと、を備え、前記第１ケースと前記第２ケースの各円弧状部分が面一となるように接合された導入部と、前記第２の出口の全体を覆うことができる略箱型であって、前記ハウジングの長手方向に向く一面側が略四角形状に切り欠かれるとともに、前記ハウジング側に向く下面が円弧状に切り欠かれた第３ケースと、前記第３ケースに対向して設けられて接合される略箱型であって、前記ハウジングに向く下面が円弧状に形成されるとともに、前記第３ケースに対向する面が開口し、側面に導出孔が形成された第４ケースと、を備え、前記第３ケースと前記第４ケースの各円弧形状部分が面一となるように接合された導出部と、前記ハウジング内の、前記熱媒体配管群の配管と配管との間、および、前記筒体と前記熱媒体配管群との間の最外周経路に設けられるフィンと、をさらに有し、前記フィンが設けられている領域が前記第２の流路として構成され、前記ハウジング内には、前記第２の入口と前記第２の流路とをつなぎ、前記第２流体が前記第１の流路を流通する前記第１流体に対して直交する向きで導入される入口部と、前記第２の流路と前記第２の出口とをつなぎ、前記第２流体が前記第１の流路を流通する前記第１流体に対して直交する向きで流れる出口部とが形成され、前記入口部の前記長手方向に水平に切断したときの流路断面積が、前記出口部の前記長手方向に水平に切断したときの流路断面積よりも大きく形成されていることを特徴とする。
【０００６】
請求項１に係る発明によれば、第２の入口と第２の出口とが対向するものにおいて、第２流体は、液体であるので温度に応じて粘性が変化するため、温度が低い（粘性が大きい）領域つまり入口部で圧力損失を小さくすることで、また温度が高い（粘性が小さい）領域つまり出口部で圧力損失を大きくすることで、入口部と出口部との間の流路中の圧力損失（抵抗）を調整しなくても、第２流体が流れる流路全体にわたって均等に（均一な流量および流速で）流すことが可能になる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、冷媒体からなる第１流体が流入する第１の入口、前記第１流体が流出する第１の出口、および前記第１の入口と前記第１の出口とを個別につなぐ複数の配管で構成される冷媒体配管群の管内流路からなる前記第１流体が一方向にのみ流通する第１の流路と、液体の媒体からなる第２流体が流入する第２の入口、前記第２流体が流出する第２の出口、および前記第２の入口と前記第２の出口とをつなぎ前記複数の配管の間に形成される前記第２流体が流通する第２の流路と、を形成する円筒状のハウジングを有し、前記第１の流路と前記第２の流路は、互いに平行に配置されて両流路間で熱交換を行う熱交換器であって、前記ハウジングは、前記第１の入口および前記第１の出口が前記長手方向の両端に形成され、前記第２の入口および第２の出口が前記ハウジングの筒体の長手方向の両端の周面に周方向に沿って細長形状に形成され、前記第２の入口が前記ハウジングの下側に位置し、前記第２の出口が前記ハウジングの上側に位置しており、前記第２の入口の全体を覆うことができる略箱型であって、前記ハウジングの長手方向に向く一面側の全体が略四角形状に切り欠かれるとともに、前記ハウジング側に向く上面が円弧状に切り欠かれた第１ケースと、前記第１ケースに対向して設けられて接合される略箱型であって、前記ハウジング側に向く上面が円弧状に形成されるとともに、前記第１ケースに対向する面の一部に開口が形成され、側面に導入孔が形成された第２ケースと、上部が円弧状に切り欠かれて前記開口に倣う面を有するとともに、複数の貫通孔が形成され、前記第１ケースと前記第２ケースとの間に介装される仕切板と、前記第２の入口の全体を覆う細長形状であって、前記開口部に倣って湾曲して形成されるメッシュプレートと、を備え、前記第１ケースと前記第２ケースの各円弧状部分が面一となるように接合された導入部と、前記第２の出口の全体を覆うことができる略箱型であって、前記ハウジングの長手方向に向く一面側が略四角形状に切り欠かれるとともに、前記ハウジング側に向く下面が円弧状に切り欠かれた第３ケースと、前記第３ケースに対向して設けられて接合される略箱型であって、前記ハウジングに向く下面が円弧状に形成されるとともに、前記第３ケースに対向する面が開口し、側面に導出孔が形成された第４ケースと、を備え、前記第３ケースと前記第４ケースの各円弧形