(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池等の試験対象物等に供給する流体の流量が少ない場合でも、熱交換体との熱交換を向上させることができる熱交換装置及び当該熱交換装置を備える試験装置を提供する。【解決手段】流体と熱交換する熱交換体２４と、前記熱交換体２４を収容する熱交換室２６と、前記熱交換室２６に前記流体を流入させる第一流入管３２及び第二流入管３５と、前記熱交換室２６に流入させる流体の流量に応じて前記第一流入管３２及び前記第二流入管３５の開閉を制御する配管開閉制御手段４４を有し、前記第二流入管３５は、前記流体の流量が所定値以下の時に、前記配管開閉制御手段４４により、閉じられる前記第一流入管３２に代えて、前記熱交換室２６に前記流体を流入させるものであって、前記熱交換室２６に接続される前記第二流入管３５の少なくとも吹出し口３５ａは、前記第一流入管３２の内径より小さい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体と熱交換する熱交換体と、前記熱交換体を収容する熱交換室と、前記熱交換室に前記流体を流入させる第一流入管及び第二流入管と、前記熱交換室に流入させる流体の流量に応じて前記第一流入管及び前記第二流入管の開閉を制御する配管開閉制御手段を有し、
前記第二流入管は、前記流体の流量が所定値以下の時に、前記配管開閉制御手段により、閉じられる前記第一流入管に代えて、前記熱交換室に前記流体を流入させるものであって、前記熱交換室に接続される前記第二流入管の少なくとも吹出し口は、前記第一流入管の内径より小さいことを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
請求項１記載の熱交換装置であって、前記吹出し口は、前記熱交換室に接続される前記第一流入管の吹出し口より、前記熱交換体に近い位置まで突出することを特徴とする熱交換装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の熱交換装置であって、前記熱交換体は、ヒーターであることを特徴とする熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換装置の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
室内等の空調機、燃料電池、バイオテクノロジー、薬品等の試験装置には、室内、試験対象物に供給する流体を加熱、冷却させるための熱交換装置が備えられている。
【０００３】
例えば、図９は、一般的な熱交換装置の模式断面図である。図９に示すように、熱交換装置５０は、熱交換体５２、熱交換室５４、制御装置５６、サーミスタ５８、流入管６０、排出管６２を有する。
【０００４】
流入管６０の一方の入口は、熱交換室５４に接続され、他方の入口は、不図示の流体供給源に接続されている。また、排出管６２の一方の入口は、熱交換室５４に接続されている。
【０００５】
制御装置５６は、熱交換体５２及びサーミスタ５８と電気的に接続され、熱交換体５２への電力の調整等を行い、熱交換体５２の温度状態を制御するものである。サーミスタ５８は、排出管６２に設けられ、熱交換した流体の温度を検知するものである。
【０００６】
熱交換装置５０の動作としては、不図示の流体供給源から供給される流体が、流入管６０を通り、熱交換室５４へ流入する。熱交換室５４へ流体が流入すると、制御装置５６により、熱交換体５２への通電が行われ、熱交換体５２の温度が制御される。そして、流体が熱交換体５２と接触することによって、流体と熱交換体５２との間で熱交換が行われる。その後、流体は、排出管６２を通り熱交換装置５０の系外へ排出される。この際、排出管６２から排出される流体の温度は、サーミスタ５８により検知され、制御装置５６に温度データが送信される。制御装置５６は、サーミスタ５８からの温度データに応じて、熱交換体５２への供給電力をコントロールすることによって、排出される流体の温度が所定の温度となるように制御される。熱交換装置５０が、上記試験装置に使用される場合には、排出された流体は、燃料電池等の試験対象物に供給される。また、空調機に使用される場合には、排出された流体は、室内に供給される。
【０００７】
図９に示すような従来の熱交換装置５０では、試験対象物又は室内等に大流量の流体を供給する場合を想定して、流入管６０、排出管６２等の配管の径を大きくしたものが採用される。
【０００８】
