トップ :: F 機械工学 照明 加熱 武器 爆破 :: F17 ガスまたは液体の貯蔵または分配




【発明の名称】 水素吸蔵コア
【発明者】 【氏名】森島 信悟

【氏名】寺尾 公良

【氏名】真船 利宏
【要約】 【課題】水素の吸蔵・解離に伴ってチューブに発生する応力を緩和する。

【解決手段】チューブ１２１に弾性変形可能なチューブ変形部（チューブ湾曲部１２１ｂ）を設けるとともに、チューブ１２１間寸法の変化に対してフィン１２３が変形するようにフィン１２３にバネ特性を持たせる。したがって、チューブ変形部（チューブ湾曲部１２１ｂ）によって応力を緩和（吸収）することができるとともに、チューブ変形部（チューブ湾曲部１２１ｂ）が変形しても、フィン１２３がチューブ１２１から剥離することを未然に防止できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 熱媒体が流通するチューブ（１２１）と、前記チューブ（１２１）の周りに充填され、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１０）とを有し、前記水素吸蔵材（１１０）と熱媒体との間で熱交換を行う水素吸蔵コアであって、前記チューブ（１２１）に弾性変形可能なチューブ変形部（１２１ｂ、１２１ｅ）を設けるとともに、前記チューブ変形部（１２１ｂ、１２１ｅ）の厚み（ｔｂをその他の部位（１２１ａ）の厚み（ｔａ）に比べて薄くしたことを特徴とする水素吸蔵コア。
【請求項２】 前記チューブ（１２１）の断面形状は、略円弧状に湾曲したチューブ湾曲部（１２１ｂ）を有して形成されており、前記チューブ変形部は、前記チューブ湾曲部（１２１ｂ）により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵コア。
【請求項３】 前記チューブ（１２１）の外表面には、熱交換を促進するフィン（１２３）が設けられ、前記フィン（１２３）は、前記外表面のうち異なる２カ所にて前記チューブ（１２１）に接合されており、さらに、前記フィン（１２３）には、前記異なる２カ所間の寸法変化に応じて弾性変形するフィン変形部（１２３ａ）が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素吸蔵コア。
【請求項４】 前記フィン変形部は、前記フィン（１２３）の一部を湾曲させたフィン湾曲部（１２３ａ）により構成されていることを特徴とする請求項３に記載の水素吸蔵コア。
【請求項５】 熱媒体が流通する複数本のチューブ（１２１）と、前記チューブ（１２１）の長手方向両端側に設けられ、前記複数本のチューブ（１２１）と連通するヘッダタンク（１２２）と、前記複数本のチューブ（１２１）間に形成されたチューブ間空間（１２１ｃ）に充填され、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１０）とを有し、前記水素吸蔵材（１１０）と熱媒体との間で熱交換を行う水素吸蔵コアであって、前記チューブ間空間（１２１ｃ）のうち前記チューブ（１２１）の長手方向端部側には、前記水素吸蔵材（１１０）が充填されていない未充填部（１２１ｄ）が設けられていることを特徴とする水素吸蔵コア。
【請求項６】 熱媒体が流通するチューブ（１２１）と、前記チューブ（１２１）の周りに充填され、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１０）とを有し、前記水素吸蔵材（１１０）と熱媒体との間で熱交換を行う水素吸蔵コアであって、前記水素吸蔵材（１１０）は、水素を吸蔵・解離しない材質からなる容器（１１０ａ）内に収納された状態にて前記チューブ（１２１）の周りに充填されていることを特徴とする水素吸蔵コア。
【請求項７】 熱媒体が流通するチューブ（１２１）と、前記チューブ（１２１）の周りに充填され、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１０）とを有し、前記水素吸蔵材（１１０）と熱媒体との間で熱交換を行う水素吸蔵コアであって、前記水素吸蔵材（１１０）は、弾性変形可能な弾性部材（１１１）と共に前記チューブ（１２１）の周りに充填されていることを特徴とする水素吸蔵コア。
