JP2004361022A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な電気絶縁性液体の使用を不要として、且つ自身の冷却性能を大幅に落とす事無く、燃料電池からの絶縁を可能とする熱交換器を提供する。
【解決手段】樹脂製のタンク１１０、１２０を有し、燃料電池１０内を通る冷却液をチューブ１３１内に流通させて冷却する熱交換器１００において、チューブ１３１は、第１絶縁材より形成され、フィン１３２およびコアプレート１３４は、チューブ１３１の表面にそれぞれ分割されて設けられた金属部１３１ｂ、１３１ａにおいてろう接され、コアプレート１３４の外表面およびチューブ１３１とのろう接部位には、第２絶縁材でコーティングされるコーティング部１５０が設けられるようにする。尚、第１絶縁材としてはセラミック材が好適である。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池車両用の燃料電池を冷却する熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池の冷却に関わる技術として、例えば特許文献１に示されるものが知られている。即ち、燃料電池システムとして、冷却材が燃料電池を循環する循環路にラジエータ（熱交換器）を設け、冷却材として電気絶縁性液体を用いたものとしている。この電気絶縁性液体としては、例えばフッ素系不活性液体である住友スリーエム社製のフロリナートや絶縁油等が用いられている。そして、冷却材が流通する循環路と燃料電池との間は絶縁材が介在されている。あるいは循環路自身が絶縁材料で形成されている。
【０００３】
これにより、燃料電池と循環路との間が絶縁され、また、電気絶縁性液体が使用されているので、ラジエータは燃料電池から電気的に絶縁される。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３３１０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、フロリナート等の電気絶縁性液体は、通常の水とエチレングリコールを含む冷却水に比べて熱伝導率が低いので、ラジエータでの冷却性能が充分に引き出せないことになる。また、フロリナート等の電気絶縁性液体は、通常の冷却水に比べて高価であり、燃料電池システムのコストアップを招く。
【０００６】
そこで、冷却材としては上記のような通常の冷却水を用いて、ラジエータ自身に絶縁性を持たせるようにした場合、ラジエータを構成する各部材を絶縁材で形成すことが考えられるが、絶縁材は、通常ラジエータに用いられる高熱伝導材（アルミニウム材や銅材等）と比べて熱伝導率が劣るので、ラジエータ自身の冷却性能が確保できなくなる。
【０００７】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、高価な電気絶縁性液体の使用を不要として、且つ自身の冷却性能を大幅に落とす事無く、燃料電池からの絶縁を可能とする熱交換器を提供することにある。
【０００８】
【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、以下の技術的手段を採用する。
【０００９】
請求項１に記載の発明では、複数積層されるチューブ（１３１）と、チューブ（１３１）の積層方向外方および各間に配設されて、チューブ（１３１）に接合されるフィン（１３２）と、チューブ（１３１）の長手方向端部に接合されるコアプレート（１３４）と、コアプレート（１３４）の反チューブ側に組付けされる樹脂製のタンク（１１０、１２０）とを有し、燃料電池（１０）内を通る冷却液をチューブ（１３１）内に流通させて冷却する熱交換器において、チューブ（１３１）は、第１絶縁材より形成され、フィン（１３２）およびコアプレート（１３４）は、チューブ（１３１）の表面にそれぞれ分割されて設けられた金属部（１３１ｂ、１３１ａ）においてろう接され、コアプレート（１３４）の外表面およびチューブ（１３１）とのろう接部位には、第２絶縁材でコーティングされるコーティング部（１５０）が設けられたことを特徴としている。
【００１０】
