(57)【要約】【課題】  セパレータを有する多流体熱交換器の流体隔壁の設置精度、設置施工性および気密信頼性の向上を図る。【解決手段】  ３以上の独立した流路を有する多流体熱交換器において、ケース２は開口箱型ケース部４と蓋部５で構成され、チューブ積層体は複数のチューブプレート１０及び１つのセパレータ付きチューブプレート１２を開口箱型ケース部４の開口部４ａから挿入し積層することにより形成され、セパレータ１３が開口箱型ケース部４の側壁内面４ｂに当接されることにより流路が仕切られ、該側壁内面４ｂにはセパレータ１３の挿入方向奥側に接するリブ１４が形成され、該リブ１４によりセパレータ１３が所定の積層位置を過ぎて過剰挿入されることを防止するように構成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３以上の独立した流路を有する多流体熱交換器において、
ケース（２）は開口箱型ケース部（４）と蓋部（５）で構成され、チューブ積層体は複数のチューブプレート（１０）及び１つのセパレータ付きチューブプレート（１２）を開口箱型ケース部（４）の開口部（４ａ）から挿入し積層することにより形成され、
セパレータ（１３）が開口箱型ケース部（４）の側壁内面（４ｂ）に当接されることにより流路が仕切られ、該側壁内面（４ｂ）にはセパレータ（１３）の挿入方向奥側に接するリブ（１４）が形成され、該リブ（１４）によりセパレータ（１３）が所定の積層位置を過ぎて過剰挿入されることを防止するように構成されていることを特徴とする多流体熱交換器。
【請求項２】
前記セパレータ（１３）の端部には、前記リブ（１４）側と反対側に折り曲げられた折り曲げ部（１５）が形成され、折り曲げ部（１５）の先端部（１５ａ）は開口箱型ケース部（４）の開口部（４ａ）に嵌合される蓋部（５）の内面まで達していることを特徴とする請求項１に記載の多流体熱交換器。
【請求項３】
前記折り曲げ部（１５）の先端部（１５ａ）と開口箱型ケース部（４）の前記側壁内面（４ｂ）との間に離間部領域（１６）が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の多流体熱交換器。
【請求項４】
３以上の独立した流路を有する多流体熱交換器において、
ケース（２）は開口箱型ケース部（４）と蓋部（５）で構成され、チューブ積層体は複数のチューブプレート（１０）及び２つのセパレータ付きチューブプレート（１２）（１８）を開口箱型ケース部（４）の開口部（４ａ）から挿入し積層することにより形成され、セパレータ（１３）が開口箱型ケース部（４）の側壁内面（４ｂ）に当接されることにより流路が仕切られ、該側壁内面（４ｂ）にはセパレータ（１３）の一つの挿入方向奥側に接するリブ（１４）が形成され、
前記セパレータ（１３）の端部には、前記リブ（１４）側と反対側に折り曲げられた折り曲げ部（１５）が形成され、折り曲げ部（１５）の先端部（１５ａ）は、もう一つのセパレータ（１３）に当接しており、該リブ（１４）およびセパレータ（１３）同士の当接により２つのセパレータ（１３）が所定の積層位置を過ぎて過剰挿入されることを防止するように構成されていることを特徴とする多流体熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３以上の独立した流路を有する多流体熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料改質器で生成した水素リッチなガスを燃料として利用する家庭用燃料電池システムなどにおいて、燃料改質器で生成する排気ガスや燃料電池から排出される燃料電池カソード排気ガス、更に燃料電池から排出されるアノード排気ガスなどの熱源で水を加熱して給湯用などに利用するシステムが提案されている。そのようなシステムにおいて、複数の熱源を同時に水等と熱交換する効率的な熱交換器として多流体熱交換器が提案されている。
【０００３】
多流体熱交換器に使用されるケース（ケーシング）として、上部が開口した箱型の開口箱型ケース部と、該ケース部の開口部を覆う蓋部で構成したものが知られており、この種のケースは簡単な構造でチューブプレートを効率的に積層できる利点がある。
多流体熱交換器の製造工程における積層方法は、開口箱型ケース部の開口部から先ず所定数のチューブプレートを挿入積層し、次いでセパレータ付きチューブプレートを挿入してから残りのチューブプレートを挿入すればよい。
【０００４】
