多管換熱器裝置及其制造方法

專利名稱：多管換熱器裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多管換熱器裝置及其制造方法。該換熱器裝置包括主體單元和設(shè)置在該主體單元中的多個(gè)導(dǎo)熱管。在所述導(dǎo)熱管中形成有用于第一流體的第一通路，并且在所述導(dǎo)熱管之間形成有用于第二流體的第二通路。
背景技術(shù)：
典型地講，固體氧化物燃料電池(SOFC)采用由諸如穩(wěn)定氧化鋯的離子導(dǎo)電固體氧化物制成的電解質(zhì)。該電解質(zhì)插設(shè)在陽極與陰極之間，以形成電解質(zhì)電極組件(單元電池)。該電解質(zhì)電極組件插設(shè)在隔板(雙極板)之間。在使用中，將預(yù)定數(shù)量的單元電池和隔板堆疊在一起，以形成燃料電池組。
在該燃料電池中，向陰極提供含氧氣體或空氣。含氧氣體中的氧在陰極與電解質(zhì)之間的界面處電離，并且氧離子(O2-)通過電解質(zhì)朝向陽極運(yùn)動(dòng)。向陽極提供諸如含氫氣體或CO的燃料氣體。氧離子與含氫氣體中的氫起反應(yīng)以生成水，或者與CO起反應(yīng)以生成CO2。反應(yīng)中釋放出的電子通過外部電路流向陰極，以產(chǎn)生DC電能。
在該燃料電池中，使用換熱器，用于通過與排氣(消耗之后的反應(yīng)氣體)等進(jìn)行換熱來加熱向陰極供應(yīng)的空氣。例如，作為一種類型的換熱器，已知一種如日本特開平8-261679號(hào)公報(bào)中公開的多管換熱器。
如圖14所示，多管換熱器包括多個(gè)并行設(shè)置的導(dǎo)熱管1。所述導(dǎo)熱管1的相對(duì)兩端接合至管狀板2a、2b。導(dǎo)熱管1由管狀板2a、2b支撐。每個(gè)導(dǎo)熱管1都具有大致橢圓形截面。至少一個(gè)肋(未示出)與縱向平行地在導(dǎo)熱管1中延伸。
在傳統(tǒng)技術(shù)中，為了提高在導(dǎo)熱管1內(nèi)部流動(dòng)的流體與在導(dǎo)熱管1外部流動(dòng)的流體之間的換熱效率，或者為了增加導(dǎo)熱表面積，必須增加導(dǎo)熱管1的數(shù)量。然而，為了增加導(dǎo)熱管1的數(shù)量就必須減小導(dǎo)熱管1的直徑。因此，在熱導(dǎo)管1內(nèi)部流動(dòng)的流體的壓力損失變大。由此，不能增加供應(yīng)到導(dǎo)熱管1中的流體的量，從而不能提高換熱器裝置的效率。
而且，由于空間約束，在導(dǎo)熱管1的可以增加的數(shù)量上存在限制。在導(dǎo)熱管1內(nèi)部流動(dòng)的流體與在導(dǎo)熱管1外部流動(dòng)的流體之間的體積比不恒定。因此，難以提高換熱效率。
而且，隨著導(dǎo)熱管1的數(shù)量增加，導(dǎo)熱管1的厚部的表面積增加。由此，由于導(dǎo)熱管1的厚度過大，造成熱容量增加，從而顯著降低了熱效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種可以提高換熱效率的、具有簡(jiǎn)單且緊湊的結(jié)構(gòu)的多管換熱器裝置和該多管換熱器裝置的制造方法。
本發(fā)明涉及一種多管換熱器裝置和該換熱器裝置的制造方法。該換熱器裝置包括主體單元和設(shè)置在所述主體單元中的多個(gè)導(dǎo)熱管。在所述導(dǎo)熱管中形成有用于第一流體的第一通路。在所述導(dǎo)熱管之間形成有用于第二流體的第二通路。每個(gè)所述導(dǎo)熱管都具有限制所述第一通路的通路寬度的相對(duì)的壁，并且所述壁沿漸開曲線形成。
優(yōu)選的是，在所述主體單元的相對(duì)兩端處設(shè)置有法蘭，并且所述導(dǎo)熱管按預(yù)定角間隔設(shè)置在所述法蘭處。而且，優(yōu)選的是，每個(gè)所述第二通路都通過沿所述漸開曲線設(shè)置相鄰的導(dǎo)熱管而形成。