【請求項８】 前記弾性部材（１１１）は、多数個の孔を有する多孔質弾性材料にて構成されていることを特徴とする請求項７に記載の水素吸蔵コア。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材と熱媒体とを熱交換する水素吸蔵コア（水素吸蔵材一体型熱交換器）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】水素吸蔵コアとして、例えば特開平５−１０６７９２号公報に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ間に粒子状の水素吸蔵材を充填することにより、熱交換能力の向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、水素吸蔵材は、水素を吸蔵すると膨張拡大し、水素を解離すると縮小微粒化するため、上記公報に記載のごとく、単純にチューブ間に水素吸蔵材を充填すると、水素吸蔵材の膨張縮小に伴ってチューブに応力が発生するので、水素吸蔵材が水素の吸蔵・解離を繰り返すと、チューブが破損するおそれがある。。
【０００４】本発明は、上記点に鑑み、水素の吸蔵・解離に伴ってチューブに発生する応力を緩和することをを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ（１２１）と、チューブ（１２１）の周りに充填され、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１０）とを有し、水素吸蔵材（１１０）と熱媒体との間で熱交換を行う水素吸蔵コアであって、チューブ（１２１）に弾性変形可能なチューブ変形部（１２１ｂ、１２１ｅ）を設けるとともに、チューブ変形部（１２１ｂ、１２１ｅ）の厚み（ｔｂをその他の部位（１２１ａ）の厚み（ｔａ）に比べて薄くしたことを特徴とする。
【０００６】これにより、水素の吸蔵・解離に伴って発生するチューブ（１２１）に発生する応力を緩和（吸収）することができるので、チューブ（１２１）の破損を未然に防止でき、水素吸蔵コアの信頼性及び耐久性を向上させることができる。
【０００７】なお、チューブ変形部は、請求項２に記載の発明のごとく、略円弧状に湾曲したチューブ湾曲部（１２１ｂ）により構成してもよい。
【０００８】ところで、フィン（１２３）はチューブ（１２１）の外表面のうち異なる２カ所にてチューブ（１２１）に接合されている場合には、水素の吸蔵・解離に伴って発生するチューブ（１２１）に発生する応力を緩和（吸収）すべく、チューブ変形部が変形すると、フィン（１２３）が接合された異なる２カ所間の寸法が大きくなってしまうので、フィン（１２３）がチューブ１２１から剥離するおそれがある。
【０００９】これに対して、請求項３に記載の発明では、フィン（１２３）には、異なる２カ所間の寸法変化に応じて弾性変形するフィン変形部（１２３ａ）が設けられているので、異なる２カ所間の寸法の変化を吸収することができ、フィン（１２３）がチューブ１２１から剥離することを未然に防止できる。
【００１０】なお、フィン変形部は、請求項４に記載の発明のごとく、フィン（１２３）の一部を湾曲させたフィン湾曲部（１２３ａ）により構成してもよい。
【００１１】ところで、チューブ（１２１）の長手方向端部側がヘッダタンク（１２２）に固定されていると、チューブ（１２１）は固定梁と見なすことができるので、チューブ（１２１）の長手方向端部側に最も大きな曲げモーメント（曲げ応力）が発生する。
【００１２】これに対して、請求項５に記載の発明では、チューブ間空間（１２１ｃ）のうちチューブ（１２１）の長手方向端部側に、水素吸蔵材（１１０）が充填されていない未充填部（１２１ｄ）が設けられているので、チューブ（１２１）に発生する最大応力を低減することができ、チューブ（１２１）の破損を未然に防止できる。
【００１３】請求項６に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ（１２１）と、チューブ（１２１）の周りに充填され、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１０）とを有し、水素吸蔵材（１１０）と熱媒体との間で熱交換を行う水素吸蔵コアであって、水素吸蔵材（１１０）は、水素を吸蔵・解離しない材質からなる容器（１１０ａ）内に収納された状態にてチューブ（１２１）の周りに充填されていることを特徴とする。
【００１４】これにより、水素吸蔵材（１１０）の体積変化に対して容器（１１０ａ）の体積がほとんど変化しないので、水素の吸蔵・解離に伴ってチューブ（１２１）に発生する応力を緩和することができる。
【００１５】請求項７に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ（１２１）と、チューブ（１２１）の周りに充填され、水素を吸蔵・解離する水素吸蔵材（１１０）とを有し、水素吸蔵材（１１０）と熱媒体との間で熱交換を行う水素吸蔵コアであって、水素吸蔵材（１１０）は、弾性変形可能な弾性部材（１１１）と共にチューブ（１２１）の周りに充填されていることを特徴とする。