セパレータは、ステンレス等の金属板で形成されるチューブプレートが延伸されることによって形成されており、セパレータ付きチューブプレートが開口箱型ケース部に挿入され、ケース側壁内面に当接されることにより、流路が仕切られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セパレータ付きチューブプレートを開口箱型ケース部に挿入するには、例えば手や工具、或いは専用装置で保持しながら押し込むように挿入する。その際、セパレータの先端部は前記側壁内面にほぼ接した状態もしくは密着した状態で挿入される。そのため挿入に際して強く押し込み過ぎると、既に積層したチューブプレートの片面にセパレータ付きチューブプレートのチューブプレート部分が密着した状態で、セパレータの先端部が更に押し込まれて変形し、それによりセパレータの先端部領域に湾曲部生成や不均一変形、或いは隙間が生じて一部の部材間に短絡を生じることがある。
【０００６】
その結果として、熱交換器におけるセパレータによる流体隔壁の設置精度の低下、および設置施工性や気密信頼性などの低下を生じることになる。そこで本発明は、そのような問題を解決する新しい構造の多流体熱交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の発明は、３以上の独立した流路を有する多流体熱交換器において、
ケース２は開口箱型ケース部４と蓋部５で構成され、チューブ積層体は複数のチューブプレート１０及び１つのセパレータ付きチューブプレート１２を開口箱型ケース部４の開口部４ａから挿入し積層することにより形成され、
セパレータ１３が開口箱型ケース部４の側壁内面４ｂに当接されることにより流路が仕切られ、該側壁内面４ｂにはセパレータ１３の挿入方向奥側に接するリブ１４が形成され、該リブ１４によりセパレータ１３が所定の積層位置を過ぎて過剰挿入されることを防止するように構成されていることを特徴とする（請求項１）。
【０００８】
本発明の第２の発明は、前記第１の発明において、前記セパレータ１３の端部には、前記リブ１４側と反対側に折り曲げられた折り曲げ部１５が形成され、折り曲げ部１５の先端部１５ａは開口箱型ケース部４の開口部４ａに嵌合される蓋部５の内面まで達していることを特徴とする（請求項２）。
【０００９】
本発明の第３の発明は、前記第２の発明において、前記折り曲げ部の先端部と開口箱型ケース部の前記側壁内面との間に離間部領域が形成されていることを特徴とする（請求項３）。
【００１０】
本発明の第４の発明は、３以上の独立した流路を有する多流体熱交換器において、
ケース２は開口箱型ケース部４と蓋部５で構成され、チューブ積層体は複数のチューブプレート１０及び２つのセパレータ付きチューブプレート１２，１８を開口箱型ケース部４の開口部４ａから挿入し積層することにより形成され、セパレータ１３が開口箱型ケース部４の側壁内面４ｂに当接されることにより流路が仕切られ、該側壁内面４ｂにはセパレータ１３の一つの挿入方向奥側に接するリブ１４が形成され、
前記セパレータ１３の端部には、前記リブ１４側と反対側に折り曲げられた折り曲げ部１５が形成され、折り曲げ部１５の先端部１５ａは、もう一つのセパレータ１３に当接しており、該リブ１４およびセパレータ１３同士の当接により２つのセパレータ１３が所定の積層位置を過ぎて過剰挿入されることを防止するように構成されていることを特徴とする（請求項４）。
【発明の効果】
【００１１】
第１の発明は、セパレータ１３が開口箱型ケース部４の側壁内面４ｂに当接されることにより流路が仕切られ、該側壁内面４ｂにはセパレータ１３の挿入方向奥側に接するリブ１４が形成され、該リブによりセパレータが所定の積層位置を過ぎて過剰挿入されることを防止するように構成されていることを特徴とする。
【００１２】
このように構成することにより、セパレータ付きチューブプレートを開口箱型ケース部の開口部から挿入して積層する際に、セパレータがリブに接することにより、セパレータのそれ以上の挿入がストップされ、所定の積層位置を過ぎて過剰挿入されることが防止される。その結果、セパレータによる流体隔壁の設置精度、設置施工性および気密信頼性の向上効果が得られる。
【００１３】
さらに、開口箱型ケース部の側壁の強度は、その内面に形成されるリブによる補強効果により向上するという効果がある。そのため開口箱型ケース部の板厚を薄くすることも可能で、重量およびコスト面の利点もある。
【００１４】
第２の発明は、前記第１の発明において、前記セパレータの端部には、前記リブ側と反対側に折り曲げられた折り曲げ部が形成され、折り曲げ部の先端部は開口箱型ケースの開口部に嵌合される蓋部の内面まで達していることを特徴とする。