而且，優(yōu)選的是，所述導(dǎo)熱管具有無縫連續(xù)形狀。例如，利用拉制工序或擠制工序?qū)⑺鰧?dǎo)熱管形成單件，以使其具有無縫連續(xù)形狀。
而且，優(yōu)選的是，在所述主體單元的一端處設(shè)置有第一流體入口和第二流體出口，以使所述第一流體通過所述第一流體入口流入所述第一通路，并且使所述第二流體通過所述第二流體出口從所述第二通路排出；并且在所述主體單元的另一端處設(shè)置有第一流體出口和第二流體入口，以使所述第一流體通過所述第一流體出口從所述第一通路排出，并且使所述第二流體通過所述第二流體入口流入所述第二通路。而且，優(yōu)選的是，所述第二流體為排氣。
根據(jù)本發(fā)明，所述導(dǎo)熱管的相對(duì)的壁沿所述漸開曲線形成。由此，在整個(gè)所述第一通路中，通路寬度恒定。從流動(dòng)通過所述第二通路的所述第二流體有效地向流動(dòng)通過所述第一通路的所述第一流體傳遞熱。由此，有效地提高了換熱效率。而且，在所述第一通路中的所述第一流體不會(huì)出現(xiàn)不均勻流動(dòng)。所述第一流體平滑地流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了熱效率的提高。
從下面結(jié)合附圖的說明將更清楚本發(fā)明的上述和其它目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)，其中附圖以例示性示例的方式示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。


圖1是示出包括根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多管換熱器的燃料電池系統(tǒng)的局部剖視圖；圖2是示意性地示出燃料電池系統(tǒng)的燃料電池組的立體圖；圖3是示出燃料電池組的燃料電池的分解立體圖；圖4是示出燃料電池中的氣流的局部分解立體圖；圖5是示出隔板的正視圖；圖6是示意性地示出燃料電池的操作的剖視圖；圖7是示出燃料電池組的端板的正視圖；圖8是示出燃料電池系統(tǒng)的載荷施加機(jī)構(gòu)的局部分解立體圖；圖9是示出換熱器的主要構(gòu)件的立體圖；圖10是示出換熱器的主要構(gòu)件的正視圖；圖11是示出換熱器的導(dǎo)熱管的圖；圖12是示出用于形成導(dǎo)熱管的拉制機(jī)的圖；圖13是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的多管換熱器的主要構(gòu)件的正視圖；以及圖14是示出傳統(tǒng)多管換熱器的圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是示出包括根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的多管換熱器裝置的燃料電池系統(tǒng)10的局部剖視圖。圖2是示意性地示出燃料電池系統(tǒng)10的燃料電池組12的立體圖。燃料電池組12通過沿箭頭A所示方向堆疊多個(gè)燃料電池11而形成。
燃料電池系統(tǒng)10用于各種應(yīng)用，包括固定應(yīng)用和移動(dòng)應(yīng)用。例如，將燃料電池系統(tǒng)10安裝在車輛上。如圖1所示，燃料電池系統(tǒng)10包括燃料電池組12、換熱器(多管換熱器裝置)14、重整器16以及外殼18。在含氧氣體供應(yīng)給燃料電池組12之前，換熱器14將該含氧氣體加熱。重整器16重整燃料，以生成燃料氣體。燃料電池組12、換熱器14以及重整器16布置在外殼18中。
在外殼18中，在燃料電池組12的一側(cè)上布置有至少包括換熱器14和重整器16在內(nèi)的流體單元19，而在燃料電池組12的另一側(cè)上布置有用于沿箭頭A所示的堆疊方向向燃料電池11施加緊固載荷的載荷施加機(jī)構(gòu)21。流體單元19和載荷施加機(jī)構(gòu)21均關(guān)于燃料電池組12的中心軸線對(duì)稱地設(shè)置。