状部分が面一となるように接合された導出部と、前記ハウジング内の、前記冷媒体配管群の配管と配管との間、および、前記筒体と前記冷媒体配管群との間の最外周経路に設けられるフィンと、をさらに有し、前記フィンが設けられている領域が前記第２の流路として構成され、前記ハウジング内には、前記第２の入口と前記第２の流路とをつなぎ、前記第２流体が前記第１の流路を流通する前記第１流体に対して直交する向きで導入される入口部と、前記第２の流路と前記第２の出口とをつなぎ、前記第２流体が前記第１の流路を流通する前記第１流体に対して直交する向きで流れる出口部とが形成され、前記入口部の前記長手方向に水平に切断したときの流路断面積が、前記出口部の前記長手方向に水平に切断したときの流路断面積よりも小さく形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明によれば、請求項１に係る発明と同様に、第２流体は、液体であるので温度に応じて粘性が変化するため、温度が低い（粘性が大きい）領域つまり出口部で圧力損失を小さくすること、また温度が高い（粘性が小さい）領域つまり入口部で圧力損失を大きくすることで、入口部と出口部との間の流路中の圧力損失（抵抗）を調整しなくても、液体の媒体が流れる流路全体にわたって均等に（均一な流量および流速で）流すことが可能になる。
【００１０】
また、流路断面積を変えるだけで出入口の圧力損失を変更できるので、より簡単な構成により第２流体を均等な流速で流れさせることが可能になる。
【００１２】
また、第２流体が入口部に流入する際に整流されることで、第２流体が第２の流路に不均一に入り込むのを防止でき、より均等な流速で液体の媒体を流れさせることが可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な構成で熱変換を効率的に行うことができる熱交換器を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の熱交換器を備えた燃料電池システムを示す構成図、図２は第１実施形態の熱交換器を示す外観斜視図、図３は第１実施形態の熱交換器を示す分解斜視図、図４は図２のＡ−Ａ線の断面図、図５は図２のＢ−Ｂ線の断面図、図６は図２のＣ−Ｃ線の一部省略断面図、図７は本実施形態の熱交換器の作用を説明するための模式図である。なお、以下では、車両を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、航空機や船舶などに適用してもよい。
【００１５】
本実施形態の熱交換器１０Ａを備えた燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系２、カソード系３、暖機系４などを含んで構成されている。
【００１６】
前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、固体高分子電解質膜Ｍをアノード極Ａｎとカソード極Ｃａとで挟んで構成された膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を導電性のセパレータでさらに挟んで構成した単セルを厚み方向に複数積層した構造となっている。この燃料電池ＦＣのアノード極Ａｎに燃料ガスとして水素が、カソード極Ｃａに酸化剤として空気が供給されることにより、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われ、走行モータなどの負荷に発電電流（電力）が供給されるようになっている。なお、燃料電池ＦＣには、後記する熱交換器１０Ａとの間で第２流体（液体の媒体）を循環させる流路が設けられている。
【００１７】
前記アノード系２は、アノード配管ａ１，ａ２，ａ３、高圧水素タンク５、エゼクタ６などを備えている。高圧水素タンク５は、高純度の水素が高圧に充填されたものである。エゼクタ６は、アノード配管ａ３を介して未反応の水素を再び燃料電池ＦＣのアノード極Ａｎに供給して水素を有効に活用するためポンプである。高圧水素タンク５に設けられた図示しない遮断弁が開弁することにより、高圧水素タンク５からアノード配管ａ１を通って水素が減圧された後に燃料電池ＦＣのアノード極Ａｎに供給される。また、アノード極Ａｎから排出されたアノードオフガスは、アノード配管ａ２を通って後記する燃焼器９に導入される。
