熱交換器
【課題】圧力損失の増大を招くことなくチューブの塑性変形を防止することが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】被加熱流体の導入口４５に接続される第一の空間Ａと、被加熱流体の導出口４８に接続される第二の空間Ｂと、第一の空間Ａおよび第二の空間Ｂの間に配置されて、加熱流体の導入口（配管４６）および導出口（配管４７）に接続される第三の空間Ｃと、が外郭ケース４１内に形成される熱交換器において、一側の開口端が第一の空間Ａに開放されるとともに、他側の開口端が第二の空間Ｂに開放され、中途部は第三の空間Ｃに並列配置される複数のチューブ４４・４４・・・と、第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを仕切るとともに、チューブ４４の一側の端部を摺動可能に支持する導入側仕切部材４２と、第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを仕切るとともに、チューブ４４の他側の端部を摺動可能に支持する導出側仕切部材４３と、を具備した。
【解決手段】被加熱流体の導入口４５に接続される第一の空間Ａと、被加熱流体の導出口４８に接続される第二の空間Ｂと、第一の空間Ａおよび第二の空間Ｂの間に配置されて、加熱流体の導入口（配管４６）および導出口（配管４７）に接続される第三の空間Ｃと、が外郭ケース４１内に形成される熱交換器において、一側の開口端が第一の空間Ａに開放されるとともに、他側の開口端が第二の空間Ｂに開放され、中途部は第三の空間Ｃに並列配置される複数のチューブ４４・４４・・・と、第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを仕切るとともに、チューブ４４の一側の端部を摺動可能に支持する導入側仕切部材４２と、第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを仕切るとともに、チューブ４４の他側の端部を摺動可能に支持する導出側仕切部材４３と、を具備した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池やガスタービン等のエネルギーシステムに用いられる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度の高い加熱流体から温度の低い被加熱流体へ効率的に熱を移動させるための機器である熱交換器が公知となっている。例えば、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と称する。）等のような作動温度の高い燃料電池においては、熱効率を高めることを目的として、排ガス（加熱流体）の排熱を利用して空気（被加熱流体）を予熱する空気予熱器が熱交換器として具備されている。例えば特許文献１および特許文献２に記載の如くである。
【０００３】
特許文献１に記載の熱交換器は、内部に被加熱流体が流通するとともに、外部に加熱流体が流通する多数の並列配置されたチューブの集合体によりなるコアと、夫々のチューブの両端が、そのチューブ挿通孔に接合された一対の円板状のチューブプレートと、両チューブプレートの近傍を除いて前記コアの外周を被蔽する断面が矩形の内筒と、一方のチューブプレートに対向して、前記内筒の一端部外周に被嵌された円形の外周を有する第一バッフルプレートと、その第一バッフルプレートに一端が接合され、他端が他方に設けた外周の円形の第二バッフルプレートまたは他方のチューブプレートに接合され、軸線方向に熱膨張可能な波形曲折部を外周に有する円筒状の外筒と、前記コアの両端部位置で、夫々の前記内筒の両端とチューブプレートとの間に設けられた加熱流体の出口と入口と、を具備し、前記一対のチューブプレートに夫々被加熱流体の導入口および導出口が接続された構成のものである。このような構成の熱交換器においては、外筒に熱膨張可能な波形曲折部が設けられているから、コアに熱変化があった場合、当該外筒が軸線方向に膨張あるいは収縮することにより、コアに発生する熱応力をある程度緩和することができる。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の熱交換器においては、コアを構成するチューブの一部に熱が集中したような場合、外筒の伸縮だけで当該チューブに発生する熱応力を充分に緩和することは困難であり、チューブの塑性変形が生じる場合があった。
【０００５】
一方、特許文献２に記載の熱交換器は、加熱流体を流通させる加熱流体通路と、前記加熱流体通路と直交する方向から供給される被加熱流体を入側ディストリビュータで分配して前記加熱流体と平行流となる熱交換流路を形成し、熱交換された前記被加熱流体を出側ディストリビュータで分配して前記加熱流体通路と直交する方向に排出する被加熱流体通路とが積層配置された構成からなる熱交換器において、前記入側ディストリビュータ、または出側ディストリビュータを前記加熱流体通路の入口端から加熱流体の流れ方向に所定の距離を設けて離隔された位置で積層配置した構成のものである。このような構成の熱交換器においては、加熱流体および被加熱流体の通路の入側および出側で大きな温度勾配が生じることを回避することができるので、チューブの一部に熱が集中するような事態を防止することができ、ひいてはチューブの塑性変形を防止することができる。
【０００６】
しかし、特許文献２に記載の熱交換器においては、被加熱流体が流通する通路が複雑になることで圧力損失が大きくなるので、これに対処するために被加熱流体を供給するためのブロアを大型化する必要が生じる等、コストの増大を招く場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−６０９３２号公報
【特許文献２】特開２００８−３９２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記を考慮して、圧力損失の増大を招くことなくチューブの塑性変形を防止することが可能な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】
【０００９】
請求項１の発明は、
被加熱流体の導入口に接続される第一の空間と、
被加熱流体の導出口に接続される第二の空間と、
前記第一の空間および前記第二の空間の間に配置されて、加熱流体の導入口および導出口に接続される第三の空間と、が外郭ケース内に形成される熱交換器において、
一側の開口端が前記第一の空間に開放されるとともに、他側の開口端が前記第二の空間に開放され、中途部は前記第三の空間に並列配置される複数のチューブと、
前記第一の空間と前記第三の空間とを仕切るとともに、前記チューブの一側の端部を摺動可能に支持する導入側仕切部材と、
前記第二の空間と前記第三の空間とを仕切るとともに、前記チューブの他側の端部を摺動可能に支持する導出側仕切部材と、を具備したことを特徴としている。
【００１０】
したがって、チューブに熱変化があった場合、該チューブは導入側仕切部材および導出側仕切部材に対して摺動して長手方向に膨張あるいは収縮する。
【００１１】
請求項２の発明は、
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記チューブの一側の端部は、前記導入側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔に圧入により嵌合されて、
前記チューブの他側の端部は、前記導出側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔に圧入により嵌合されることを特徴としている。
【００１２】
したがって、チューブに所定量以上の熱変化があった場合、該チューブは導入側仕切部材および導出側仕切部材に対して摺動して長手方向に膨張あるいは収縮する。
【００１３】
請求項３の発明は、
請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記導入側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔の縁には、テーパ状のフランジが形成され、該フランジは、前記第一の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも小さく、かつ、前記第三の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも大きくなるように設定され、