燃料電池11是固體氧化物燃料電池(SOFC)。如圖3和圖4所示，燃料電池11包括電解質(zhì)電極組件26。每個(gè)電解質(zhì)電極組件26都包括陰極22、陽極24以及插設(shè)在陰極22與陽極24之間的電解質(zhì)(電解質(zhì)板)20。例如，電解質(zhì)20由諸如穩(wěn)定氧化鋯的離子導(dǎo)電固體氧化物制成。電解質(zhì)電極組件26具有圓盤形狀。至少在電解質(zhì)電極組件26的內(nèi)周緣(隔板28的中央部分)處設(shè)置有屏障層(未示出)，以防止含氧氣體進(jìn)入。
在一對(duì)隔板28之間插設(shè)多個(gè)(例如，八個(gè))電解質(zhì)電極組件26，以形成燃料電池11。這八個(gè)電解質(zhì)電極組件26與延伸通過隔板28的中央的燃料氣體供應(yīng)通路30同心。
在圖3中，例如，每個(gè)隔板28都包括例如由不銹合金制成的金屬板或碳板。隔板28具有第一小直徑端部32。燃料氣體供應(yīng)通路30延伸通過第一小直徑端部32的中央。第一小直徑端部32通過多個(gè)第一橋34與均具有相對(duì)較大直徑的圓盤36成一體。第一橋34以相等的角度(間隔)從第一小直徑端部32徑向向外延伸。圓盤36和電解質(zhì)電極組件26具有大致相同的尺寸。相鄰的圓盤36通過狹縫38彼此隔開。
每個(gè)圓盤36在其與陽極24接觸的表面36a上都具有第一突起48。第一突起48形成燃料氣體通道46，用于沿陽極24的電極表面供應(yīng)燃料氣體。每個(gè)圓盤36在其與陰極22接觸的表面36b上都具有第二突起52(參見圖5)。第二突起52形成含氧氣體通道50，用于沿陰極22的電極表面供應(yīng)含氧氣體。
如圖6所示，第一突起48和第二突起52彼此遠(yuǎn)離地突出。第一突起48是環(huán)形突起，而第二突起52是山形突起。第二突起(山形突起)52被第一突起(環(huán)形突起)48圍繞。
如圖3到圖5所示，在每個(gè)圓盤36中都設(shè)置有燃料氣體入口54。燃料氣體通過燃料氣體入口54流入燃料氣體通道46。燃料氣體入口54的位置確定成使燃料氣體可以均勻分布。例如，將燃料氣體入口54設(shè)置在圓盤36的中央處。
在面向陰極22的表面上利用釬焊或激光焊接將通道部件56固定至隔板28。如圖3所示，通道部件56包括第二小直徑端部58。燃料氣體供應(yīng)通路30延伸通過第二小直徑端部58的中央。八個(gè)第二橋60從第二小直徑端部58徑向延伸。每個(gè)第二橋60都固定至隔板28，從第一橋34到圓盤36的燃料氣體入口54。
在通道部件56的第二小直徑端部58上形成有多個(gè)狹縫62。在第二小直徑端部58的接合到隔板28的表面上徑向形成狹縫62。狹縫62連接到燃料氣體供應(yīng)通路30。而且，狹縫62連接到形成在第二小直徑端部58的外周區(qū)域中的凹部64。凹部64防止釬焊材料的流動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)燃料氣體的均勻流動(dòng)。燃料氣體供應(yīng)通道66形成在第一橋34與第二橋60之間。燃料氣體供應(yīng)通道66通過狹縫62和凹部64連接到燃料氣體通道46。
如圖6所示，含氧氣體通道50連接到含氧氣體供應(yīng)單元67。通過電解質(zhì)電極組件26的內(nèi)周緣與圓盤36的內(nèi)周緣之間的空間，沿箭頭B所示方向供應(yīng)含氧氣體。含氧氣體供應(yīng)單元67由相應(yīng)圓盤36的內(nèi)側(cè)與第一橋34之間的空間形成，并且沿堆疊方向延伸。
在隔板28之間設(shè)置有用于密封燃料氣體供應(yīng)通路30的絕緣密封件69。例如，絕緣密封件69由云母材料或陶瓷材料制成。在相應(yīng)圓盤36的外部，排氣通道68沿堆疊方向延伸通過燃料電池11。