【００１８】
前記カソード系３は、カソード配管ｂ１，ｂ２、エアコンプレッサ７などを備えている。エアコンプレッサ７は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、外気を導入して圧縮した空気がカソード配管ｂ１を介して燃料電池ＦＣのカソード極Ｃａに供給される。また、カソード極Ｃａから排出されたカソードオフガスは、カソード配管ｂ２を通って燃焼器９に導入される。
【００１９】
前記暖機系４は、循環配管ｃ１，ｃ２、バイパス管ｃ３、三方弁８、燃焼器９、熱交換器１０Ａなどを備えている。循環配管ｃ１は、燃料電池ＦＣの出口と熱交換器１０Ａとを接続する配管であり、循環配管ｃ２は、燃料電池ＦＣの入口と熱交換器１０Ａとを接続する配管であり、バイパス管ｃ３は、熱交換器１０Ａをバイパスする配管である。また、三方弁８は、バイパス管ｃ３の一端に接続され、燃料電池ＦＣから排出された第２流体（液体の媒体）の流れを熱交換器１０Ａ側に切り替える暖機運転位置と、熱交換器１０Ａをバイパスさせる側に切り替える通常運転位置とに切り替えられるようになっている。また、燃焼器９は、例えば、燃料電池ＦＣのアノード極Ａｎからアノード配管ａ２を介して排出されたアノードオフガスと、カソード極Ｃａからカソード配管ｂ２を介して排出されたカソードオフガスとを導入して触媒燃焼させる役割を有している。燃焼器９で生成された第１流体（燃焼オフガス）は、熱交換器１０Ａに送られる。
【００２０】
図２に示すように、第１実施形態の熱交換器１０Ａは、熱交換部１１、導入部２０、および導出部３０を備えている。熱交換部１１は、ハウジング１２と、熱媒体配管群１３と、フィン１４（図５参照）とを備えている。
【００２１】
図３に示すように、前記ハウジング１２は、円筒形状の筒体１２ａと、この筒体１２ａの両端の開口を熱媒体配管群１３を除いて密閉するための蓋体１２ｂ，１２ｃとを備えている。また、ハウジング１２の筒体１２ａの長手方向両端の周面には、周方向に沿って細長形状の開口部１２ｄ（第２の入口）、開口部１２ｅ(第２の出口)が貫通して形成されている。また、開口部１２ｄと開口部１２ｅは、円周方向に対して互いに対向するように、図３では開口部１２ｄが下側に、開口部１２ｅが上側に位置するように形成されている。なお、開口部１２ｄと開口部１２ｅとの配置は、１８０度の向きで配置されるものに限定されず、本発明の効果が得られる範囲であれば９０度程度でオフセットして配置されていてもよい。
【００２２】
図５に示すように、前記熱媒体配管群１３は、断面細長形状の配管（単管）１３ａ，１３ｂ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｄを有し、ハウジング１２の長手方向の一端から他端まで延びて（図４に配管１３ａのみ図示）形成されている。また、配管１３ａは、断面（断面長）が最も長く形成され、ハウジング１２の中央に位置し、配管１３ｂ，１３ｂは、配管１３ａより短く形成されて配管１３ａの両隣に間隔を開けて並行に配置され、配管１３ｃ，１３ｃは、配管１３ｂより短く形成されて配管１３ｂの隣に間隔を開けて平行に配置され、配管１３ｄ，１３ｄは、最も短く形成されて配管１３ｃの隣に間隔を開けて平行に配置されている。なお、これら配管１３ａ〜１３ｄで囲まれる内側の空間が、第１の流路Ｓ１に相当している。また、各配管１３ａ〜１３ｄの流通方向の両端部は、前記蓋体１２ｂ，１２ｃを貫通して開口しており（図２参照）、熱媒体配管群１３（配管１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ）の一方（上流側）の開口１３ｓが第１の入口に相当し、他方（下流側）の開口１３ｔが第１の出口に相当している。なお、熱媒体配管群１３の配管の本数は、７本に限定されるものではなく、７本より多くても少なくてもよい。
【００２３】