このように構成すると、セパレータ付きチューブプレートを開口箱型ケース部の開口部から挿入して積層する際に、仮に多少の挿入不足が生じた場合であっても、積層後に開口箱型ケースの開口部に蓋部を嵌め合わせる際に、挿入不足のセパレータ付きチューブプレートにおける前記折り曲げ部の先端部が蓋部の内面により押し込まれて所定の積層位置に正確に設定される。その結果、セパレータによる流体隔壁の設置精度、設置施工性および気密信頼性の向上効果がより一層確実に得られる。
【００１５】
本発明の第３の発明は、前記第２の発明において、前記折り曲げ部の先端部と開口箱型ケース部の前記側壁内面との間に離間部領域が形成されていることを特徴とする。
このように構成すると、その離間部領域のセパレータ１３にろう材を安定、容易に塗布することが可能となり、ペースト状になったろう材がそこから流れ落ちることなく保持される。そのためろう付け性が安定するという効果が得られる。
【００１６】
本発明の第４の発明は、セパレータ付きチューブプレートを２つ有する場合において、リブおよびセパレータ同士を当接させることを特徴とする。
このように構成すると、２つのセパレータの過剰挿入が防止され。その結果、各セパレータによる流体隔壁の設置精度、設置施工性および気密信頼性の向上効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の多流体熱交換器の１例を示す分解斜視図と部分断面図。
【図２】図１の多流体熱交換器の部分側断面図
【図３】図１の多流体熱交換器の組立後の全体平断面図。
【図４】図３のIV−IV矢視断面図。
【図５】図１の多流体熱交換器におけるセパレータの変形例を示す部分側断面図。
【図６】図１の多流体熱交換器におけるセパレータの他の変形例を示す部分側断面図。
【図７】図１の多流体熱交換器におけるリブ形状の変形例を示す部分斜視図と側断面図。
【図８】図１の多流体熱交換器におけるリブ形状の他の変形例を示す部分斜視図と側断面図。
【図９】図１の多流体熱交換器におけるリブ形状の更に他の変形例を示す部分斜視図と側断面図。
【図１０】本発明の多流体熱交換器のセパレータを２つ有する例を示す部分側断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に図面により本発明の多流体熱交換器の実施形態を説明する。以下の説明は本発明の多流体熱交換器を燃料電池システムにおける各熱源と水等の間の熱交換に適用する場合を例としているが、本発明の多流体熱交換器はそれ以外の多流体仕様の熱交換システムにも利用できる。図１は本発明の多流体熱交換器の１例で、図１（Ａ）は多流体熱交換器の分解斜視図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＢ−Ｂ矢視の部分断面図である。
【００１９】
図１（Ａ）において、多流体熱交換器１は金属材料、例えば、アルミ、アルミ合金製またはステンレス製で作られた平断面が方形のケース２とその内部に収容される平断面が方形なコア３を備えており、ケース２は図１（Ａ）の下側に示す開口箱型ケース部４とその上側に示す蓋部５で構成される。開口箱型ケース部４の上側は開口されて方形の開口部４ａが形成されている。そして開口箱型ケース部４の開口部４ａに蓋部５を嵌合した状態で、直方体形状の密封型ケース２が形成される。
【００２０】
開口箱型ケース部４の側壁には熱源となる第１の流体６（例えば燃料改質器の排ガス）の出入口６ａ、熱源となる第２の流体７（例えば燃料電池カソード排気ガス）の出入口７ａ、さらに水等の流体８（例えば給湯用）の出入口８ａが形成されている。一方、蓋部５の平面部には熱源となる第３の流体９（例えば燃料電池アノード排気ガス）の出入口９ａが形成されている。
【００２１】
コア３は複数のチューブプレート１０を積層して形成される。各チューブプレート１０は一対の溝形に形成され且つ、その両端部が厚み方向に膨出し、その膨出部において、積層される。この積層に際して各一対のチューブプレート１０が組み合わされてエレメント１１が形成される。各エレメント１１の外側に水等の流体８が流通し、エレメント１１の内側に熱源となる第１〜第３の流体が流通する。
【００２２】
セパレータ付きチューブプレート１２は、金属材料、例えばアルミ、アルミ合金またはステンレスを成形することによって作られる。本実施形態におけるセパレータ付きチューブプレート１２のチューブプレート部分から突出したセパレータ１３の形状は平板平面状であるが、それ以外に段差状に折り曲げられたもの、または曲面状のものでもよい。