前記導出側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔の縁には、テーパ状のフランジが形成され、該フランジは、前記第二の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも小さく、かつ、前記第三の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも大きくなるように設定されていることを特徴としている。
【００１４】
したがって、チューブはフランジにより締付け保持される。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、チューブに発生する熱応力を緩和することができ、圧力損失の増大を招くことなくチューブの塑性変形を防止することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、チューブに所定量以上の熱応力が発生することを防止することができ、圧力損失の増大を招くことなくチューブの塑性変形を防止することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、チューブを導入側仕切部材および導出側仕切部材に支持されている状態に組み付けることが容易となる。また、フランジの形状を設計変更することにより、フランジがチューブを締付け保持する締付力の大きさを適宜の大きさに調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の熱交換器の実施の一形態に係る空気予熱器を具備するＳＯＦＣのエネルギーシステムの全体的な構成を示すブロック図である。図中に実線で示した矢印は排ガスの流れを示し、点線で示した矢印は空気の流れを示し、一点鎖線で示した矢印は燃料ガスの流れを示している。
【図２】空気予熱器の分解斜視図である。
【図３】空気予熱器の断面図である。
【図４】チューブの導入側仕切部材および導出側仕切部材への組み付け方を示す模式図であり、（ａ）はチューブをチューブ挿通孔に圧入する前の状態を示す図、（ｂ）は圧入工程を示す図、（ｃ）は圧入した後の状態を示す図である。
【図５】チューブが長手方向に伸縮する様子を示す模式図であり、（ａ）は大きな熱変化がある前のチューブの状態を示す図、（ｂ）は大きな熱変化があったときのチューブの状態を示す図である。図中に実線で示した矢印は排ガスの流れを示し、点線で示した矢印は空気の流れを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示すエネルギーシステム１は、ＳＯＦＣのエネルギーシステムであって、本発明の熱交換器の実施の一形態に係る空気予熱器４を具備している。
エネルギーシステム１は、燃料電池スタック２、燃焼装置３、空気予熱器４、および燃料改質器５等を具備している。
【００２１】
燃料電池スタック２は、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を作り出すものである。本実施形態に係る燃料電池スタック２は、複数のＳＯＦＣが積層されて構成されている。燃料電池スタック２は、配管１１を介して燃料改質器５と接続されている。燃料ガスは、当該燃料改質器５に供給されることにより、水素と一酸化炭素に変換されて、各ＳＯＦＣの燃料極に供給される。また、燃料電池スタック２は、配管１２を介して空気予熱器４と接続されている。該空気予熱器４を経由した空気が供給されることにより、酸素が各ＳＯＦＣの空気極に供給される。各ＳＯＦＣにおいては、空気極で酸素がイオン化されて（酸素が還元されて）、当該酸素イオンが空気極と燃料極の間に挟まれる電解質を透過し、燃料極で水素および一酸化炭素と電気化学反応する（水素および一酸化炭素は酸化される）。このとき生成した電子が外部回路を通って反対側の空気極に送られることにより、外部回路に電流が流れる。こうして、各ＳＯＦＣにおいては電気エネルギーを発生させることができるのである。さらに、燃料電池スタック２は、配管１３を介して燃焼装置３と接続されている。
【００２２】
燃焼装置３は、燃料電池スタック２で電気化学反応しなかった残りの燃料を酸素とともに燃焼させるものである。燃焼装置３は、配管１３を介して燃料電池スタック２と接続されている。また、燃焼装置３は、配管１４を介して空気予熱器４と接続されている。
【００２３】
空気予熱器４は、排ガスの排熱を利用して燃料電池スタック２に導入される前の空気を予熱するものである。換言すれば、排ガスと空気との間で効率よく熱交換を行わせて、燃料電池スタック２に供給する空気を高温にするためのものである。空気予熱器４には、ブロア等を用いて配管１５を介して外部の空気が送り込まれるようになっている。空気予熱器４は、配管１４を介して燃焼装置３と接続されており、該燃焼装置３によって燃焼された後の高温の排ガスが空気予熱器４に供給されるようになっている。また、空気予熱器４は、配管１２を介して燃料電池スタック２と接続されている。このような構成により、作動温度の高いＳＯＦＣに高温の空気を供給できるようになっている。
【００２４】
なお、本実施形態のエネルギーシステム１においては、排ガスは燃焼装置３を経由して空気予熱器４に供給されるものとしたが、本発明はこれに限定するものではない。すなわち、燃料電池スタックで電気化学反応しなかった残りの燃料と空気が混合された気体が燃焼装置を経由せずに空気予熱器に直接供給される構成としてもよい。
【００２５】
燃料改質器５は、排ガスの排熱を利用して燃料ガスを水素と一酸化炭素に変換するものである。燃料改質器５には、配管１６を介して燃料ガスが送り込まれるようになっている。燃料改質器５は、配管１７を介して空気予熱器４と接続されており、該空気予熱器４を通過した後の高温の排ガスが燃料改質器５に供給されるようになっている。このような構成により、燃料の改質に必要な作動温度が得られて、効率よく改質を行うことができるようにしている。また、燃料改質器５は、配管１１を介して燃料電池スタック２と接続されている。なお、燃料改質器５を通過した後の排ガスは、フィルター等を通して浄化された後、外部に放出される。
【００２６】
以下では、空気予熱器４について図２〜図５を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明においては、空気予熱器４の導入口４５が設けられている側を上側、空気予熱器４の導出口４８が設けられている側を下側と定義して、説明を行う。
本実施形態においては、燃料電池スタック２に導入される前の空気が被加熱流体に相当し、排ガスが加熱流体に相当する。
【００２７】
図２および図３に示すように、空気予熱器４は、外郭を成す直方体形状の外郭ケース４１内に、導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３により支持された複数のチューブ４４・４４・・・を収容して構成されている。外郭ケース４１は、上下に上外郭ケース４１ａ、中外郭ケース４１ｃ、および下外郭ケース４１ｂに分割可能に構成される。導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３は、中外郭ケース４１ｃ内で上下に適宜の間隔をあけて水平方向に配置されて、外郭ケース４１内を第一の空間Ａと、第二の空間Ｂと、第三の空間Ｃと、に区画している。
【００２８】
第一の空間Ａは、燃料電池スタック２に供給される前の空気を空気予熱器４に導入するための空間である。図２および図３に示すように、第一の空間Ａを取り囲んでいる上外郭ケース４１ａの側面には、前記配管１５と接続するための導入口４５が設けられている。
【００２９】
第三の空間Ｃは、加熱流体である排ガスと、被加熱流体である空気と、の間で熱交換を行わせるための空間である。第三の空間Ｃは、第一の空間Ａと、第二の空間Ｂと、の間に配置されている。図２および図３に示すように、第三の空間Ｃを取り囲んでいる中外郭ケース４１ｃの側面には、当該第三の空間Ｃに排ガスを導入するための配管４６と、当該第三の空間Ｃから排ガスを導出するための配管４７と、が対向するように接続されている。このように、第三の空間Ｃは排ガスの導入口（配管４６）および導出口（配管４７）に接続されている。なお、配管４６は、配管１４の空気予熱器４側の開口端と接続されている。また、配管４７は、配管１７の空気予熱器４側の開口端と接続されている。
【００３０】