【００１６】これにより、水素吸蔵材（１１０）が膨張縮小しても弾性部材（１１１）により水素吸蔵材（１１０）の体積変化を吸収できるので、水素の吸蔵・解離に伴って発生するチューブ（１２１）に発生する応力を緩和（吸収）することができる。
【００１７】なお、弾性部材（１１１）は、請求項８に記載の発明のごとく、多数個の孔を有する多孔質弾性材料にて構成してもよい。
【００１８】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【発明の実施の形態】（第１実施形態）本実施形態は、本発明に係る水素吸蔵コアを用いた水素供給装置からなる車両用暖房装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係る車両用暖房装置の模式図である。
【００２０】図１中、１００は水素を貯蔵・供給する水素供給装置であり、２００は水素供給装置１００から供給される水素を燃焼させて熱を発生する燃焼式ヒータ（以下、ヒータと略す。）である。なお、水素供給装置の詳細は、後述する。
【００２１】３００はヒータ２００にて加熱された熱媒体（本実施形態では、水にエチレングリコール系の不凍液を混合した流体）を熱源として車室内に吹き出す空気を加熱するヒータコアであり、４００は熱媒体と室外空気とを熱交換して熱媒体を冷却する放熱器である。
【００２２】なお、ヒータコア３００の熱媒体出口側の熱媒体流流路（熱媒体配管）は、放熱器４００に熱媒体を導く放熱器流路４１０、放熱器４００を迂回させて熱媒体を水素供給装置１００（水素吸蔵コア）に流通させる第１バイパス流路４２０、並びに熱媒体を放熱器４００及び水素供給装置１００を迂回させてヒータ２００に流通させる第２バイパス流路４３０の３本に分岐している。
【００２３】そして、この分岐部位には、各流路４１０、４２０、４３０を流通する熱媒体の流量を調節する流量制御弁５００が設けられており、流量制御弁５００を調節することにより水素供給装置１００（水素吸蔵コア）の温度（水素吸蔵材の解離平衡圧）を制御する。
【００２４】また、２１０は水素供給装置１００にて発生した水素をヒータ２００に供給する水素供給管であり、２２０は水素供給管２１０の連通状態を調節するバルブである。
【００２５】次に、水素供給装置について述べる。
【００２６】水素供給装置１００は、図１に示すように、水素を吸蔵・解離する粒子状の水素吸蔵材（以下、吸蔵材と略す。）１１０、吸蔵材１１０と熱媒体とを熱交換する熱交換器１２０、並びに吸蔵材１１０及び熱交換器１２０を収納するケーシング１３１等からなるものである。
【００２７】そして、熱交換器１２０は、図２に示すように、熱媒体が流通する複数本のチューブ１２１、チューブ１２１の長手方向両端側に配設されて複数本のチューブ１２１に連通するヘッダタンク（以下、ヘッダと略す。）１２２、及び各チューブ１２１間に配設されて熱媒体と吸蔵材１１０との熱交換を促進するフィン１２３等からなる、いわゆるマルチフロー型の熱交換器である。
【００２８】なお、チューブ１２１及びヘッダ１２２は、アルミニウム材を押し出し加工又は引き抜き加工にて成形したものであり、フィン１２３はアルミニウム材をローラ成形にて波状に成形したものである。そして、これら１２１〜１２３は、ろう付けにて一体接合されている。
【００２９】また、吸蔵材１１０は、チューブ１２１の周囲（本実施形態では、フィン１２３が配設されたチューブ１２１間の空間１２１ｃ）に充填されており、吸蔵材１１０より小さく、かつ、水素分子より大きな孔を有する２枚の水素透過膜１２４（図２では１枚のみ表示）にてチューブ１２１間を閉塞して吸蔵材１１０がチューブ１２１間の隙間から脱落することを防止している。以下、吸蔵材１１０が充填された熱交換１２０を水素吸蔵コア１３０と呼ぶ。
【００３０】ところで、チューブ１２１の断面形状は、図３に示すように、互いに対向するようにチューブ１２１の長手方向に延びる帯状の平板部１２１ａ、及び平板１２１ａの幅方向（長手方向と直交する方向）両端部を繋ぐ略円弧状に湾曲したチューブ湾曲部１２１ｂを有するように長円状（扁平状）になっており、湾曲部１２１ｂの厚みｔｂを平板部１２１ａの厚みｔａより薄くして弾性変形可能なチューブ変形部を形成している。
【００３１】また、フィン１２３は、図４に示すように、厚みの薄い帯板の一部を湾曲させた多数箇所のフィン湾曲部１２３ａ、及びに隣り合うフィン湾曲部１２３ａ間を繋ぐ平面部１２３ｂを有して、チューブ１２１の長手方向に進む波状に形成されたもので、隣り合う平面部１２３ｂは、平面部１２３ｂの長さＬ１がチューブ１２１間の寸法Ｌ２より長くなるよにチューブ１２１に対して傾いた状態で互いに平行となっている。ここで、平面部１２３ｂの長さＬ１とは、フィン１２３に沿って測った隣り合うフィン湾曲部１２３ａ間の長さを言うものである。