これにより、高電圧のかかる冷却液は、熱交換器（１００）内を流通する際に、第１絶縁材から成るチューブ（１３１）および、第２絶縁材から成るコーティング部（１５０）によって外部に対して絶縁されることになるので、冷却液を高価な電気絶縁性液体とする必要が無い。そして、チューブ（１３１）の表面に設けた金属部（１３１ｂ）によって、金属部材をベースとして設定したフィン（１３２）を接合できるので、即ち、熱交換器（１００）における放熱の大半をまかなうフィン（１３２）を熱伝導率の低下する絶縁材で形成する必要が無いので、熱交換器（１００）としての冷却性能を大幅に落とす事が無い。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、チューブ（１３１）の積層方向外方のフィン（１３２）の更に外方には、チューブ（１３２）の長手方向に延びる補強用のサイドプレート（１３３）が設けられており、少なくともサイドプレート（１３３）の長手方向端部は、第１絶縁材によって形成されると共に、この長手方向端部の表面に設けられた端部側金属部（１３３ａ）において、コアプレート（１３４）にろう接され、コアプレート（１３４）のサイドプレート（１３３）とのろう接部位には、コーティング部（１５０）が設けられたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、冷却液の熱交換機（１００）外部に対する絶縁を維持したまま、熱交換器（１００）の補強が可能となる。
【００１３】
更に、請求項３に記載の発明では、サイドプレート（１３３）は、全体が第１絶縁材によって形成されており、サイドプレート（１３３）のフィン（１３２）側の表面には、端部側金属部（１３３ａ）とは分割されて中間側金属部（１３３ｂ）が設けられると共に、中間側金属部（１３３ｂ）においてフィン（１３２）がろう接されたことを特徴としている。
【００１４】
これにより、フィン（１３２）がサイドプレート（１３４）に保持されるので、更に熱交換器（１００）の強度を上げることができる。
【００１５】
上記第１絶縁材としては、請求項４に記載の発明のように、セラミック材が好適であり、良好な絶縁性を有すると共に、表面に容易に金属部（１３１ｂ、１３１ａ）の層を形成できる。
【００１６】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図３に示す。本発明の熱交換器は、燃料電池１０内を通る冷却水（本発明の冷却液に対応）を冷却するラジエータ１００であり、燃料電池１０を電源として駆動する走行用モータを備える燃料電池車両に搭載される。
【００１８】
燃料電池１０は、周知のように水素と酸素とを化学反応させて発電を行うものであり、プラス極とマイナス極との間に高分子電解質膜が挟まれて成るセルを複数直列に接続した燃料電池スタックと、この燃料電池スタックを内部に収容する外部ケーシングとから形成されている。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池１０の外部ケーシングの２ヶ所には絶縁材から成るラジエータ流路２０が接続されている。ラジエータ流路２０は、具体的にはゴム材（ゴムホース）から成る流路としている。ラジエータ流路２０の途中にはラジエータ１００およびウォータポンプ２１が順に配設され、このウォータポンプ２１の作動によって燃料電池１０の外部ケーシング内の冷却水が、ラジエータ流路２０およびラジエータ１００を通って図１中の矢印の方向に循環するようにしている。冷却水は、通常のガソリンエンジン車等に用いられるものと同様に、水にエチレングリコールを混入させた不凍液としている。
【００２０】
また、ラジエータ流路２０には、ラジエータ１００と並列となるようにバイパス流路２２が設けられている。バイパス流路２２は、上記ラジエータ流路２０と同様にゴム材（ゴムホース）から成る。ラジエータ流路２０とバイパス流路２２とのウォータポンプ２１側の接続部には流路切替えバルブ２３が設けられており、図示しない制御装置によってラジエータ１００とバイパス流路２２とを流れる冷却水の流量が調整されるようにしている。
【００２１】
尚、ラジエータ１００には、冷却水の温度上昇に伴う体積膨張分を吸収し、また冷却水の温度低下時における体積収縮分を再びラジエータ１００に戻すリザーブタンク２４が設けられている。
【００２２】
ラジエータ１００は、図２、図３に示すように、コア部１３０のチューブ１３１内を流れる冷却水が図中上から下方向に向かういわゆるバーチカルフロータイプとしており、基本構成としてコア部１３０、アッパタンク１１０、ロウアタンク１２０から成る。
【００２３】
コア部１３０は、チューブ１３１、フィン１３２、サイドプレート１３３、コアプレート１３４から構成されている。
【００２４】
断面偏平状を成すチューブ１３１は複数積層され（図２中の左右方向並べられ）、チューブ１３１の積層方向の外方および各間には薄肉の帯板材から波形に成形されたフィン１３２が設けられている。更に、左右最外方のフィン１３２の更に外方には補強部材としての帯板状のサイドプレート１３３がチューブ１３１の長手方向に沿うように延びて設けられている。各チューブ１３１の長手方向端部およびサイドプレート１３３の長手方向端部は、コアプレート１３４に設けられたチューブ孔１３４ａおよびサイドプレート孔１３４ｂにそれぞれ嵌合され、接合されることでコア部１３０が形成されている。尚、コアプレート１３４の外周には、後述する両タンク１１０、１２０の開口側外周部が挿入されるタンク挿入部１３４ｃと、この挿入部１３４ｃの外側に形成されると共に、両タンク１１０、１２０をかしめるための複数の爪部１３４ｄが設けられている。