第二の空間Ｂは、熱交換がされた後の空気が通る空間である。図２および図３に示すように、第二の空間Ｂを取り囲んでいる下外郭ケース４１ｂの側面には、当該第二の空間Ｂから熱交換後の空気を導出するための導出口４８が接続されている。なお、導出口４８は、配管１２の空気予熱器４側の開口端と接続されている。
【００３１】
導入側仕切部材４２は、第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを仕切る、換言すれば第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを区画する部材である。導入側仕切部材４２は、長方形状の板状の部材であり、図３に示すように、所定間隔毎にチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・（図４参照）が形成されている。チューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・は、後述するチューブ４４・４４・・・と同じ数だけ形成されている。導入側仕切部材４２は、外郭ケース４１（中外郭ケース４１ｃ）の内側に隙間なく固定されている。
【００３２】
導入側仕切部材４２のチューブ挿通孔４２ｈについてより詳細に説明すると、本実施形態のチューブ挿通孔４２ｈは円形状の孔であり、その縁に沿ってフランジ４２ａが形成されている（図４参照）。フランジ４２ａは、第一の空間Ａ側に突出するように設けられている。フランジ４２ａはテーパ状に、より詳細には第一の空間Ａ側に向かうに従って次第に細くなる形状に形成されている。
【００３３】
導出側仕切部材４３は、第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを仕切る、換言すれば第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを区画する部材である。導出側仕切部材４３は、長方形状の板状の部材であり、図３に示すように、所定間隔毎にチューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・が形成されている。チューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・は、後述するチューブ４４・４４・・・と同じ数だけ形成されており、前述した導入側仕切部材４２のチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・と対向する位置に形成されている。導出側仕切部材４３は、外郭ケース４１（中外郭ケース４１ｃ）の内側に隙間なく固定されている。
【００３４】
導出側仕切部材４３のチューブ挿通孔４３ｈについてより詳細に説明すると、本実施形態のチューブ挿通孔４３ｈは円形状の孔であり、その縁に沿ってフランジ４３ａが形成されている（図４参照）。フランジ４３ａは、第二の空間Ｂ側に突出するように設けられている。フランジ４３ａはテーパ状に、より詳細には第二の空間Ｂ側に向かうに従って次第に細くなる形状に形成されている。
【００３５】
以下では、チューブ４４・４４・・・について説明する。チューブ４４・４４・・・は、空気の通路を成すものである。チューブ４４・４４・・・は複数具備されており、外郭ケース４１（中外郭ケース４１ｃ）内に並設、すなわち相互に平行な状態に設けられている。なお、いずれのチューブ４４・４４・・・も形状、材質、および機能等の点において同様であるので、以下ではそのうちの一つのチューブ４４について特に詳細に説明する。
【００３６】
チューブ４４は、金属製の細長い円筒形状の部材である。チューブ４４の両端部は開口されている。
【００３７】
チューブ４４の一側の端部は、導入側仕切部材４２に形成されたチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・の一つに、圧入により嵌合される。本実施形態においては、チューブ４４の一側の端部は、導入側仕切部材４２に形成されたチューブ挿通孔４２ｈのフランジ４２ａ内に、第三の空間Ｃ側から挿入され（図４（ａ）および図４（ｂ）参照）、その先端（開口端）が第一の空間Ａ側に突出している状態となるように組み付けられる（図４（ｃ）参照）。
【００３８】
ここで、チューブ４４およびフランジ４２ａの寸法について詳述すると、フランジ４２ａの第三の空間Ｃ側の開口端の内径Ｄは、チューブ４４の外径Ｅよりも大きい寸法に設定されている。また、フランジ４２ａの第一の空間Ａ側の開口端の内径Ｆは、チューブ４４の外径Ｅよりも小さい寸法に設定されている。ここで、フランジ４２ａの第一の空間Ａ側の開口端の内径Ｆは、圧入されたチューブ４４を適度の大きさで締付け保持できる寸法に設定されている。なお、ここで言う「適度な大きさ」とは、チューブ４４に発生している熱応力が所定値未満（例えば、チューブ４４の塑性変形が生じない程度の値）である場合にはチューブ４４をフランジ４２ａに対して摺動不能に支持するが、チューブ４４に発生している熱応力が所定値以上（例えば、それ以上に大きくなるとチューブ４４の塑性変形が生じる虞のある所定の値）となった場合にはチューブ４４がフランジ４２ａに対して摺動可能となるような、締付け力の大きさを指す。
【００３９】
チューブ４４の他側の端部は、導出側仕切部材４３に形成されたチューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・の一つに、圧入により嵌合される。本実施形態においては、チューブ４４の他側の端部は、導出側仕切部材４３に形成されたチューブ挿通孔４３ｈのフランジ４３ａ内に、第三の空間Ｃ側から挿入され（図４（ａ）および図４（ｂ）参照）、その先端（開口端）が第二の空間Ｂ側に突出している状態となるように組み付けられる（図４（ｃ）参照）。
【００４０】
ここで、チューブ４４およびフランジ４３ａの寸法について詳述すると、フランジ４３ａの第三の空間Ｃ側の開口端の内径Ｄは、チューブ４４の外径Ｅよりも大きい寸法に設定されている。また、フランジ４３ａの第二の空間Ｂ側の開口端の内径Ｆは、チューブ４４の外径Ｅよりも小さい寸法に設定されている。ここで、フランジ４３ａの第二の空間Ｂ側の開口端の内径Ｆは、圧入されたチューブ４４を適度の大きさで締付け保持できる寸法に設定されている。なお、ここで言う「適度の大きさ」とは、チューブ４４に発生している熱応力が所定値未満（例えば、チューブ４４の塑性変形が生じない程度の値）である場合にはチューブ４４をフランジ４３ａに対して摺動不能に支持するが、チューブ４４に発生している熱応力が所定値以上（例えば、それ以上に大きくなるとチューブ４４の塑性変形が生じる虞のある所定の値）となった場合にはチューブ４４がフランジ４３ａに対して摺動可能となるような、締付け力の大きさを指す。
【００４１】
上述のように、チューブ４４・４４・・・の一側の端部が導入側仕切部材４２に支持され、チューブ４４・４４・・・の他側の端部が導出側仕切部材４３に支持されることにより、チューブ４４・４４・・・の中途部は第三の空間Ｃ内に並列配置される。
【００４２】
このような構成の空気予熱器４において、空気は、導入口４５から第一の空間Ａに導入され、該第一の空間Ａに開放されているチューブ４４・４４・・・の一側の開口端からチューブ４４・４４・・・内に取り入れられ、チューブ４４・４４・・・内を通過する。そして、第三の空間Ｃにおいて排ガスとの間で熱交換が行われた後、第二の空間Ｂに開放されているチューブ４４・４４・・・の他側の開口端から第二の空間Ｂに排出され、該第二の空間Ｂから導出口４８に導出される。こうして、空気は排ガスの排熱を利用して予熱されるのである。
【００４３】
以上で説明したように、本実施形態に係る空気予熱器４は、
被加熱流体の導入口である導入口４５に接続される第一の空間Ａと、
被加熱流体の導出口である導出口４８に接続される第二の空間Ｂと、
第一の空間Ａおよび第二の空間Ｂの間に配置されて、加熱流体の導入口である配管４６および導出口である配管４７に接続される第三の空間Ｃと、が外郭ケース４１内に形成される熱交換器において、
一側の開口端が第一の空間Ａに開放されるとともに、他側の開口端が第二の空間Ｂに開放され、中途部は第三の空間Ｃに並列配置される複数のチューブ４４・４４・・・と、
第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを仕切るとともに、チューブ４４・４４・・・の一側の端部を摺動可能に支持する導入側仕切部材４２と、