【００３２】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００３３】本実施形態によれば、チューブ１２１に弾性変形可能なチューブ変形部（チューブ湾曲部１２１ｂ）が設けられているので、水素の吸蔵・解離に伴って発生するチューブ１２１に発生する応力を緩和（吸収）することができる。したがって、チューブ１２１の破損を未然に防止できるので、水素吸蔵コア１３０の信頼性及び耐久性を向上させることができる。
【００３４】ところで、フィン１２３は波状に形成されて、チューブ１２１の外表面のうち異なる２カ所にてチューブ１２１に接合されているので、水素の吸蔵・解離に伴って発生するチューブ１２１に発生する応力を緩和（吸収）する際に、チューブ変形部（チューブ湾曲部１２１ｂ）がその曲率半径（チューブ１２１の短径寸法）が小さくなる変形すると、フィン１２３が接合された異なる２カ所間の寸法（チューブ１２１間の寸法Ｌ２）が大きくなってしまい、フィン１２３がチューブ１２１から剥離するおそれがある。
【００３５】これに対して本実施形態では、異なる２カ所間の寸法（チューブ１２１間の寸法Ｌ２）が変化すると、フィン湾曲部１２３ａがその曲率半径が変化するように弾性変形し、異なる２カ所間の寸法変化に応じて弾性変形するフィン変形部として機能するので、異なる２カ所間の寸法（チューブ１２１間の寸法Ｌ２）の変化を吸収することができる。
【００３６】したがって、水素の吸蔵・解離に伴って発生するチューブ１２１に発生する応力を緩和（吸収）すべく、チューブ変形部（チューブ湾曲部１２１ｂ）がその曲率半径（チューブ１２１の短径寸法）が小さくなる変形しても、フィン１２３がチューブ１２１から剥離することを未然に防止できる。
【００３７】（第２実施形態）第１実施形態では、フィン１２３の一部を湾曲させて波状としたが、本実施形態は、図５に示すように、平面部１２３ｂの一部を湾曲させて段付き状としてフィン１２３にバネ特性を持たせたものである。
【００３８】これにより、第１実施形態と同様に、フィン湾曲部１２３ａが弾性変形してフィン変形部として機能するので、チューブ変形部（チューブ湾曲部１２１ｂ）がその曲率半径（チューブ１２１の短径寸法）が小さくなる変形しても、フィン１２３がチューブ１２１から剥離することを未然に防止できる。
【００３９】（第３実施形態）第１、２実施形態では、チューブ１２１の長手方向全域に渡ってチューブ１２１間の空間１２１ｃに吸蔵材１１０が充填されていたが、本実施形態は、図６、７に示すように、チューブ間空間１２１ｃのうちチューブ１２１の長手方向両端部側に吸蔵材１１０が充填されていない未充填部１２１ｄを設けたものである。
【００４０】なお、図６は第１実施形態に係る水素吸蔵コア１３０に未充填部１２１ｄを設けた例であり、図７は第２実施形態に係る水素吸蔵コア１３０に未充填部１２１ｄを設けた例である。
【００４１】次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００４２】チューブ１２１の長手方向両端側は、ヘッダ１２２に固定されているので、チューブ１２１は両端固定の梁と見なすことができる。したがって、チューブ１２１の長手方向全域に渡ってチューブ１２１間空間１２１ｃに吸蔵材１１０が充填された状態で吸蔵材１１０が膨張すると、チューブ１２１の長手方向全域に渡って等分布荷重を受ける梁と同等となるので、チューブ１２１の長手方向両端側に最も大きな曲げモーメント（曲げ応力）が発生する。
【００４３】これに対して、本実施形態では、最も大きな曲げモーメント（曲げ応力）が発生するチューブ１２１の長手方向両端部側に吸蔵材１１０が充填されていない未充填部１２１ｄが設けられているので、チューブ１２１に発生する最大応力を低減することができ、チューブ１２１の破損を未然に防止できる。
【００４４】（第４実施形態）上述の実施形態では、吸蔵材１１０を直接にチューブ間空間１２０ｃに充填したが、本実施形態は、図８に示すように、吸蔵材１１０の外表面を水素を吸蔵・解離しない材質（本実施形態では、銅）にて被覆（コーティング）することにより、吸蔵材１１０を水素を吸蔵・解離しない材質からなる容器１１０ａ内に収納した状態としてチューブ間空間１２１ｃに充填したものである。