前記フィン１４は、断面波形状であり、配管１３ａと配管１３ｂとの間の流路、配管１３ｂと配管１３ｃとの間の流路、配管１３ｃと配管１３ｄとの間の流路、および筒体１２ａと熱媒体配管群１３との間の最外周流路に設けられている。また、フィン１４は、ハウジング１２内において、長手方向両端部の後記する入口部Ｅ１と出口部Ｅ２との間の範囲内にだけ設けられている。このようにフィン１４を設けることにより、第１流体から第２流体への熱変換効率を高めることができる。このフィン１４が設けられている領域が、積極的に熱交換を行う第２の流路Ｓ２に相当し、また第２流路の上流の領域が入口部Ｅ１に相当し、下流の領域が出口部Ｅ２に相当している（図４参照）。また、この入口部Ｅ１と出口部Ｅ２は、図６に示すように、入口部Ｅ１の部分の幅が出口部Ｅ２の部分の幅よりも大きく形成されて、図中網かけ部で示すように、入口部Ｅ１の流路断面積Ｑ１が出口部Ｅ２の流路断面積Ｑ２よりも大きくなるように設定されている。ここでの流路断面積Ｑ１，Ｑ２とは、図６の紙面横方向に水平に切断したときに形成される断面積である。また、フィンの形状は、断面波形に限定されず、断面鋸歯状など他の形状であってもよい。
【００２４】
図３に示すように、前記導入部２０は、ケース２１，２２、仕切板２３、およびメッシュプレート２４を備えている。ケース２１は、前記開口部１２ｄの全体を覆うことができる略箱型であり、ハウジング１２の長手方向に向く一面側の全体が略四角形状に切り欠かれるとともに、ハウジング１２側に向く上面が円弧状に切り欠かれている。ケース２２は、ケース２１に対向して設けられて接合される略箱形であり、ハウジング１２側に向く上面２２ａが円弧状に形成されるとともに、ケース２１に対向する面の一部に開口２２ｂが形成されている。また、ケース２２の側面には導入孔２２ｃが穿設されて、この導入孔２２ｃに前記循環配管ｃ１が接続されている。仕切板２３は、上部が円弧状に切り欠かれて前記開口２２ｂに倣う面を有し、ケース２１とケース２２との間に介装されるようになっている。また、仕切板２３には、ケース２１とケース２２とを連通させる３つの貫通孔２３ａ，２３ａ，２３ａが形成されている。なお、ケース２１，２２、仕切板２３の各上面の円弧形状は、筒体１２ａの外周曲面に倣う形状となっている。メッシュプレート２４は、開口部１２ｄの全体を覆う細長形状であり、開口部１２ｄに倣って湾曲して形成されている。
【００２５】
メッシュプレート２４を開口部１２ｄに取り付けた後に、仕切板２３をケース２１とケース２２との間に挟み、各円弧形状部分が面一となるようにして接合された状態で、ケース２１を筒体１２ａの外周曲面に接合する。このような形状の導入部２０と導出部３０とを設けることにより、循環配管ｃ１，ｃ２の位置を自由に変えることができるので、配管レイアウトの自由度を向上できる。なお、ケース２２、仕切板２３、およびメッシュプレート２４によって本発明の整流機構が構成されているものであり、それぞれによって圧力損失を発生させることで、第２流体を入口部Ｅ１に均等な流量で導入させることができる。また、貫通孔２３ａの形状や個数は、本実施形態に限定されるものではない。
【００２６】
前記導出部３０は、ケース３１，３２を有し、その外観形状は前記導入部２０の外観形状とほぼ同じに形成されている。ケース３１は、前記開口部１２ｅの全体を覆うことができる略箱型であり、ハウジング１２の長手方向に向く一面側が略四角形状に切り欠かれるとともに、ハウジング１２側に向く下面が円弧状に切り欠かれた形状である。ケース３２は、ケース３１に対向して設けられて接合される略箱型であり、ハウジング１２に向く下面３２ａが円弧状に形成されるとともに、ケース３１に対向する面が開口（図示せず）している。また、ケース３２の側面には導出孔３２ｂが穿設されて、この導出孔３２ｂに前記循環配管ｃ２が接続されている。そして、ケース３１とケース３２の各円弧形状部分が面一となるように接合された状態で、ケース３１で開口部１２ｅを覆うように接合する。
【００２７】
次に、第１実施形態の熱交換器１０Ａを備えた燃料電池システム１の動作について説明する。この燃料電池システム１では、氷点下となるような低温環境下での始動時において、図示しない制御部によって暖機が必要であると判断された場合には、燃焼器９（図１参照）にアノードオフガスとカソードオフガスとがそれぞれ導入されることで第１流体（熱媒体、燃焼オフガス）が生成され、この第１流体が熱交換器１０Ａの開口（第１の入口）１３ｓ（図４参照）から第１の流路Ｓ１に導入され、開口（第１の出口）１３ｔ（図４参照）から排出される。また、図示しない制御部によって三方弁８（図１参照）が前記暖機運転位置に切り替えられ、循環ポンプ（図示せず）が駆動されることで、第２流体（液体の媒体）が、燃料電池ＦＣと熱交換器１０Ａとの間において循環配管ｃ１，ｃ２を介して循環する。