第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを仕切るとともに、チューブ４４・４４・・・の他側の端部を摺動可能に支持する導出側仕切部材４３と、を具備したことを特徴としたものである。
したがって、チューブ４４・４４・・・に熱変化があった場合、該チューブ４４・４４・・・は長手方向に膨張あるいは収縮する（図５（ａ）および図５（ｂ）参照）。これは、本実施形態の空気予熱器４においては、従来からある熱交換器の構成のようにチューブの両端部が導入側仕切部材および導出側仕切部材に溶着（固着）されているのではなく、導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３に対して摺動可能に設けられているため可能となるものである。
【００４４】
よって、チューブ４４・４４・・・に発生する熱応力を緩和することができ、チューブ４４・４４・・・の塑性変形を防止することができる。さらに、導入側仕切部材４２や導出側仕切部材４３や外郭ケース４１の塑性変形を防止することもできる。また、本実施形態の空気予熱器４においては、各チューブ４４が個別に長手方向に摺動することができる。つまり、チューブ４４・４４・・・の一部に熱が集中したような場合には、各チューブ４４の伸縮量が異なることとなるが、そのような場合においても各チューブ４４がそれぞれの伸縮量に応じて摺動できるため、熱応力を充分に緩和することができる。また、このようなことから、本実施形態の空気予熱器４においては、チューブ４４・４４・・・の一部に熱が集中することを回避するために空気が流通する通路を複雑にしたりする必要がないので、圧力損失の増大を招くこともない。
【００４５】
なお、本実施形態においては、チューブ４４・４４・・・を導入側仕切部材４２に対して摺動可能に設けていることから、導入側仕切部材４２は第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを気密に仕切るものではない。同様に、本実施形態においては、チューブ４４・４４・・・を導出側仕切部材４３に対して摺動可能に設けていることから、導出側仕切部材４３は第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを気密に仕切るものではない。したがって、空気が排ガスよりも圧力が高く設計されている場合、第一の空間Ａ内あるいは第二の空間Ｂ内の空気が、第三の空間Ｃ内の排ガスに少量混入する虞がある。しかし、第三の空間Ｃ内で熱交換がされた後の排ガスは、その後は燃料改質器５において燃料ガスを加熱するのに利用されたり、外部に排出されたりするだけであるので、仮に排ガスに少量の空気が混入したとしても、このことによるＳＯＦＣの性能への影響は微々たるものであると考えられる。
【００４６】
また、本実施形態に係る空気予熱器４は、
チューブ４４・４４・・・の一側の端部は、導入側仕切部材４２に形成されたチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・に圧入により嵌合されて、
チューブ４４・４４・・・の他側の端部は、導出側仕切部材４３に形成されたチューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・に圧入により嵌合されることを特徴としたものである。
したがって、チューブ４４・４４・・・に所定量以上（例えば、それ以上に大きくなるとチューブ４４の塑性変形が生じる虞のある所定の量以上）の熱変化があった場合、該チューブ４４・４４・・・は導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３に対して摺動して長手方向に膨張あるいは収縮する（図５（ａ）および図５（ｂ）参照）。
【００４７】
よって、チューブ４４・４４・・・に所定量以上の熱応力が発生することを防止することができ、圧力損失の増大を招くことなくチューブ４４・４４・・・の塑性変形を防止することができる。
【００４８】
さらに、本実施形態に係る空気予熱器４は、
導入側仕切部材４２に形成されたチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・の縁には、テーパ状のフランジ４２ａ・４２ａ・・・が形成され、フランジ４２ａは、第一の空間Ａ側の開口端の内径Ｆがチューブ４４の外径Ｅよりも小さく、かつ、第三の空間Ｃ側の開口端の内径Ｄがチューブ４４の外径Ｅよりも大きくなるように設定され、
導出側仕切部材４３に形成されたチューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・の縁には、テーパ状のフランジ４３ａ・４３ａ・・・が形成され、フランジ４３ａは、第二の空間Ｂ側の開口端の内径Ｆがチューブ４４の外径Ｅよりも小さく、かつ、第三の空間Ｃ側の開口端の内径Ｄがチューブ４４の外径よりも大きくなるように設定されていることを特徴としたものである（Ｄ＞Ｅ＞Ｆ：図４（ａ）参照）。
したがって、チューブ４４・４４・・・はフランジ４２ａ・４２ａ・・・およびフランジ４３ａ・４３ａ・・・により締付け保持される。
【００４９】
よって、チューブ４４・４４・・・を導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３に支持されている状態に組み付けることが容易となる。また、フランジ４２ａ・４３ａの形状を設計変更することにより、フランジ４２ａ・４３ａがチューブ４４を締付け保持する締付力の大きさを適宜の大きさに調整することができる。さらに、チューブ４４・４４・・・が径方向に膨張あるいは収縮しても、フランジ４２ａ・４３ａの部分で吸収することができるので、導入側仕切部材４２や導出側仕切部材４３や外郭ケース４１の塑性変形を防止することができる。
【００５０】
以上で本発明の好適な実施形態を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記の実施形態においては、ＳＯＦＣのエネルギーシステムに具備される空気予熱器に本発明を適用するものとした。しかしながら、これに代えて、他の作動温度の高い電池（例えば溶融炭酸塩形燃料電池）のエネルギーシステムに具備される熱交換器に本発明を適用してもよいし、あるいは、ガスタービンのエネルギーシステムに具備される熱交換器に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・・エネルギーシステム
２・・・・燃料電池スタック
３・・・・燃焼装置
４・・・・空気予熱器（熱交換器）
５・・・・燃料改質器
４１・・・外郭ケース
４２・・・導入側仕切部材
４２ａ・・フランジ
４２ｈ・・チューブ挿通孔
４３・・・導出側仕切部材
４３ａ・・フランジ
４３ｈ・・チューブ挿通孔
４４・・・チューブ
４５・・・配管（被加熱流体の導入口）
４６・・・配管（加熱流体の導入口）
４７・・・配管（加熱流体の導出口）
４８・・・配管（被加熱流体の導出口）
Ａ・・・・第一の空間
Ｂ・・・・第二の空間
Ｃ・・・・第三の空間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池やガスタービン等のエネルギーシステムに用いられる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度の高い加熱流体から温度の低い被加熱流体へ効率的に熱を移動させるための機器である熱交換器が公知となっている。例えば、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と称する。）等のような作動温度の高い燃料電池においては、熱効率を高めることを目的として、排ガス（加熱流体）の排熱を利用して空気（被加熱流体）を予熱する空気予熱器が熱交換器として具備されている。例えば特許文献１および特許文献２に記載の如くである。
【０００３】
特許文献１に記載の熱交換器は、内部に被加熱流体が流通するとともに、外部に加熱流体が流通する多数の並列配置されたチューブの集合体によりなるコアと、夫々のチューブの両端が、そのチューブ挿通孔に接合された一対の円板状のチューブプレートと、両チューブプレートの近傍を除いて前記コアの外周を被蔽する断面が矩形の内筒と、一方のチューブプレートに対向して、前記内筒の一端部外周に被嵌された円形の外周を有する第一バッフルプレートと、その第一バッフルプレートに一端が接合され、他端が他方に設けた外周の円形の第二バッフルプレートまたは他方のチューブプレートに接合され、軸線方向に熱膨張可能な波形曲折部を外周に有する円筒状の外筒と、前記コアの両端部位置で、夫々の前記内筒の両端とチューブプレートとの間に設けられた加熱流体の出口と入口と、を具備し、前記一対のチューブプレートに夫々被加熱流体の導入口および導出口が接続された構成のものである。このような構成の熱交換器においては、外筒に熱膨張可能な波形曲折部が設けられているから、コアに熱変化があった場合、当該外筒が軸線方向に膨張あるいは収縮することにより、コアに発生する熱応力をある程度緩和することができる。