【００４５】なお、吸蔵材１１０は容器（被覆膜）１１０ａにてコーティングされているので、吸蔵材１１０と熱媒体との間における熱交換効率が悪化するおそれがある。したがって、容器（被覆膜）１１０ａの材質を選定するに当たっては、熱伝導率の大きいものを選定することが望ましい。
【００４６】因みに、本実施形態では、水素透過膜１２４を廃止し、銅にて吸蔵材１１０被覆すると同時に隣り合う被覆膜（容器１１０ａ）を接合することにより吸蔵材１１０がチューブ間空間１２１ｃから脱落することを防止している。
【００４７】これにより、吸蔵材１１０の体積変化に対して容器１１０ａの体積がほとんど変化しないので、水素の吸蔵・解離に伴ってチューブ１２１に発生する応力を緩和することができる。
【００４８】ところで、吸蔵材１１０は水素を吸蔵・解離することによって膨張縮小するので、水素の吸蔵・解離に伴って吸蔵材１１０の表面積が拡大縮小してしまい、吸蔵材１１０と熱媒体との間における熱交換効率が変化する。
【００４９】しかし、本実施形態では、吸蔵材１１０を容器（被覆膜）１１０ａにてコーティングしているため、見かけ上の表面積（容器（被覆膜）１１０ａの表面積）が殆ど変化しなくなり、（特に、吸蔵材１１０が縮小する際の）吸蔵材１１０と熱媒体との間における熱交換効率が大きく変化することを防止できる。
【００５０】（第５実施形態）第１〜３実施形態では、吸蔵材１１０のみをチューブ間空間１２０ｃに充填したが、本実施形態は、図９に示すように、吸蔵材１１０を多数個の孔を有する多孔質弾性材料からなる弾性変形可能な弾性部材１１１（ダミー材）と共にチューブ間空間１２１ｃに充填したものである。
【００５１】これにより、吸蔵材１１０が膨張縮小しても弾性部材１１１により吸蔵材１１０の体積変化を吸収できるので、水素の吸蔵・解離に伴って発生するチューブ１２１に発生する応力を緩和（吸収）することができる。
【００５２】なお、本実施形態は、弾性部材１１１（ダミー材）の弾性変形により吸蔵材１１０の体積変化を吸収するものであるので、弾性部材１１１の総量と吸蔵材１１０の総量との体積比を吸蔵材１１０の体積変化率と一致させることが望ましい。具体的には、吸蔵材１１０の体積変化率が２０％のときには、弾性部材１１１の総量を全体の体積比で２０％とするとよい。
【００５３】（第６実施形態）上述の実施形態では、断面形状が扁平状となった複数本のチューブ１２１からなる水素吸蔵コア１３０であったが、本実施形態では、図１０、１１に示すように、熱媒体が流通するチューブ１２１と吸蔵材１１０が充填される空間１２１ｃとを押し出し加工又は引く抜き加工にて一体形成するとともに、チューブ１２１と空間１２１ｃとを区画する区画壁（チューブ変形部）１２１ｅの厚みをその他の部位より薄くして弾性変形可能としたものである。
【００５４】（その他の実施形態）第１〜５実施形では、フィン１２３を有する水素吸蔵コア１３０であったが、本発明はフィン１２３を廃止してもよい。
【００５５】また、本発明は上述の実施形態に示された水素吸蔵コア１３０のみに限定されるものではなく、全ての実施形態を組み合わせたもの、チューブにチューブ変形部を設けたのみのもの、フィン１２３にバネ特性を持たせたのみもの、未充填部を設けたのみのもの、吸蔵材１１０を水素を吸蔵・解離しない材質からなる容器１１０ａ内に収納したのみのもの、又は吸蔵材を弾性部材（ダミー材）と共に充填したのみのもの等であってもよい。
【００５６】また、上述の実施形態では、直線状に形成された複数本のチューブ１２１を有するマルチフロー型の熱交換器１２０からなる水素吸蔵コア１３０であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、チューブを蛇行させたサーペンタイン型の熱交換器からなる水素吸蔵コアであってもよい。
【００５７】また、上述の実施形態では、本発明に係る水素吸蔵コアを有する水素供給装置は、暖房用のヒータ３００に水素を供給する水素供給装置に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水素と酸素とを化学反応させて電力を起こす燃料電池の水素供給装置等その他の水素供給装置に適用してもよい。
【出願人】 【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【出願日】 平成１１年１２月１７日（１９９９．１２．１７）
【代理人】 【識別番号】１００１０００２２
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 洋二 （外２名）
【公開番号】 特開２００１−１７３８９７（Ｐ２００１−１７３８９７Ａ）
【公開日】 平成１３年６月２９日（２００１．６．２９）
【出願番号】 特願平１１−３５９７６５