如圖1和圖2所示，燃料電池組12包括多個(gè)堆疊在一起的燃料電池11、以及設(shè)置在沿堆疊方向的相對(duì)兩端的端板70a、70b。端板70a具有大致圓盤形狀。在端板70a的外周區(qū)域中形成有環(huán)形部72。環(huán)形部72從端板70a沿軸向突出。環(huán)繞環(huán)形部72形成有槽74。在環(huán)形部72的中央處設(shè)置有筒形突起76。筒形突起76和環(huán)形部72沿同一方向從端板70a突出。在突起76的中央處形成有孔78。
在端板70a中，沿環(huán)繞突起76的虛圓交替形成有孔80和螺紋孔82。孔80和螺紋孔82彼此隔開預(yù)定間隔(角度)。如圖7所示，孔80和螺紋孔82設(shè)置在與形成于第一橋34和第二橋60之間的含氧氣體供應(yīng)單元67的相應(yīng)空間對(duì)應(yīng)的位置處。如圖1所示，端板70b的直徑大于端板70a的直徑。端板70b是薄導(dǎo)電板。
外殼18包括容納載荷施加機(jī)構(gòu)21的第一外殼單元86a和容納燃料電池組12的第二外殼單元86b。端板70b和絕緣部件夾在第一外殼單元86a與第二外殼單元86b之間。該絕緣部件設(shè)置在第二外殼單元86b的側(cè)面上。利用螺栓88和螺母90緊固第一外殼單元86a與第二外殼單元86b之間的接合部。端板70b用作熱障，用于防止來自流體單元19的熱排氣或熱空氣進(jìn)入載荷施加機(jī)構(gòu)21。
換熱器14的環(huán)形外壁板92的一端接合至第二外殼單元86b，并且在外壁板92的另一端固定頂板94。流體單元19關(guān)于燃料電池組12的中心軸線對(duì)稱地設(shè)置。具體地說，在大致環(huán)形的換熱器14的內(nèi)部同軸地設(shè)置大致柱形的重整器16。
壁板96固定至環(huán)繞端板70a的槽74，以形成腔室單元98。換熱器14和重整器16直接連接至腔室單元98。在換熱器14處加熱的空氣臨時(shí)充入腔室單元98中的腔室98a。孔80形成為用于將臨時(shí)充入腔室98a中的空氣供應(yīng)至燃料電池組12的開口。
燃料氣體供應(yīng)管100和重整氣體供應(yīng)管102連接至重整器16。燃料氣體供應(yīng)管100從頂板94向外延伸。重整氣體供應(yīng)管102插入端板70a的孔78中，并且連接至燃料氣體供應(yīng)通路30。
空氣供應(yīng)管104和排氣管106連接至頂板94。在外殼18中設(shè)置有通過換熱器14從空氣供應(yīng)管104延伸至腔室單元98的第一通路108、以及通過換熱器14從燃料電池組12的排氣通道68延伸至排氣管106的第二通路110。消耗之前的空氣沿箭頭A1所示方向流動(dòng)通過第一通路108。排氣沿箭頭A2所示方向在第二通路110中流動(dòng)。即，空氣和排氣按逆流方式流動(dòng)。
載荷施加機(jī)構(gòu)21包括第一緊固單元112a和第二緊固單元112b，該第一緊固單元112a用于向環(huán)繞(靠近)燃料氣體供應(yīng)通路30的區(qū)域施加第一緊固載荷T1，而第二緊固單元112b用于向電解質(zhì)電極組件26施加第二緊固載荷T2。第二緊固載荷T2小于第一緊固載荷T1(T1＞T2)。
如圖1、圖2和圖8所示，第一緊固單元112a包括較短的第一緊固螺栓114a，該第一緊固螺栓114a擰入沿端板70a的一條對(duì)角線設(shè)置的螺紋孔82中。第一緊固螺栓114a沿燃料電池11的堆疊方向延伸，并且與第一壓板116a接合。第一緊固螺栓114a設(shè)置在隔板28中的含氧氣體供應(yīng)單元67中。第一壓板116a是一窄板，并且與隔板28的中央位置接合，以覆蓋燃料氣體供應(yīng)通路30。
第二緊固單元112b包括較長(zhǎng)的第二緊固螺栓114b，該第二緊固螺栓114b擰入沿端板70a的另一對(duì)角線設(shè)置的螺紋孔82中。第二緊固螺栓114b的端部延伸通過具有彎曲外部的第二壓板116b。螺母117裝配至第二緊固螺栓114b的端部。第二緊固螺栓114b設(shè)置在隔板28中的含氧氣體供應(yīng)單元67中。在第二壓板116b的相應(yīng)圓形部中，在與燃料電池11的圓盤36上的電解質(zhì)電極組件26對(duì)應(yīng)的位置處設(shè)置彈簧118和彈簧座119。例如，彈簧118是陶瓷彈簧。