【０００４】
しかし、特許文献１に記載の熱交換器においては、コアを構成するチューブの一部に熱が集中したような場合、外筒の伸縮だけで当該チューブに発生する熱応力を充分に緩和することは困難であり、チューブの塑性変形が生じる場合があった。
【０００５】
一方、特許文献２に記載の熱交換器は、加熱流体を流通させる加熱流体通路と、前記加熱流体通路と直交する方向から供給される被加熱流体を入側ディストリビュータで分配して前記加熱流体と平行流となる熱交換流路を形成し、熱交換された前記被加熱流体を出側ディストリビュータで分配して前記加熱流体通路と直交する方向に排出する被加熱流体通路とが積層配置された構成からなる熱交換器において、前記入側ディストリビュータ、または出側ディストリビュータを前記加熱流体通路の入口端から加熱流体の流れ方向に所定の距離を設けて離隔された位置で積層配置した構成のものである。このような構成の熱交換器においては、加熱流体および被加熱流体の通路の入側および出側で大きな温度勾配が生じることを回避することができるので、チューブの一部に熱が集中するような事態を防止することができ、ひいてはチューブの塑性変形を防止することができる。
【０００６】
しかし、特許文献２に記載の熱交換器においては、被加熱流体が流通する通路が複雑になることで圧力損失が大きくなるので、これに対処するために被加熱流体を供給するためのブロアを大型化する必要が生じる等、コストの増大を招く場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−６０９３２号公報
【特許文献２】特開２００８−３９２２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記を考慮して、圧力損失の増大を招くことなくチューブの塑性変形を防止することが可能な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】
【０００９】
請求項１の発明は、
被加熱流体の導入口に接続される第一の空間と、
被加熱流体の導出口に接続される第二の空間と、
前記第一の空間および前記第二の空間の間に配置されて、加熱流体の導入口および導出口に接続される第三の空間と、が外郭ケース内に形成される熱交換器において、
一側の開口端が前記第一の空間に開放されるとともに、他側の開口端が前記第二の空間に開放され、中途部は前記第三の空間に並列配置される複数のチューブと、
前記第一の空間と前記第三の空間とを仕切るとともに、前記チューブの一側の端部を摺動可能に支持する導入側仕切部材と、
前記第二の空間と前記第三の空間とを仕切るとともに、前記チューブの他側の端部を摺動可能に支持する導出側仕切部材と、を具備したことを特徴としている。
【００１０】
したがって、チューブに熱変化があった場合、該チューブは導入側仕切部材および導出側仕切部材に対して摺動して長手方向に膨張あるいは収縮する。
【００１１】
請求項２の発明は、
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記チューブの一側の端部は、前記導入側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔に圧入により嵌合されて、
前記チューブの他側の端部は、前記導出側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔に圧入により嵌合されることを特徴としている。
【００１２】
したがって、チューブに所定量以上の熱変化があった場合、該チューブは導入側仕切部材および導出側仕切部材に対して摺動して長手方向に膨張あるいは収縮する。
【００１３】
請求項３の発明は、
請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記導入側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔の縁には、テーパ状のフランジが形成され、該フランジは、前記第一の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも小さく、かつ、前記第三の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも大きくなるように設定され、
前記導出側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔の縁には、テーパ状のフランジが形成され、該フランジは、前記第二の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも小さく、かつ、前記第三の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも大きくなるように設定されていることを特徴としている。
【００１４】
したがって、チューブはフランジにより締付け保持される。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、チューブに発生する熱応力を緩和することができ、圧力損失の増大を招くことなくチューブの塑性変形を防止することができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、チューブに所定量以上の熱応力が発生することを防止することができ、圧力損失の増大を招くことなくチューブの塑性変形を防止することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、チューブを導入側仕切部材および導出側仕切部材に支持されている状態に組み付けることが容易となる。また、フランジの形状を設計変更することにより、フランジがチューブを締付け保持する締付力の大きさを適宜の大きさに調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の熱交換器の実施の一形態に係る空気予熱器を具備するＳＯＦＣのエネルギーシステムの全体的な構成を示すブロック図である。図中に実線で示した矢印は排ガスの流れを示し、点線で示した矢印は空気の流れを示し、一点鎖線で示した矢印は燃料ガスの流れを示している。
【図２】空気予熱器の分解斜視図である。
【図３】空気予熱器の断面図である。
【図４】チューブの導入側仕切部材および導出側仕切部材への組み付け方を示す模式図であり、（ａ）はチューブをチューブ挿通孔に圧入する前の状態を示す図、（ｂ）は圧入工程を示す図、（ｃ）は圧入した後の状態を示す図である。
【図５】チューブが長手方向に伸縮する様子を示す模式図であり、（ａ）は大きな熱変化がある前のチューブの状態を示す図、（ｂ）は大きな熱変化があったときのチューブの状態を示す図である。図中に実線で示した矢印は排ガスの流れを示し、点線で示した矢印は空気の流れを示している。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１に示すエネルギーシステム１は、ＳＯＦＣのエネルギーシステムであって、本発明の熱交換器の実施の一形態に係る空気予熱器４を具備している。
エネルギーシステム１は、燃料電池スタック２、燃焼装置３、空気予熱器４、および燃料改質器５等を具備している。
【００２１】
燃料電池スタック２は、水素と酸素とを電気化学反応させて電力を作り出すものである。本実施形態に係る燃料電池スタック２は、複数のＳＯＦＣが積層されて構成されている。燃料電池スタック２は、配管１１を介して燃料改質器５と接続されている。燃料ガスは、当該燃料改質器５に供給されることにより、水素と一酸化炭素に変換されて、各ＳＯＦＣの燃料極に供給される。また、燃料電池スタック２は、配管１２を介して空気予熱器４と接続されている。該空気予熱器４を経由した空気が供給されることにより、酸素が各ＳＯＦＣの空気極に供給される。各ＳＯＦＣにおいては、空気極で酸素がイオン化されて（酸素が還元されて）、当該酸素イオンが空気極と燃料極の間に挟まれる電解質を透過し、燃料極で水素および一酸化炭素と電気化学反応する（水素および一酸化炭素は酸化される）。このとき生成した電子が外部回路を通って反対側の空気極に送られることにより、外部回路に電流が流れる。こうして、各ＳＯＦＣにおいては電気エネルギーを発生させることができるのである。さらに、燃料電池スタック２は、配管１３を介して燃焼装置３と接続されている。