【００２８】
このとき、図４に示すように、熱交換器１０Ａの導入部２０に循環配管ｃ１から導入された第２流体は、ケース２２、仕切版２３の貫通孔２３ａ、ケース２１、およびメッシュプレート２４を順番に通って、入口部Ｅ１に第１の流路Ｓ１に対して直交する向きで導入され、その後、第１の流路Ｓ１を流れる第１流体と向きを同じにしながら第２の流路Ｓ２を並流する。この並流時に、第１流体と第２流体との間で積極的に熱交換が行われて、第２流体が第１流体によって加熱される。そして、第２流体は、第２の流路Ｓ２から出口部Ｅ２に送られ、第１の流路Ｓ１に対して直交する向きに流れた後に導出部３０に送られる。導出部３０に送られた第２流体は、ケース３１、ケース３２、および循環配管ｃ２を順番に通って燃料電池ＦＣに戻される。
【００２９】
ところで、図７（ｂ）に示すように、入口部Ｅ１と出口部Ｅ２の各流路断面積が同じ（Ｑ１＝Ｑ２）に形成された熱交換器では、第２流体つまり粘性の温度依存が大きな液体の媒体を使用した場合、暖機時に入口部Ｅ１を介して熱交換部１１（図４参照）に導入される前の第２流体では、その温度が第１流体で加熱される前であるので低く、したがって粘性が高くなり、また熱交換部１１（図４参照）から出口部Ｅ２に排出された後の第２流体では、その温度が第１流体で熱交換されて十分に加熱されているので高く、したがって粘性が低くなる。また、入口部Ｅ１では、開口部１２ｄから奥側に向かうにしたがって圧力損失が大きくなり、出口部Ｅ２では、開口部１２ｅから奥側（図４中の下側）に向かうにしたがって圧力損失が大きくなる。このため、第２流体は、入口部Ｅ１では開口部１２ｄに近い側で流れやすく、奥側で流れにくくなり、出口部Ｅ２では開口部１２ｅに近い側で流れやすく、奥側で流れにくくなり、さらに温度依存性により入口部Ｅ１よりも出口部Ｅ２の方が流れやすくなる。その結果、図７（ｂ）の下段が一番流れやすくなり、上段が最も流れにくくなって、第２の流路Ｓ２の面内における流量にバラツキが発生することとなる。このため、第２の流路Ｓ２の断面における温度分布が不均一となって、熱変換効率が低下する。
【００３０】
そこで、本実施形態では、図６に示すように、入口部Ｅ１の部分での幅を出口部Ｅ２の部分での幅より長く、つまり入口部Ｅ１での流路断面積（網かけで示す部分）Ｑ１を、出口部Ｅ２での流路断面積（網かけで示す部分）Ｑ２よりも大きくしたことにより、入口部Ｅ１では圧力損失が低減され、また出口部Ｅ２では圧力損失が高められる。したがって、入口部Ｅ１では、開口部１２ｄの近傍から奥に向かうにつれて第２流体に対する圧力損失が図７（ｂ）のときよりも弱められ、出口部Ｅ２では、開口部１２ｅの近傍から奥に向かうにつれて第２流体に対する圧力損失が図７（ｂ）のときよりも高められる。
【００３１】
したがって、図７（ａ）に示すように（なお、図７中の数字は、圧力損失を重み付けして数値化したものであり、数字が大きくなるにつれて圧力損失が大きくなることを意味している）、入口部Ｅ１の流路断面積Ｑ１を出口部Ｅ２の流路断面積Ｑ２よりも大きくしたことにより、入口部Ｅ１での下段、中段、上段における圧力損失（０，２，４）と、出口部Ｅ２での上段、中段、下段における圧力損失（０，２，４）との割合を同じにできる。つまり、入口部Ｅ１では第２流体の粘性が高いので流路断面積Ｑ１を大きくすることで圧力損失が低下し、出口部Ｅ２では第２流体の粘性が低いので流路断面積Ｑ２を小さくすることで圧力損失が高められて、入口部Ｅ１と出口部Ｅ２との上段、中段、下段における各段における圧力損失の配分を同じにできる。よって、入口部Ｅ１と出口部Ｅ２との間の第２の流路Ｓ２では、上段、中段、下段のいずれにおいても圧力損失が２となるので、下段、中段、上段のいずれの段においてもトータルの圧力損失が６になる。したがって、第２の流路Ｓ２の全体にわたって同じ流量で流速を均一にして第２流体を流すことが可能になる。その結果、熱変換効率の向上を図ることができる。また、第１実施形態では、入口部Ｅ１の流路断面積Ｑ１と出口部Ｅ２の流路断面積Ｑ２を変化させるという簡単な構成で流量配分を均一化することが可能になる。
【００３２】
