JP2004308961A

JP2004308961A - 車両の熱交換装置

Info

Publication number: JP2004308961A
Application number: JP2003100260A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Hayasaka; 厚早坂; Yoshihiko Sonoda; 由彦薗田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】燃料電池式車両に好適な、熱交換効率の高い車両の熱交換装置を提供すること。
【解決手段】熱交換装置としてのラジエータ１０は、冷却水を循環するチューブ１２及び複数の流動層室１３０を有するフィン部１３を縦方向に順に配置するコア部１１と、コア部１１の両端部でチューブ１２に冷却水を分配する上部タンク部１５・下部タンク部１６とを備えて構成する。フィン部１３には、上流側から下流側に向かって上方に傾斜して配置するフィン１３２と、フィン１３２上に充填する粒子１３３と、フィン部１３を覆う網部材１３１と、で流動層室１３０を構成し、電動ファンで送風される空気によって粒子１３３を流動させて熱伝導を可能とし、チューブ１２内に循環する冷却水と熱交換を行う。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両の熱交換装置に関し、特に、燃料電池式の車両に好適な熱交換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のごとく、自動車のラジエータは、内燃機関から発生する熱を、冷却水を循環することによって冷却するように構成され、冷却水を循環するチューブとコルゲートフィンとが縦方向に交互に配置して構成されている。そして、冷却水はラジエータ内を循環することによって送風された空気と熱交換して冷却される。
しかし、近年、内燃機関による自動車から燃料電池による自動車が開発され実用化されるようになると、燃料電池から発する熱を放熱するための冷却装置が新たに検討されることとなってきた。つまり燃料電池による自動車は、内燃機関による自動車に比べて排気での放熱量が極めて少なく、少なくとも内燃機関の自動車に比べて１．５〜２倍程度の放熱量を必要とすることから、燃料電池での放熱における高性能化を達成することが課題として挙げられていた。
【０００３】
燃料電池における冷却系は、図１に示すように、冷却水は燃料電池本体１で発生する熱を奪って昇温しウォーターポンプ５によって循環されラジエータ１０内で空気と熱交換して冷却されている。
【０００４】
一方、電熱促進技術において、特許文献１又は特許文献２に示すように、効率的な熱伝達を行うことの一つには、粒子を充填させた流動層を形成することが挙げられており、さらに、粒子の流動化効率を向上するためには、空気が下方から上方に斜め方向に向かって流れることが理想であることが知られている。
【０００５】
【特許文献１】
日本機械学会論文集５１巻４６３号「流動層内に置かれた加熱円管よりの熱伝達特性」（９８９〜９９５頁参照）
【特許文献２】
日本機械学会論文集４９巻４４６号「流動層内に置かれた水平円筒表面からの熱伝達」（２１６３〜２１７１頁参照）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の内燃機関の自動車では、ラジエータは、前述のように冷却水を循環するチューブとチューブに隣接するコルゲートフィンが縦方向に配置され、送風される空気は水平方向に流れることから、従来のラジエータを燃料電池の自動車に採用することは、理想的な流動層として形成することができず放熱性能を低下させることとなって望ましくない。これを改良するために、例えば、コルゲートフィンの薄肉化やチューブ間のピッチを縮小することが考えられるものの、従来技術の応用程度で燃料電池の自動車に求められている放熱性能を達成することは、極めて困難な状態にあった。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するものであり、燃料電池式の車両に使用して放熱性能を向上することができる車両の熱交換装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る車両の熱交換装置では、上記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、粒子を充填して流動層として形成するフィン部とフィン部に隣接するチューブとを交互に配置してコア部を構成し、前記コア部に空気を送風することにより熱交換するものであり、空気をコア部に送風する際、粒子が流動層を形成し、熱伝達することによって熱交換を行うことができる。粒子による熱伝達は、特許文献１で示すように、流動化状態にすることによって大幅に促進できることが知られていることから、従来の車両の熱交換装置におけるコルゲートフィンに比べて熱交換効率を飛躍的に向上させることができる。従って燃料電池式の車両においては、放熱性能を向上することができることから、実用的な熱交換装置として採用することが可能となる。
【０００９】
また、請求項２記載の発明では、フィン部には複数の流動層室が配置され、各流動層室においてフィン上に充填される粒子が流動することから、縦方向に配置された各列のフィン部を細分化して、それぞれの流動層室で熱伝達が行われることとなって熱交換装置全体での熱交換の効率を向上することができる。
【００１０】
さらに、請求項３記載の発明では、各流動層室内のフィンを斜めに傾斜して配置することによって、フィン部を通過する送風された空気は、下方から上方に向かって流れることとなる。粒子を流動させるためには空気を下方から上方に向かって吹き抜けることが理想的であると知られていることから、この発明による熱交換装置では、熱交換効率を向上した構成を提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
実施形態の車両の熱交換装置は、燃料電池式の自動車のラジエータとして使用するものであり、以下、ラジエータという。図１に示すように、ラジエータ１０は、燃料電池本体１との間で冷却水の循環経路を構成している。ラジエータ１０は、冷却水を貯留するタンク７に接続されて自動車の前方部に配置され、燃料電池本体１の上流側に配置されるウォーターバルブ３、ウォーターポンプ５を通って燃料電池本体１と配管接続されている。冷却水は、一般的には水あるいは不凍液が使用され、ラジエータ１０と燃料電池本体１内を循環する。ラジエータ１０の後方には、電動ファン９が配置され外気を導入して冷却水の熱交換を行う。ラジエータ１０及び電動ファン９との配置状態は、一般的な自動車と同様に構成されている。