【００２２】
燃焼装置３は、燃料電池スタック２で電気化学反応しなかった残りの燃料を酸素とともに燃焼させるものである。燃焼装置３は、配管１３を介して燃料電池スタック２と接続されている。また、燃焼装置３は、配管１４を介して空気予熱器４と接続されている。
【００２３】
空気予熱器４は、排ガスの排熱を利用して燃料電池スタック２に導入される前の空気を予熱するものである。換言すれば、排ガスと空気との間で効率よく熱交換を行わせて、燃料電池スタック２に供給する空気を高温にするためのものである。空気予熱器４には、ブロア等を用いて配管１５を介して外部の空気が送り込まれるようになっている。空気予熱器４は、配管１４を介して燃焼装置３と接続されており、該燃焼装置３によって燃焼された後の高温の排ガスが空気予熱器４に供給されるようになっている。また、空気予熱器４は、配管１２を介して燃料電池スタック２と接続されている。このような構成により、作動温度の高いＳＯＦＣに高温の空気を供給できるようになっている。
【００２４】
なお、本実施形態のエネルギーシステム１においては、排ガスは燃焼装置３を経由して空気予熱器４に供給されるものとしたが、本発明はこれに限定するものではない。すなわち、燃料電池スタックで電気化学反応しなかった残りの燃料と空気が混合された気体が燃焼装置を経由せずに空気予熱器に直接供給される構成としてもよい。
【００２５】
燃料改質器５は、排ガスの排熱を利用して燃料ガスを水素と一酸化炭素に変換するものである。燃料改質器５には、配管１６を介して燃料ガスが送り込まれるようになっている。燃料改質器５は、配管１７を介して空気予熱器４と接続されており、該空気予熱器４を通過した後の高温の排ガスが燃料改質器５に供給されるようになっている。このような構成により、燃料の改質に必要な作動温度が得られて、効率よく改質を行うことができるようにしている。また、燃料改質器５は、配管１１を介して燃料電池スタック２と接続されている。なお、燃料改質器５を通過した後の排ガスは、フィルター等を通して浄化された後、外部に放出される。
【００２６】
以下では、空気予熱器４について図２〜図５を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明においては、空気予熱器４の導入口４５が設けられている側を上側、空気予熱器４の導出口４８が設けられている側を下側と定義して、説明を行う。
本実施形態においては、燃料電池スタック２に導入される前の空気が被加熱流体に相当し、排ガスが加熱流体に相当する。
【００２７】
図２および図３に示すように、空気予熱器４は、外郭を成す直方体形状の外郭ケース４１内に、導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３により支持された複数のチューブ４４・４４・・・を収容して構成されている。外郭ケース４１は、上下に上外郭ケース４１ａ、中外郭ケース４１ｃ、および下外郭ケース４１ｂに分割可能に構成される。導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３は、中外郭ケース４１ｃ内で上下に適宜の間隔をあけて水平方向に配置されて、外郭ケース４１内を第一の空間Ａと、第二の空間Ｂと、第三の空間Ｃと、に区画している。
【００２８】
第一の空間Ａは、燃料電池スタック２に供給される前の空気を空気予熱器４に導入するための空間である。図２および図３に示すように、第一の空間Ａを取り囲んでいる上外郭ケース４１ａの側面には、前記配管１５と接続するための導入口４５が設けられている。
【００２９】
第三の空間Ｃは、加熱流体である排ガスと、被加熱流体である空気と、の間で熱交換を行わせるための空間である。第三の空間Ｃは、第一の空間Ａと、第二の空間Ｂと、の間に配置されている。図２および図３に示すように、第三の空間Ｃを取り囲んでいる中外郭ケース４１ｃの側面には、当該第三の空間Ｃに排ガスを導入するための配管４６と、当該第三の空間Ｃから排ガスを導出するための配管４７と、が対向するように接続されている。このように、第三の空間Ｃは排ガスの導入口（配管４６）および導出口（配管４７）に接続されている。なお、配管４６は、配管１４の空気予熱器４側の開口端と接続されている。また、配管４７は、配管１７の空気予熱器４側の開口端と接続されている。
【００３０】
第二の空間Ｂは、熱交換がされた後の空気が通る空間である。図２および図３に示すように、第二の空間Ｂを取り囲んでいる下外郭ケース４１ｂの側面には、当該第二の空間Ｂから熱交換後の空気を導出するための導出口４８が接続されている。なお、導出口４８は、配管１２の空気予熱器４側の開口端と接続されている。
【００３１】
導入側仕切部材４２は、第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを仕切る、換言すれば第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを区画する部材である。導入側仕切部材４２は、長方形状の板状の部材であり、図３に示すように、所定間隔毎にチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・（図４参照）が形成されている。チューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・は、後述するチューブ４４・４４・・・と同じ数だけ形成されている。導入側仕切部材４２は、外郭ケース４１（中外郭ケース４１ｃ）の内側に隙間なく固定されている。
【００３２】
導入側仕切部材４２のチューブ挿通孔４２ｈについてより詳細に説明すると、本実施形態のチューブ挿通孔４２ｈは円形状の孔であり、その縁に沿ってフランジ４２ａが形成されている（図４参照）。フランジ４２ａは、第一の空間Ａ側に突出するように設けられている。フランジ４２ａはテーパ状に、より詳細には第一の空間Ａ側に向かうに従って次第に細くなる形状に形成されている。
【００３３】
導出側仕切部材４３は、第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを仕切る、換言すれば第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを区画する部材である。導出側仕切部材４３は、長方形状の板状の部材であり、図３に示すように、所定間隔毎にチューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・が形成されている。チューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・は、後述するチューブ４４・４４・・・と同じ数だけ形成されており、前述した導入側仕切部材４２のチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・と対向する位置に形成されている。導出側仕切部材４３は、外郭ケース４１（中外郭ケース４１ｃ）の内側に隙間なく固定されている。
【００３４】
導出側仕切部材４３のチューブ挿通孔４３ｈについてより詳細に説明すると、本実施形態のチューブ挿通孔４３ｈは円形状の孔であり、その縁に沿ってフランジ４３ａが形成されている（図４参照）。フランジ４３ａは、第二の空間Ｂ側に突出するように設けられている。フランジ４３ａはテーパ状に、より詳細には第二の空間Ｂ側に向かうに従って次第に細くなる形状に形成されている。
【００３５】
以下では、チューブ４４・４４・・・について説明する。チューブ４４・４４・・・は、空気の通路を成すものである。チューブ４４・４４・・・は複数具備されており、外郭ケース４１（中外郭ケース４１ｃ）内に並設、すなわち相互に平行な状態に設けられている。なお、いずれのチューブ４４・４４・・・も形状、材質、および機能等の点において同様であるので、以下ではそのうちの一つのチューブ４４について特に詳細に説明する。
【００３６】
チューブ４４は、金属製の細長い円筒形状の部材である。チューブ４４の両端部は開口されている。