【００２３】
セパレータ付きチューブプレート１２は、平面視で方形に形成されており、セパレータ付きチューブプレート１２の周縁部は上方に折り曲げられており、開口箱型ケース部４の開口部４ａからその内部に挿入される。
セパレータ１３の軸方向における両方の側端部（細長い板状のセパレータ１３の短辺側端部）が折り曲げられており、その折り曲げられた部分により本発明における「セパレータ１３における折り曲げ部１５」が形成される。この折り曲げ部１５はセパレータ１３を開口箱型ケース部４に挿入した際に前記リブ１４に接する側と反対側に折り曲げられている。
【００２４】
開口箱型ケース部４の側壁内面４ｂにセパレータ付きチューブプレート１２を位置決めする直線状のリブ１４が形成されている。すなわち、セパレータ付きチューブプレート１２が挿入される際、セパレータ１３の折り曲げ部１５の下面がリブ１４で位置決めされる。
【００２５】
リブ１４は側壁内面４ｂの一部を例えば、筋状に凹陥または半抜状に膨出加工することにより容易に形成できる。リブ１４の拡大断面は図１（Ｂ）に示されている。本実施形態ではリブ１４の形状が直線状であるが、そのほかに曲線状、複数の点列などでもよく、さらに円環状、多角環状。多角形状なども可能である。そしてこのようなリブ１４を形成することにより、前述したようにケース２の補強効果も発揮される。
【００２６】
セパレータ１３の基部から折り曲げ部１５の先端部１５ａの端縁までの長さは、セパレータ付きチューブプレート１２を所定の積層位置に挿入した後、さらにその次の行程の際、すなわちケース２の組立のため開口箱型ケース４の開口部４ａに蓋部５の内面を密着した際、前記先端部１５ａがその蓋部５の内面に達して接するような長さに設定されている。なお図１（Ａ）に示す例では、その先端部１５ａが折り曲げ部１５から延長する２つの部分的な突出部により形成されているが、３つ以上の突出部あるいは端縁全長に渡る１つの突出部であってもよい。
【００２７】
本実施形態における折り曲げ部１５の折り曲げ角度は、セパレータ１３を開口箱型ケース部４の所定位置に挿入した際に、その先端部１５ａが開口箱型ケース部４の前記側壁内面４ａから所定幅だけ離間するように、９０度より小さな角度（例えば６０度〜３０度程度の範囲）で折り曲げられている。その結果、先端部１５ａは垂直な軸方向からチューブプレートの先端側に折り返すように傾斜しており、その傾斜によって先端部１５ａと前記側壁内面４ａの間に離間部領域１６が形成される。（離間部領域１６の詳細な形状は、図２に基づいて後述する。）
【００２８】
次に、図１の多流体熱交換器１の組み立て工程を説明する。先ず図１（Ａ）に示す開口箱型ケース部４の開口部４ａから所定数のエレメント１１（一対のチューブプレート１０の組み合わせ）を積層状態でまたは、順次挿入し積層する。次にセパレータ付きチューブプレート１２（これもエレメント１１の一種）の下面がそれまで積層したエレメント１１の最上面に達するまで挿入する。挿入に際してセパレータ１３の折り曲げ部１５の下面がリブ１４に接したとき、その位置で挿入が強制的に停止される。
【００２９】
次に、残りのエレメント１１をセパレータ付きチューブプレート１２の上側に順次挿入することにより、ケース内が２つに仕切られ、チューブ積層体で形成されるコアが２つに区画された状態になる。次に開口箱型ケース部４の開口部４ａに蓋部５を密着させてチューブ積層体と共にケース２をろう付けなどにより固定する。
【００３０】
前記のように、仮にセパレータ付きチューブプレート１２に多少の挿入不足があったとしても、積層後に開口箱型ケース４の開口部に蓋部５を嵌め合わせると、挿入不足のセパレータ付きチューブプレート１２における前記折り曲げ部１５の先端部１５ａが蓋部５の内面により押圧され、セパレータ付きチューブプレート１２全体が押し込まれて所定の積層位置に正確に設定される。
【００３１】
図２は上記のような工程で組み立てられた多流体熱交換器１の一部（図１の左側の一部）の側断面図である。前記セパレータ１３に形成された折り曲げ部１５の先端部１５ａは、セパレータ１３を開口箱型ケース部４に挿入した状態で、図示のように開口箱型ケース部４の側壁内面４ｂから離間するように傾斜し、この傾斜により側壁内面４ｂとの間に離間部領域１６が形成される。
【００３２】
上記離間部領域１６は、図２の紙面に垂直な方向に直線状に延長する断面三角形の空間であり、ろう付け工程において、該空間にろう材を塗布することにより、加熱されたろう材がそこから流れ落ちることなく保持される。なお図２には、チューブプレート１０で形成される各エレメント１１の先端の長手方向の位置決めを容易にするための位置決めビート１７が示されている。