【００１３】
ラジエータ１０は、図２〜３に示すように、冷却水を流通するチューブ１２とチューブ１２に隣接して配置するフィン部１３をそれぞれ縦方向に複数配置するコア部１１と、コア部１１の上下両端部に配置して冷却水を各チューブ１２に分配する上部タンク部１５、下部タンク部１６とを備えている。上部タンク部１５には冷却水の流入口１７が配置され、下部タンク部１６には冷却水の流出口１８が配置されている。
【００１４】
縦方向に配置された各フィン部１３はそれぞれ網部材１３１で覆われるとともに、上流側から下流側に向かって上方に傾斜するフィン１３２で仕切られていて細分化された複数の流動層室１３０を形成している。各流動層室１３０には多数の粒子１３３が充填されていて、各流動層室１３０内で流動可能に配置されている。
【００１５】
粒子は、ガラス製の材料、又はプラスチック製の材料、あるいはセラミックスやアルミナ製の材料で形成され、粒子径は０．１〜１．０ｍｍ程度、密度は２０００〜４０００ｋｇ／ｍ３程度のものが使用されている。
【００１６】
なお、一般に流動層領域において、粒子の運動に影響を及ぼすのは粒子径と密度であり、粒子径は、小径のものがいわゆる流体としての特性を備えていて、同一流速内では粒子・流体間の混合も良好であり熱伝達率が向上できるものとして望ましい。また、密度は、密度の大きいものが慣性力を大きくすることから、空気の壁面せん断力を増加させて熱伝達率を増加できることとなって望ましい。
【００１７】
次に、上記のように構成されたラジエータ１０において、送風された空気の流れの作用について図１〜３に基づいて説明する。
【００１８】
まず、図１に示すように、自動車のエンジンを始動すると同時にウォーターポンプ５が作動して冷却水が循環する。タンク７に貯留されている冷却水はラジエータ１０内で循環され、電動ファンの作動により外気を導入して熱交換が行われる。熱交換されて冷却された冷却水は、ウォーターバルブ３、ウォーターポンプ５を通って燃料電池本体１内に流入され、燃料電池本体１を冷却して流出される。流出された冷却水は、一部がウォーターバルブ３に流れて燃料電池本体１に流入され、一部はラジエータ１０に戻されて再び冷却された後、燃料電池本体１に向かって循環される。
【００１９】
一方、ラジエータ１０内を流れる冷却水は、図３に示すように、電動ファン９によって導入された外気と熱交換される。ラジエータ１０内の各流動層室１３０内を通過する外気は、ラジエータ１０に対して水平方向に流入されるものの、下流側に向かって上方に傾斜して配置するフィン１３２に当たって上方に向けて方向転換して流出される。すると、流動層室１３０内に充填されている粒子１３３は、外気が下方から上方に向かって流れていることから、上方に向かって舞い上がるようにして上流側から下流側に向かって流動する。粒子の流動は、下流側に配置された網部材１３１に当たると上流側に向かって旋回するように流動して、再び送風されてくる外気によって下流側に流動することとなり、これが繰り返されて連続的に行われる。
【００２０】
粒子１３３の流動により、外気の冷気を粒子が熱伝達してフィン１３２及びチューブ１２を冷却することとなって、冷却水を冷却することとなる。
【００２１】
上述のように、実施形態のラジエータ１０では、フィン部１３を細分化して複数の流動層室１３０を設け、流動層室１３０に上流側から下流側に向かって上方に傾斜するフィン１３２上に多数の小径の粒子１３３を充填させて網部材１３１で流動層室１３０を覆うように構成することによって、電動ファン９で送風された外気が各流動層室１３０を通過する際に、粒子１３３を舞い上がせるようにして流動させることから、各流動層室１３０に流動層を形成し、チューブ１２内を循環する冷却水と熱交換して冷却することができる。流動する粒子１３３により熱伝達率を極めて効率的に行われることから、ラジエータを、粒子１３３の流動可能な構成とすることによって、燃料電池式による自動車において、極めて効率的に熱交換できる熱交換装置として使用することができる。
【００２２】
なお、本発明の車両の熱交換装置は、上記の形態に限定することなく、ラジエータでなく他の熱交換器、例えば、コンデンサやエバポレータであってもよい。
【００２３】
また、粒子はできるだけ小径で形成され密度が大きいものであれば、実施形態で示した材料以外のものでも使用することができる。
【００２４】
さらに、流動層室を構成するフィンの傾斜角度や形状は、粒子の流動効率を向上できる角度あるいは形状であれば、特に限定するものではなく、例えば、上流側から下流側に向かって直交するように湾曲状に屈曲するように形成してもよい。
【００２５】
また、流動層室を覆う網部材は、送風される外気を流通可能にし、しかも粒子が流動層室内から飛び出すことがないように形成するものであれば、詳細を限定するものではない。
【００２６】
また、粒子径の大きさ、又は密度は送風される空気の流速によって流動効率が変わることから、風速によって適宜な粒子と入れ替えるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態によるラジエータと燃料電池との冷却水循環経路を示す簡略構成図である。
【図２】図１におけるラジエータを示す正面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【符号の説明】
１燃料電池本体
９電動ファン
１０ラジエータ
１１コア部
１２チューブ
１３フィン部
１３０流動層室
１３１網部材
１３２フィン
１３３粒子

Claims

複数のチューブとフィン部とを交互に配置するコア部を備え、前記コア部に空気を送風することによって熱交換される車両の熱交換装置であって、
前記フィン部に粒子を充填して、粒子の流動層を形成することを特徴とする車両の熱交換装置。
前記フィン部は、フィン上に粒子が充填される複数の流動層室を備えていることを特徴とする請求項１記載の車両の熱交換装置。
前記フィンが送風方向に対して傾斜して配置され、送風された空気を斜め上方に流出可能に形成されることを特徴とする請求項２記載の車両の熱交換装置。