【００２５】
アッパタンク（タンク）１１０、ロウアタンク（タンク）１２０は、例えばガラス繊維を含有するナイロン材のような耐熱性、耐強度性に優れる樹脂材より成形されており、断面形状は略Ｕ字状を成し、コアプレート１３４に対向する側が開口する容器体を成している。
【００２６】
そして、この両タンク１１０、１２０の開口側外周部と上記コアプレート１３４のタンク挿入部１３４ｃとの間にシールパッキン（シール部材）１４０が介在されて、両タンク１１０、１２０は爪部１３４ｄによってかしめられてコア部１３０に機械的に接合されている。
【００２７】
尚、アッパタンク１１０にはパイプ部（入口パイプ）１１１、冷却水注入用の注水口１１２、車両取付け用の取付け部１１３が一体で形成されており、また、ロウアタンク１２０にはパイプ部（出口パイプ）１２１、取付け部１２２が一体で成形されている。各パイプ部１１１、１２１はラジエータ流路２０に接続され、冷却水はパイプ部１１１からアッパタンク１１０に流入し、コア部１３０のチューブ１３１内を流れ、ロウアタンク１２０で集合されて、パイプ部１２１から流出する。
【００２８】
次に、本発明の要部について詳細に説明する。まず、コア部１３０を形成する各部材の材質は、以下のようにしている。即ち、フィン１３２およびコアプレート１３４は、通常良く用いられる、アルミニウム材あるいはアルミニウム合金材としている。そして、チューブ１３１およびサイドプレート１３３については、第１絶縁材としてのセラミック材から成るようにしている。
【００２９】
更に詳しくは、チューブ１３１およびサイドプレート１３３は、高純度のアルミナを主成分とするセラミック材から成り、押出し成形した後に焼成により上記で説明した形状にそれぞれ形成されている。もしくは焼成だけでは寸法出しが困難な場合は、必要に応じ焼成後に寸法、面出し研磨によって上記で説明した形状にそれぞれ形成されている。
【００３０】
そして、チューブ１３１の表面には、コアプレート１３４のチューブ孔１３４ａ近傍およびフィン１３２と当接する領域に分けて、金属部１３１ａ、１３１ｂが設けられるようにしている。金属部１３１ａ、１３１ｂは、一般的な技術である直接もしくは間接メタライズ法または溶融接合法などのセラミック表面に金属層を設ける方法によって形成され、フィン１３２、コアプレート１３４と直接接触する最表面にはＡＬ−Ｓｉ系のろう材を有する事でろう接可能となる。
【００３１】
また、サイドプレート１３３の表面にも上記チューブ１３１と同様に、コアプレート１３４のサイドプレート孔１３４ｂ近傍およびフィン１３２と当接する領域に分けて、金属部（端部側金属部）１３３ａおよび金属部（中間側金属部）１３３ｂが設けられるようにしている。
【００３２】
そして、これらの金属部１３１ａ、１３１ｂ、１３３ａ、１３３ｂによってコア部１３０においては、チューブ１３１とコアプレート１３４、チューブ１３１とフィン１３２がそれぞれろう付け（ろう接）され、また、サイドプレート１３３とコアプレート１３４、サイドプレート１３３とフィン１３２がそれぞれろう付け（ろう接）されている。
【００３３】
更に、コアプレート１３４の外表面およびコアプレート１３４にチューブ１３１、サイドプレート１３３がろう付けされる部位（金属部１３１ａ、１３３ａを含む部位）には、第２絶縁材としてのシリコン材によって樹脂コーティングされるコーティング部１５０が設けられるようにしている。
【００３４】
次に、上記構成に基づく作動および作用効果について説明する。燃料電池１０においては、両電極にそれぞれ供給される水素および酸素の化学反応により、電気がつくられる（発電される）。発電時に生ずる熱は、冷却水に伝達され、ウォータポンプ２１によって、この冷却水がラジエータ１００を流通する際に、外気に放出され、冷却水が冷却されることになる。尚、燃料電池１０の発電作用が少ない時は発熱も少なく、流量切替えバルブ２３によって冷却水がバイパス流路２２側を流れるように制御され、ラジエータ１００での放熱が抑制される。このように冷却水は、ラジエータ１００によって所定の温度以下（略８０℃以下）に冷却され、燃料電池１０作動時の温度が適切に維持される。
【００３５】