【００３７】
チューブ４４の一側の端部は、導入側仕切部材４２に形成されたチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・の一つに、圧入により嵌合される。本実施形態においては、チューブ４４の一側の端部は、導入側仕切部材４２に形成されたチューブ挿通孔４２ｈのフランジ４２ａ内に、第三の空間Ｃ側から挿入され（図４（ａ）および図４（ｂ）参照）、その先端（開口端）が第一の空間Ａ側に突出している状態となるように組み付けられる（図４（ｃ）参照）。
【００３８】
ここで、チューブ４４およびフランジ４２ａの寸法について詳述すると、フランジ４２ａの第三の空間Ｃ側の開口端の内径Ｄは、チューブ４４の外径Ｅよりも大きい寸法に設定されている。また、フランジ４２ａの第一の空間Ａ側の開口端の内径Ｆは、チューブ４４の外径Ｅよりも小さい寸法に設定されている。ここで、フランジ４２ａの第一の空間Ａ側の開口端の内径Ｆは、圧入されたチューブ４４を適度の大きさで締付け保持できる寸法に設定されている。なお、ここで言う「適度な大きさ」とは、チューブ４４に発生している熱応力が所定値未満（例えば、チューブ４４の塑性変形が生じない程度の値）である場合にはチューブ４４をフランジ４２ａに対して摺動不能に支持するが、チューブ４４に発生している熱応力が所定値以上（例えば、それ以上に大きくなるとチューブ４４の塑性変形が生じる虞のある所定の値）となった場合にはチューブ４４がフランジ４２ａに対して摺動可能となるような、締付け力の大きさを指す。
【００３９】
チューブ４４の他側の端部は、導出側仕切部材４３に形成されたチューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・の一つに、圧入により嵌合される。本実施形態においては、チューブ４４の他側の端部は、導出側仕切部材４３に形成されたチューブ挿通孔４３ｈのフランジ４３ａ内に、第三の空間Ｃ側から挿入され（図４（ａ）および図４（ｂ）参照）、その先端（開口端）が第二の空間Ｂ側に突出している状態となるように組み付けられる（図４（ｃ）参照）。
【００４０】
ここで、チューブ４４およびフランジ４３ａの寸法について詳述すると、フランジ４３ａの第三の空間Ｃ側の開口端の内径Ｄは、チューブ４４の外径Ｅよりも大きい寸法に設定されている。また、フランジ４３ａの第二の空間Ｂ側の開口端の内径Ｆは、チューブ４４の外径Ｅよりも小さい寸法に設定されている。ここで、フランジ４３ａの第二の空間Ｂ側の開口端の内径Ｆは、圧入されたチューブ４４を適度の大きさで締付け保持できる寸法に設定されている。なお、ここで言う「適度の大きさ」とは、チューブ４４に発生している熱応力が所定値未満（例えば、チューブ４４の塑性変形が生じない程度の値）である場合にはチューブ４４をフランジ４３ａに対して摺動不能に支持するが、チューブ４４に発生している熱応力が所定値以上（例えば、それ以上に大きくなるとチューブ４４の塑性変形が生じる虞のある所定の値）となった場合にはチューブ４４がフランジ４３ａに対して摺動可能となるような、締付け力の大きさを指す。
【００４１】
上述のように、チューブ４４・４４・・・の一側の端部が導入側仕切部材４２に支持され、チューブ４４・４４・・・の他側の端部が導出側仕切部材４３に支持されることにより、チューブ４４・４４・・・の中途部は第三の空間Ｃ内に並列配置される。
【００４２】
このような構成の空気予熱器４において、空気は、導入口４５から第一の空間Ａに導入され、該第一の空間Ａに開放されているチューブ４４・４４・・・の一側の開口端からチューブ４４・４４・・・内に取り入れられ、チューブ４４・４４・・・内を通過する。そして、第三の空間Ｃにおいて排ガスとの間で熱交換が行われた後、第二の空間Ｂに開放されているチューブ４４・４４・・・の他側の開口端から第二の空間Ｂに排出され、該第二の空間Ｂから導出口４８に導出される。こうして、空気は排ガスの排熱を利用して予熱されるのである。
【００４３】
以上で説明したように、本実施形態に係る空気予熱器４は、
被加熱流体の導入口である導入口４５に接続される第一の空間Ａと、
被加熱流体の導出口である導出口４８に接続される第二の空間Ｂと、
第一の空間Ａおよび第二の空間Ｂの間に配置されて、加熱流体の導入口である配管４６および導出口である配管４７に接続される第三の空間Ｃと、が外郭ケース４１内に形成される熱交換器において、
一側の開口端が第一の空間Ａに開放されるとともに、他側の開口端が第二の空間Ｂに開放され、中途部は第三の空間Ｃに並列配置される複数のチューブ４４・４４・・・と、
第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを仕切るとともに、チューブ４４・４４・・・の一側の端部を摺動可能に支持する導入側仕切部材４２と、
第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを仕切るとともに、チューブ４４・４４・・・の他側の端部を摺動可能に支持する導出側仕切部材４３と、を具備したことを特徴としたものである。
したがって、チューブ４４・４４・・・に熱変化があった場合、該チューブ４４・４４・・・は長手方向に膨張あるいは収縮する（図５（ａ）および図５（ｂ）参照）。これは、本実施形態の空気予熱器４においては、従来からある熱交換器の構成のようにチューブの両端部が導入側仕切部材および導出側仕切部材に溶着（固着）されているのではなく、導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３に対して摺動可能に設けられているため可能となるものである。
【００４４】
よって、チューブ４４・４４・・・に発生する熱応力を緩和することができ、チューブ４４・４４・・・の塑性変形を防止することができる。さらに、導入側仕切部材４２や導出側仕切部材４３や外郭ケース４１の塑性変形を防止することもできる。また、本実施形態の空気予熱器４においては、各チューブ４４が個別に長手方向に摺動することができる。つまり、チューブ４４・４４・・・の一部に熱が集中したような場合には、各チューブ４４の伸縮量が異なることとなるが、そのような場合においても各チューブ４４がそれぞれの伸縮量に応じて摺動できるため、熱応力を充分に緩和することができる。また、このようなことから、本実施形態の空気予熱器４においては、チューブ４４・４４・・・の一部に熱が集中することを回避するために空気が流通する通路を複雑にしたりする必要がないので、圧力損失の増大を招くこともない。
【００４５】
なお、本実施形態においては、チューブ４４・４４・・・を導入側仕切部材４２に対して摺動可能に設けていることから、導入側仕切部材４２は第一の空間Ａと第三の空間Ｃとを気密に仕切るものではない。同様に、本実施形態においては、チューブ４４・４４・・・を導出側仕切部材４３に対して摺動可能に設けていることから、導出側仕切部材４３は第二の空間Ｂと第三の空間Ｃとを気密に仕切るものではない。したがって、空気が排ガスよりも圧力が高く設計されている場合、第一の空間Ａ内あるいは第二の空間Ｂ内の空気が、第三の空間Ｃ内の排ガスに少量混入する虞がある。しかし、第三の空間Ｃ内で熱交換がされた後の排ガスは、その後は燃料改質器５において燃料ガスを加熱するのに利用されたり、外部に排出されたりするだけであるので、仮に排ガスに少量の空気が混入したとしても、このことによるＳＯＦＣの性能への影響は微々たるものであると考えられる。
【００４６】
また、本実施形態に係る空気予熱器４は、
チューブ４４・４４・・・の一側の端部は、導入側仕切部材４２に形成されたチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・に圧入により嵌合されて、
チューブ４４・４４・・・の他側の端部は、導出側仕切部材４３に形成されたチューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・に圧入により嵌合されることを特徴としたものである。
したがって、チューブ４４・４４・・・に所定量以上（例えば、それ以上に大きくなるとチューブ４４の塑性変形が生じる虞のある所定の量以上）の熱変化があった場合、該チューブ４４・４４・・・は導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３に対して摺動して長手方向に膨張あるいは収縮する（図５（ａ）および図５（ｂ）参照）。
【００４７】