例えば、熱交換装置を備える燃料電池の試験装置において、自動車等のような負荷変動、使用環境温度等の変動が激しい環境下に燃料電池を採用した状態を再現した試験を行う場合がある。このような試験では、試験対象物である燃料電池に供給される流体の流量が、大流量から小流量まで幅広く設定される。
【０００９】
例えば、上記のように流入管６０等の配管の径を大きくした熱交換装置５０が使用されていれば、大流量の流体を燃料電池に供給する場合、熱交換装置５０による流体の温度調整（すなわち、熱交換）はうまくいく。
【００１０】
しかし、小流量の流体を燃料電池に供給する場合、上記熱交換装置５０では、流体の温度調整の精度が低下する場合がある。これは、大流量の流体を供給する場合を想定して配管径が設定されるため、大流量時の流体の流速と比較して、小流量時では、流入管６０を通る流体の流速が遅くなる場合があるためである。流入管６０を通る流体の流速が遅くなると、熱交換室５４に流入した流体は、熱交換室５４の内壁に沿って流れ、熱交換体５２と接触し難くなる。そのため、流体と熱交換体５２と間で熱交換が行われ難くなり、流体の温度調整が困難となる。このような状態になると、使用環境温度の変動が激しい環境下を想定した試験を行おうとしても、試験対象物に対する流体の温度が不安定となり、試験精度が低下する場合がある。
【００１１】
例えば、特許文献１には、流体の流量が小流量時に、流入管の開閉度を調整することができる絞り機能を備えたバルブを流入管に設けた熱交換装置が提案されている。
【００１２】
例えば、特許文献２には、流入管を流れる流体の流動音を小さくする目的であるが、流体の流れを分流する複数の小孔を有するバルブを流入管に設けた熱交換装置が提案されている。
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−４４７５４号公報
【特許文献２】特開平７−９１７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、燃料電池等の試験対象物等に供給する流体の流量が少ない場合でも、熱交換体との熱交換を向上させることができる熱交換装置及び当該熱交換装置を備える試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の熱交換装置は、流体と熱交換する熱交換体と、前記熱交換体を収容する熱交換室と、前記熱交換室に前記流体を流入させる第一流入管及び第二流入管と、前記熱交換室に流入させる流体の流量に応じて前記第一流入管及び前記第二流入管の開閉を制御する配管開閉制御手段を有し、前記第二流入管は、前記流体の流量が所定値以下の時に、前記配管開閉制御手段により、閉じられる前記第一流入管に代えて、前記熱交換室に前記流体を流入させるものであって、前記熱交換室に接続される前記第二流入管の少なくとも吹出し口は、前記第一流入管の内径より小さい。
【００１６】
また、前記熱交換装置において、前記吹出し口は、前記熱交換室に接続される前記第一流入管の吹出し口より、前記熱交換体に近い位置まで突出することが好ましい。
【００１７】
また、前記熱交換装置において、前記熱交換体は、ヒーターであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、熱交換装置に設けられる第二流入管は、流体の流量が所定値以下の時に、配管開閉制御手段により、閉じられる第一流入管に変えて、熱交換室に流体を流入させるものであって、熱交換室に接続される第二流入管の少なくとも吹出し口を、第一流入管の内径より小さくすることによって、燃料電池等の試験対象物等に対する流体の供給量が少ない場合でも、熱交換体との熱交換を向上させることができる熱交換装置及び当該熱交装置を備える試験装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る試験装置の構成の一例を説明するための模式図である。本実施形態に係る試験装置は、燃料電池の正極に流入するアノードガス、負極に流入するカソードガスの温度条件を調整して、燃料電池の性能を評価する試験装置を例として説明する。図１に示すように、試験装置１は、アノードガス配管１０、カソードガス配管１２、アノードガス供給源１４、カソードガス供給源１６、熱交換装置１８ａ，１８ｂを有する。
【００２１】
アノードガス配管１０は、アノードガス供給源１４と後述する熱交換装置１８ａの第一流入管３２、アノードガス供給源１４と後述する熱交換装置１８ａの第二流入管３５とを接続するものである。アノードガス配管１０には、試験対象物としての燃料電池２０に供給するアノードガスの流量を調整する流量調整手段として、圧力計を備えたバルブ２２ａが設けられている。