ところで、燃料電池１０の発電作用時においては、内部の冷却水には高電圧がかかることになるが、本発明においては、チューブ１３１およびサイドプレート１３３を絶縁材としてのセラミック材から形成しており、また、金属部材（アルミニウム材）として外部に露出するコアプレート１３４の外表面およびチューブ１３１、サイドプレート１３３のろう付け部位にコーティング部１５０を設けるようにしているので、高電圧の冷却水がラジエータ１００内を流通する際にも、外部に対して絶縁することができる。よって、従来技術のように冷却水を高価な電気絶縁性液体とする必要が無い。
【００３６】
そして、チューブ１３１およびサイドプレート１３３の表面に設けた金属部１３１ｂ、１３３ｂによって、金属部材（アルミニウム）をベースとして設定したフィン１３２をろう付け接合できるので、即ち、ラジエータ１００における放熱の大半をまかなうフィン１３２を熱伝導率の低下する絶縁材で形成する必要が無いので、ラジエータ１００としての冷却性能を大幅に落とす事が無い。
【００３７】
また、サイドプレート１３３についてもチューブ１３１と同様にセラミック材を用いて形成しており、金属部１３３ｂによってフィン１３２とろう付けされるので、冷却水のラジエータ１００外部に対する絶縁を維持したまま、ラジエータ１００の補強が可能となる。
【００３８】
尚、付随的に、コーティング部１５０は、仮にコアプレート１３４に対するチューブ１３１あるいはサイドプレート１３３のろう付けに未接合部が生じたとしても、未接合部を塞ぐように作用するので、チューブ１３１、サイドプレート１３３とコアプレート１３４とのシール部材の役割も持たすことができる。
【００３９】
（第２実施形態）
上記第１実施形態に対して、サイドプレート１３３は、コアプレート１３４とのろう付け部位近傍のみをセラミック製にし、残りの部位をアルミニウム材としても良い。これにより、中間側の金属部１３３ｂを廃止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態におけるシステム全体を示す模式図である。
【図２】ラジエータ全体を示す正面図である。
【図３】本発明の特徴部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池
１００ ラジエータ（熱交換器）
１１０ アッパタンク（タンク）
１２０ ロウアタンク（タンク）
１３１ チューブ
１３１ａ 金属部
１３１ｂ 金属部
１３２ フィン
１３３ サイドプレート
１３３ａ 金属部（端部側金属部）
１３３ｂ 金属部（中間側金属部）
１３４ コアプレート
１５０ コーティング部

Claims (4)

1. 複数積層されるチューブ（１３１）と、
   前記チューブ（１３１）の積層方向外方および各間に配設されて、前記チューブ（１３１）に接合されるフィン（１３２）と、
   前記チューブ（１３１）の長手方向端部に接合されるコアプレート（１３４）と、
   前記コアプレート（１３４）の反チューブ側に組付けされる樹脂製のタンク（１１０、１２０）とを有し、
   燃料電池（１０）内を通る冷却液を前記チューブ（１３１）内に流通させて冷却する熱交換器において、
   前記チューブ（１３１）は、第１絶縁材より形成され、
   前記フィン（１３２）および前記コアプレート（１３４）は、前記チューブ（１３１）の表面にそれぞれ分割されて設けられた金属部（１３１ｂ、１３１ａ）においてろう接され、
   前記コアプレート（１３４）の外表面および前記チューブ（１３１）とのろう接部位には、第２絶縁材でコーティングされるコーティング部（１５０）が設けられたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記チューブ（１３１）の積層方向外方の前記フィン（１３２）の更に外方には、前記チューブ（１３２）の長手方向に延びる補強用のサイドプレート（１３３）が設けられており、
   少なくとも前記サイドプレート（１３３）の長手方向端部は、前記第１絶縁材によって形成されると共に、この長手方向端部の表面に設けられた端部側金属部（１３３ａ）において、前記コアプレート（１３４）にろう接され、前記コアプレート（１３４）の前記サイドプレート（１３３）とのろう接部位には、前記コーティング部（１５０）が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記サイドプレート（１３３）は、全体が前記第１絶縁材によって形成されており、
   前記サイドプレート（１３３）の前記フィン（１３２）側の表面には、前記端部側金属部（１３３ａ）とは分割されて中間側金属部（１３３ｂ）が設けられると共に、前記中間側金属部（１３３ｂ）において前記フィン（１３２）がろう接されたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記第１絶縁材は、セラミック材としたことを特徴とする請求項１〜請求項３にいずれかに記載の熱交換器。

Images