そして、図示しない制御部が、暖機は必要ないと判断した場合には、三方弁８を暖機運転位置から通常運転位置に切り替えて、暖機運転を終了する。なお、燃料電池ＦＣを冷却する必要があると判断した場合には、第２流体を燃料電池ＦＣとラジエータ（図示せず）との間において循環させることにより行われる。
【００３３】
（第２実施形態）
図８は第２実施形態の熱交換器を示す断面図、図９は第２実施形態の熱交換器の作用を説明するための模式図である。第２実施形態の熱交換器１０Ｂは、第１の流路Ｓ１として、熱媒体に替えて冷媒体としたものであり、第１実施形態の熱交換器１０Ａと基本的な構造は同じである。
【００３４】
図８に示すように、第２実施形態の熱交換器１０Ｂは、前記熱交換器１０Ａとは逆に、入口部Ｅ１の流路断面積Ｑ１を出口部Ｅ２の流路断面積Ｑ２より小さくしたものである。その他の構成は、第１実施形態の熱交換器１０Ａと同様であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
第２実施形態では、第１流体として冷媒体を使用しているので、入口部Ｅ１に導入される第２流体は、まだ温度の高くて粘性が低く、また出口部Ｅ２から排出される第２流体は、第１流体によって冷却されるので温度が低下して粘性が高くなる。よって、第１実施形態とは逆に、入口部Ｅ１の流路断面積Ｑ１を出口部Ｅ２の流路断面積Ｑ２より小さくすることにより、第２の流路Ｓ２の各流路において同じ流量で流速を均一にすることが可能になる。すなわち、図９に示すように、入口部Ｅ１での流路断面積Ｑ１を小さくすることにより、開口部１２ｄの近傍から奥に向かう第２流体に対する圧力損失が高められ、出口部Ｅ２での流路断面積Ｑ２を大きくすることにより、開口部１２ｅの近傍から奥に向かう第２流体に対する圧力損失が弱められる。したがって、入口部Ｅ１での下段、中段、上段における圧力損失（０，２，４）と、出口部Ｅ２での下段、中段、上段における圧力損失（４，２，０）との割合が均等になるので、下段、中段、上段におけるトータルの圧力損失はいずれも６となる。したがって、第２の流路Ｓ２の全体にわたって第２流体を同じような流量で流速を均一にした状態で流通させることが可能になる。
【００３６】
なお、本発明は、前記した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、熱交換器１０Ａ，１０Ｂの形状として円筒形状のものに替えて角筒形状、多角筒形状などであってもよい。また、各実施形態では、第１の流路Ｓ１と第２の流路Ｓ２とが同じ流れ方向である並流タイプとして説明したが、第１の流路Ｓ１と第２の流路Ｓ２と互いに逆向きの流れとなる向流タイプであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１実施形態の熱交換器を備えた燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】第１実施形態の熱交換器を示す外観斜視図である。
【図３】第１実施形態の熱交換器を示す分解斜視図である。
【図４】図２のＡ−Ａ線の断面図である。
【図５】図２のＢ−Ｂ線の断面図である。
【図６】図２のＣ−Ｃ線の一部省略断面図である。
【図７】第１実施形態の熱交換器の作用を説明するための模式図である。
【図８】第２実施形態の熱交換器を示す断面図である。
【図９】第２実施形態の熱交換器の作用を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０Ａ，１０Ｂ  熱交換器
１２ｄ  開口部（第２の入口）
１２ｅ  開口部（第２の出口）
１３ａ〜１３ｄ  配管
１３ｓ  開口（第１の入口）
１３ｔ  開口（第１の出口）
２２    ケース（整流機構）
２３    仕切板（整流機構）
２４    メッシュプレート（整流機構）
Ｅ１    入口部
Ｅ２    出口部
Ｑ１，Ｑ２  流路断面積
Ｓ１    第１の流路
Ｓ２    第２の流路
【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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【図８】
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【図９】
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