【００２２】
カソードガス配管１２は、カソードガス供給源１６と後述する熱交換装置１８ｂの第一流入管３２、カソードガス供給源１６と後述する熱交換装置１８ｂの第二流入管３５とを接続するものである。カソードガス配管１２には、燃料電池２０に供給するカソードガスの流量を調整する流量調整手段として、圧力計を備えたバルブ２２ｂが設けられている。
【００２３】
図２は、本発明の実施形態に係る熱交換装置の構成の一例を示す模式断面図である。図２に示すように、熱交換装置１８（図１に示す熱交換装置１８ａ，１８ｂ）は、熱交換体２４、熱交換室２６、制御装置２８、サーミスタ３０、第一流入管３２、排出管３４、第二流入管３５、開閉制御装置４４を有する。熱交換室２６内には、熱交換体２４が収容される。
【００２４】
第一流入管３２は、熱交換室２６と図１に示すアノードガス配管１０とを接続するものであり、第一流入管３２には、配管の開閉を行うバルブ３３ａが備えられている。第二流入管３５は、熱交換室２６と図１に示すアノードガス配管１０とを接続するものである。第二流入管３５にも、同様に、配管の開閉を行うバルブ３３ｂが備えられている。排出管３４は、熱交換室２６と図１に示す試験対象物としての燃料電池２０とを接続するものである。
【００２５】
熱交換装置１８の流体の流れについては、後述するが、第一流入管３２及び第二流入管３５は、熱交換室２６に流体を流入させるものであるが、第二流入管３５は、熱交換室２６に流入させる流体の流量が所定値以下の時（流体の流量が少ない時）に、第一流入管３２に代えて、熱交換室２６に流体を流入させるものである。流量の所定値は、第一流入管３２の内径により適宜設定される。
【００２６】
第二流入管３５は、第一流入管３２の内径（図２に示すＬ、又は第一流入管３２の吹出し口３２ａの径）より小さい径の吹出し口３５ａを有している。第一流入管３２の内径より小さい径の吹出し口３５ａを設けることにより、流体の流量が所定値以下の時（流体の流量が少ない時）でも、第二流入管３５を流れる流体の流速を上昇させ、熱交換室２６内に流体を勢い良く噴出させることができる。すなわち、大流量時に熱交換室２６内に噴出（流入）する流体の流速と比較して、小流量時でも熱交換室２６内に噴出する流体の流速が遅くなることを抑制することができる。このように、流体の流速の低下を抑制することができれば、熱交換室２６の内壁に沿って流体が流れることを抑制することができる。そのため、熱交換体２４との接触機会をより多く確保し、流体との熱交換を向上させることができる。
【００２７】
図３は、本実施形態に用いられる第二流入管の一部拡大模式断面図である。本実施形態では、熱交換室２６に接続する第二流入管３５の少なくとも吹出し口３５ａが、第一流入管３２の内径（第一流入管の吹出し口３２ａの径）より小さいものであればよい。しかし、第二流入管３５を流れる流体の流速が上昇する距離を長く確保することができる点で、図２，３に示すように、第二流入管３５（第二流入管３５の一部も含む）の内径も第一流入管３２の内径より小さいことが好ましい。
【００２８】
図４は、本発明の他の実施形態に係る熱交換装置の構成の一例を示す模式断面図である。図４に示すように、熱交換装置１８ａは、熱交換体２４、熱交換室２６、制御装置２８、サーミスタ３０、第一流入管３２、排出管３４、第二流入管３８、開閉制御装置４４を有する。図４に示す熱交換装置１８ａにおいて、図２に示す熱交換装置１８と同様の構成については同一の符号を付してある。
【００２９】
図５は、本発明の他の実施形態に用いられる第二流入管の一部拡大模式断面図である。また、図６は、図５のＡ−Ａ線における第二流入管の一例を示す模式断面図である。図６に示すように、吹出し口３８ａは、複数形成されてもよい。但し、複数の吹出し口３８ａの径の総和を第一流入管３２の内径より小さくする必要がある。
【００３０】
図７は、本発明の他の実施形態に用いられる第二流入管の一部拡大模式断面図である。図７に示すように、吹出し口３８ａは、第一流入管３２の吹出し口３２ａより、熱交換体２４に近い位置まで突出していることが好ましい。これにより、熱交換体２４付近で流体を噴出させることができるため、小流量時でも、熱交換体２４との接触機会をより確保することができ、効率的に熱交換を行わせることができる。図７に示すように、突出した吹出し口３８ａも同様に、複数形成されてもよい。
【００３１】