よって、チューブ４４・４４・・・に所定量以上の熱応力が発生することを防止することができ、圧力損失の増大を招くことなくチューブ４４・４４・・・の塑性変形を防止することができる。
【００４８】
さらに、本実施形態に係る空気予熱器４は、
導入側仕切部材４２に形成されたチューブ挿通孔４２ｈ・４２ｈ・・・の縁には、テーパ状のフランジ４２ａ・４２ａ・・・が形成され、フランジ４２ａは、第一の空間Ａ側の開口端の内径Ｆがチューブ４４の外径Ｅよりも小さく、かつ、第三の空間Ｃ側の開口端の内径Ｄがチューブ４４の外径Ｅよりも大きくなるように設定され、
導出側仕切部材４３に形成されたチューブ挿通孔４３ｈ・４３ｈ・・・の縁には、テーパ状のフランジ４３ａ・４３ａ・・・が形成され、フランジ４３ａは、第二の空間Ｂ側の開口端の内径Ｆがチューブ４４の外径Ｅよりも小さく、かつ、第三の空間Ｃ側の開口端の内径Ｄがチューブ４４の外径よりも大きくなるように設定されていることを特徴としたものである（Ｄ＞Ｅ＞Ｆ：図４（ａ）参照）。
したがって、チューブ４４・４４・・・はフランジ４２ａ・４２ａ・・・およびフランジ４３ａ・４３ａ・・・により締付け保持される。
【００４９】
よって、チューブ４４・４４・・・を導入側仕切部材４２および導出側仕切部材４３に支持されている状態に組み付けることが容易となる。また、フランジ４２ａ・４３ａの形状を設計変更することにより、フランジ４２ａ・４３ａがチューブ４４を締付け保持する締付力の大きさを適宜の大きさに調整することができる。さらに、チューブ４４・４４・・・が径方向に膨張あるいは収縮しても、フランジ４２ａ・４３ａの部分で吸収することができるので、導入側仕切部材４２や導出側仕切部材４３や外郭ケース４１の塑性変形を防止することができる。
【００５０】
以上で本発明の好適な実施形態を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記の実施形態においては、ＳＯＦＣのエネルギーシステムに具備される空気予熱器に本発明を適用するものとした。しかしながら、これに代えて、他の作動温度の高い電池（例えば溶融炭酸塩形燃料電池）のエネルギーシステムに具備される熱交換器に本発明を適用してもよいし、あるいは、ガスタービンのエネルギーシステムに具備される熱交換器に本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・・エネルギーシステム
２・・・・燃料電池スタック
３・・・・燃焼装置
４・・・・空気予熱器（熱交換器）
５・・・・燃料改質器
４１・・・外郭ケース
４２・・・導入側仕切部材
４２ａ・・フランジ
４２ｈ・・チューブ挿通孔
４３・・・導出側仕切部材
４３ａ・・フランジ
４３ｈ・・チューブ挿通孔
４４・・・チューブ
４５・・・配管（被加熱流体の導入口）
４６・・・配管（加熱流体の導入口）
４７・・・配管（加熱流体の導出口）
４８・・・配管（被加熱流体の導出口）
Ａ・・・・第一の空間
Ｂ・・・・第二の空間
Ｃ・・・・第三の空間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱流体の導入口に接続される第一の空間と、
被加熱流体の導出口に接続される第二の空間と、
前記第一の空間および前記第二の空間の間に配置されて、加熱流体の導入口および導出口に接続される第三の空間と、が外郭ケース内に形成される熱交換器において、
一側の開口端が前記第一の空間に開放されるとともに、他側の開口端が前記第二の空間に開放され、中途部は前記第三の空間に並列配置される複数のチューブと、
前記第一の空間と前記第三の空間とを仕切るとともに、前記チューブの一側の端部を摺動可能に支持する導入側仕切部材と、
前記第二の空間と前記第三の空間とを仕切るとともに、前記チューブの他側の端部を摺動可能に支持する導出側仕切部材と、を具備したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記チューブの一側の端部は、前記導入側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔に圧入により嵌合されて、
前記チューブの他側の端部は、前記導出側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔に圧入により嵌合されることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記導入側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔の縁には、テーパ状のフランジが形成され、該フランジは、前記第一の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも小さく、かつ、前記第三の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも大きくなるように設定され、
前記導出側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔の縁には、テーパ状のフランジが形成され、該フランジは、前記第二の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも小さく、かつ、前記第三の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項１】
被加熱流体の導入口に接続される第一の空間と、
被加熱流体の導出口に接続される第二の空間と、
前記第一の空間および前記第二の空間の間に配置されて、加熱流体の導入口および導出口に接続される第三の空間と、が外郭ケース内に形成される熱交換器において、
一側の開口端が前記第一の空間に開放されるとともに、他側の開口端が前記第二の空間に開放され、中途部は前記第三の空間に並列配置される複数のチューブと、
前記第一の空間と前記第三の空間とを仕切るとともに、前記チューブの一側の端部を摺動可能に支持する導入側仕切部材と、
前記第二の空間と前記第三の空間とを仕切るとともに、前記チューブの他側の端部を摺動可能に支持する導出側仕切部材と、を具備したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器であって、
前記チューブの一側の端部は、前記導入側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔に圧入により嵌合されて、
前記チューブの他側の端部は、前記導出側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔に圧入により嵌合されることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
前記導入側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔の縁には、テーパ状のフランジが形成され、該フランジは、前記第一の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも小さく、かつ、前記第三の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも大きくなるように設定され、
前記導出側仕切部材に形成されたチューブ挿通孔の縁には、テーパ状のフランジが形成され、該フランジは、前記第二の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも小さく、かつ、前記第三の空間側の開口端の内径が前記チューブの外径よりも大きくなるように設定されていることを特徴とする熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２１５３６５（Ｐ２０１２−２１５３６５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８２０２１（Ｐ２０１１−８２０２１）
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月８日（２０１２．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１日（２０１１．４．１）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
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