図３は図１の多流体熱交換器１の組立後の全体平断面図、図４は図３のIV−IV矢視断面図である。これらの構造の説明は、図１などにおいて既に行ったので省略する。
【００３３】
図５は、図１の多流体熱交換器におけるセパレータの変形例を示す部分側断面図である。本実施形態のセパレータ１３は、チューブプレート１０から突出している部分が図示のように傾斜部分を有する段差状に形成されている。このような段差状に形成すると、チューブ積層体で形成される流路群が２つに区画された多流体熱交換器１において、その区画割合が異なる場合に好適に適用できる。
【００３４】
図６は、図１の多流体熱交換器におけるセパレータ１３の他の変形例を示す部分側断面図である。この実施形態が図５の例と異なる部分は、セパレータ１３がチューブプレート１０から突出している部分の段差形状における傾斜位置のみで、そのほかは同様に構成される。
【００３５】
図７は、図１の多流体熱交換器におけるリブ形状の変形例を示す図で、図７（Ａ）は部分斜視図、図７（Ｂ）は図７（Ａ）のＢ−Ｂ矢視の側断面図である。図１に示したリブ１４の形状は直線状であるが、図７の例ではリブ１４の形状が多角環状の一種である三角環状に形成されている。三角環状の３つの辺は、図７（Ａ）に示すように、上辺が水平で左右２つの辺が傾斜している。リブ１４をこのように形成すると、リブ１４を形成する開口箱型ケース部４の前記側壁内面４ｂの補強効果が図１の例より大きくなる。なお多角環状は三角環状以外に５角環状や６角環状でもよい。
【００３６】
図８は、図１の多流体熱交換器におけるリブ形状の他の変形例を示す図で、図８（Ａ）は部分斜視図、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ矢視の側断面図である。図８の例ではリブ１４の形状が方形環状に形成されている。リブ１４をこのように形成すると、リブ１４を形成する開口箱型ケース部４の前記側壁内面４ｂの補強効果が図７の例と同様に、図１の例より大きくなる効果がある。
【００３７】
図９は、図１の多流体熱交換器におけるリブ形状の更に他の変形例を示す図で、図９（Ａ）は部分斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ矢視の断面図である。図９の例ではリブ１４の形状が方形に形成されている。リブ１４をこのように形成すると、リブ１４を形成する開口箱型ケース部４の前記側壁内面４ｂの補強効果は、図７、図８の例と同様に図１の例より大きくなる。
【００３８】
図１０は、多流体熱交換器に２つのセパレータを介装した実施例を示す図である。
図１〜図４の実施例で示したセパレータ付きチューブプレート１２の上方に第２のセパレータ付きチューブプレート１８を設けている。
このようにセパレータ数を複数設けることにより、熱交換器内部に流通させる流体を増やすことができる。なお、図示は省略するが、セパレータ付きチューブプレート１２と第２のセパレータ付きチューブプレート１８の間の流路に流通する流体の出入口が開口箱型ケース部４に設けられる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、例えば家庭用燃料電池システムにおける３流体熱交換器等の多流体熱交換器において、複数の熱源を同時に水等と熱交換する効率的な熱交換器として利用できる。
【符号の説明】
【００４０】
１  多流体熱交換器
２  ケース
３  コア
４  開口箱型ケース部
４ａ  開口部
４ｂ  側壁内面
５  蓋部
６  第１の流体
６ａ  出入口
【００４１】
７  第２の流体
７ａ  出入口
８  流体
８ａ  出入口
９  第３の流体
９ａ  出入口
１０  チューブプレート
１０ａ  先端部
１０ｂ  連結部
１１  エレメント
１２  セパレータ付きチューブプレート
【００４２】
１３  セパレータ
１４  リブ
１５  折り曲げ部
１５ａ  先端部
１６  離間部領域
１７  位置決めビート
１８  第２のセパレータ付きチューブプレート
【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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【図１０】
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