また、従来のような第一流入管のみでは、上記のように小流量時用に径の小さい吹出し口を設けたり、突出した吹出し口等を第一流入管に設けたとしても、大流量時では、第一流入管の圧損が高くなり、破損するおそれがある。しかし、本実施形態のように、第一流入管とは別の第二流入管を設けることによって、小流量時用に径の小さい吹出し口を設けたり、突出した吹出し口を設けることができる。
【００３２】
図８は、本発明の他の実施形態に係る熱交換装置の構成の一例を示す模式断面図である。図８における熱交換装置において、図２に示す熱交換装置と同様の構成については同一の符号を付してある。図８に示すように、第二流入管４２は、熱交換装置１８ｂを小型化することができる点で、第一流入管３２と熱交換室２６とを連通するバイパス管であることが好ましい。
【００３３】
本実施形態に係る熱交換装置において、流体が小流量の場合でも、流体の熱交換を向上させることができる点、熱交換装置を小型化することができる点で、第二流入管は、第一流入管と熱交換室とを連通するバイパス管であり、第二流入管の吹出し口は、流入管の内径より小さい径であって、第一流入管の吹出し口より、熱交換室内の熱交換体に近い位置まで突出していることがより好ましい。
【００３４】
次に、熱交換装置１８（１８ａ，１８ｂ）のその他の部材について説明する。
【００３５】
熱交換体２４は、流体が接触することにより、流体と熱交換を行うものであり、熱交換により流体を加熱する場合には、ヒーター等が用いられる。具体的には、ニッケルクロム線等の発熱線を熱伝導性の良い銅等の金属管等に収容したもの等が挙げられる。また、熱交換により流体を冷却する場合には、熱伝導性の良い銅等の金属板（放熱板）や、ニッケルクロム線等の発熱線を熱伝導性の良い銅等の金属管等に水等の冷媒を供給するもの等が挙げられる。
【００３６】
制御装置２８は、熱交換体２４の温度状態を制御する制御手段である。例えば、熱交換体２４にヒーターが用いられる場合には、制御装置２８は、熱交換体２４と電気的に接続され、熱交換体２４への通電のＯＮ，ＯＦＦ、電力の調整等を行うものである。サーミスタ３０は、熱交換した流体の温度を検知する温度検知手段であり、例えば、排出管３４に設けられる。また、サーミスタ３０は、制御装置２８と電気的に接続され、制御装置２８に検知した流体の温度データを送信することができる。
【００３７】
開閉制御装置４４は、流体の流量に応じて、第一流入管３２のバルブ３３ａ及び第二流入管４２のバルブ３３ｂの開閉を制御する配管開閉制御手段である。開閉制御装置４４は、図１に示す流量を調節するバルブ２２ａ，２２ｂ、第一流入管３２のバルブ３３ａ及び第二流入管（３５，３８，４２）のバルブ３３ｂと電気的に接続されている。例えば、流体の流量を調節するバルブ２２ａ，２２ｂに備えられた圧力計が、計測した流体の流量が所定値以下であれば、開閉制御装置４４により、第一流入管３２のバルブ３３ａが閉じられ、第二流入管（３５，３８，４２）のバルブ３３ｂが開けられる。
【００３８】
次に、試験装置及び熱交換装置の動作について、図１及び図２を用いて説明する。
【００３９】
図１に示す流量調整手段としてのバルブ２２ａ，２２ｂの開閉度により、アノードガス供給源１４、カソードガス供給源１６から燃料電池２０に供給されるガスの流量が調整される。アノードガスは、アノードガス供給源１４からアノードガス配管１０を通り、カソードガスは、カソードガス供給源１６からカソードガス配管１２を通る。調整した流量が所定値を超える場合（大流量時）、図２に示す熱交換装置１８の第一流入管３２にアノードガス又はカソードガスが流れるように、開閉制御装置４４により第一流入管３２のバルブ３３ａが開けられ、アノードガス又はカソードガスは、第一流入管３２を通り、熱交換室２６に流入する。
【００４０】
一方、決定した流量が所定値以下の場合（小流量時）、図２に示す熱交換装置１８の第二流入管３５にアノードガス又はカソードガスが流れるように、開閉制御装置４４により第一流入管３２のバルブ３３ａが閉じられ、第二流入管３５のバルブ３３ｂが開けられる。そして、アノードガス又はカソードガスは、第二流入管３５を通り、熱交換室２６に流入する。流体の流量の所定値は、第一流入管３２の配管の内径等により適宜設定されればよい。
【００４１】
熱交換室２６にアノードガス又はカソードガスが流入すると、制御装置２８により熱交換体２４への通電が行われる。そして、流体は熱交換体２４と接触することによって、熱交換体２４との間で熱交換が行われる。熱交換体２４との熱交換により、所定温度まで加熱されたアノードガス又はカソードガスは、排出管３４の入口３４ａから排出される。この際、排出されるアノードガス又はカソードガスの温度は、サーミスタ３０により検知され、制御装置２８に温度データが送信される。制御装置２８は、サーミスタ３０からの温度データに応じて、熱交換体２４への供給電力をコントロールすることによって、排出されるアノードガス又はカソードガスの温度が所定の温度になるように制御される。
【００４２】
アノードガス又はカソードガスは、排出管３４を通り、図１に示す燃料電池２０に供給される。また、試験装置１に水蒸気交換機、バブリング機等を設けて、アノードガス又はカソードガスを加湿してもよい。
【００４３】
以上のように、本実施形態に係る熱交換装置において、第二流入管は、熱交換室に流入する流体の流量が所定値以下の時に、配管開閉制御装置により閉じられる第一流入管に代えて、熱交換室に流体を流入させるものであって、第二流入管の少なくとも吹出し口の径を第一流入管の内径より小さくすることによって、流体の流量が少ない場合でも、熱交換室内に噴出される流体の流速を上昇させることができる。これにより、流体の流量が少ない場合でも、流体は、熱交換室内に勢い良く噴出するため、熱交換室内の内壁に沿って流れることを抑制することができる。そのため、熱交換体との熱交換を向上させ、流体の温度調整の精度を高めることができる。
【００４４】
また、本実施形態に係る上記熱交換装置は、燃料電池の評価試験を行うための試験装置として例示したが、これに限定されるものではない。例えば、バイオテクノロジーや薬品の研究用の試験装置において、試験対象物に対して供給されるガス、液体等の流体と熱交換（加熱、冷却）するための熱交換装置としても使用することができる。具体的には、生体内における環境因子を再現して試験を行う炭酸ガス培養装置や嫌気性培養装置、インキュベーター等に代表される培養装置、医薬品、化学薬品、化粧品等の品質保持特性を確認するための安定性試験、保存試験用の試験装置等の熱交換装置として使用することも可能である。また、流体を加熱、冷却して室内温度を調節する空調機の熱交換装置としても使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態に係る試験装置の構成の一例を説明するための模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱交換装置の構成の一例を示す模式断面図である。
【図３】本実施形態に用いられる第二流入管の一部拡大模式断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る熱交換装置の構成の一例を示す模式断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に用いられる第二流入管の一部拡大模式断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線における第二流入管の一例を示す模式断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態に用いられる第二流入管の一部拡大模式断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態に係る熱交換装置の構成の一例を示す模式断面図である。
【図９】一般的な熱交換装置の模式断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  試験装置、１０  アノードガス配管、１２  カソードガス配管、１４  アノードガス供給源、１６  カソードガス供給源、１８，１８ａ，１８ｂ  熱交換装置、２０  燃料電池、２２ａ，２２ｂ  バルブ、２４  熱交換体、２６  熱交換室、２８  制御装置、３０  サーミスタ、３２  第一流入管、３２ａ  吹出し口、３３ａ，３３ｂ  バルブ、３４  排出管、３４ａ  入口、３５，３８，４２  第二流入管、３５ａ，３８ａ，４２ａ  吹出し口、４４      開閉制御装置、５０  熱交換装置、５２  熱交換体、５４  熱交換室、５６  制御装置、５８  サーミスタ、６０  流入管、６２  排出管。
【図１】
2009036421.tif 000003
【図２】
2009036421.tif 000004
【図３】
2009036421.tif 000005
【図４】
2009036421.tif 000006
【図５】
2009036421.tif 000007
【図６】
2009036421.tif 000008
【図７】
2009036421.tif 000009
【図８】
2009036421.tif 000010
【図９】
2009036421.tif 000011