在根據(jù)第一實(shí)施例的換熱器14中，如圖9和圖10所示，多個(gè)導(dǎo)熱管120設(shè)置在外壁板92與內(nèi)壁板122之間。即，導(dǎo)熱管120設(shè)置在換熱器14的主體單元中。導(dǎo)熱管120按預(yù)定角間隔隔開。第一通路108形成在導(dǎo)熱管120中，第二通路110形成在導(dǎo)熱管120之間。沿漸開曲線形成導(dǎo)熱管120的限制第一通路108的通路寬度的相對(duì)兩壁120a、120b。外壁板92的端部沒有與內(nèi)壁板122的端部對(duì)準(zhǔn)，以形成用于第二通路110的排氣入口(第二流體入口)130和排氣出口(第二流體出口)128。因?yàn)檠貪u開曲線形成第一通路108，所以第二通路110具有與漸開曲線對(duì)應(yīng)的通路寬度。
導(dǎo)熱管120的相對(duì)兩端插入法蘭124a、124b中。導(dǎo)熱管120的外周表面和內(nèi)周表面接合至外壁板92和內(nèi)壁板122。相鄰的導(dǎo)熱管120沿漸開曲線設(shè)置。由此，在導(dǎo)熱管120之間形成第二通路110。
具體地說，如圖11所示，環(huán)繞中心O形成漸開曲線IV1。在與漸開曲線IV1隔開角度α1°的位置處形成漸開曲線IV2。同樣，在與漸開曲線IV2隔開角度α2°的位置處形成漸開曲線IV3。此后，采用相同的方式形成其它漸開曲線，直到形成預(yù)定漸開曲線IVn。
應(yīng)注意到，角度α1°等于角度α2°(α1°＝α2°)，以使第一通路108的壁的表面積變得等于第二通路110的壁的表面積。例如，假定第一通路108的數(shù)量為六個(gè)，并且第二通路110的數(shù)量為六個(gè)，則角度α1°和角度α2°為30°(α1°＝α2°＝30°)。在這種情況下，設(shè)置六個(gè)導(dǎo)熱管，以使第一通路108和第二通路110沿漸開曲線IV1到IV12交替形成。在第一實(shí)施例中，如圖9和圖10所示，導(dǎo)熱管120的數(shù)量為18個(gè)。
如圖1所示，導(dǎo)熱管120的入口側(cè)連接至形成在頂板94內(nèi)部的腔室(第一流體入口)126。通過在靠近腔室126的位置處切割內(nèi)壁板122來形成排氣出口128。第二通路110的出口側(cè)連接至排氣出口128。作為第一流體出口的腔室98a與腔室126相對(duì)地設(shè)置。第一通路108的出口側(cè)連接至腔室98a?？拷皇?8a設(shè)置排氣入口130。第二通路110的入口側(cè)連接至排氣入口130。
例如，導(dǎo)熱管120由耐熱不銹材料制成，并且利用拉制工序或擠制工序形成具有無縫連續(xù)形狀的單件。圖12示出了拉制機(jī)140。拉制機(jī)140包括模具142和插塞144。將環(huán)狀材料146拉拔通過模具142與插塞144之間的間隙148，以形成單件導(dǎo)熱管120。
可以不利用上述冷拉制工序來形成導(dǎo)熱管120。盡管未示出，但可以將加熱后的材料充入擠制機(jī)中，以通過擠制工序形成單件導(dǎo)熱管120。
下面，對(duì)燃料電池系統(tǒng)10的操作進(jìn)行說明。
如圖3所示，在組裝燃料電池系統(tǒng)10時(shí)，首先，將隔板28在其面對(duì)陰極22的表面上接合至通道部件56。因此，在隔板28與通道部件56之間形成連接至燃料氣體供應(yīng)通路30的燃料氣體供應(yīng)通道66。燃料氣體供應(yīng)通道66通過燃料氣體入口54連接至燃料氣體通道46(參見圖6)。環(huán)形絕緣密封件69環(huán)繞燃料氣體供應(yīng)通路30設(shè)置在每個(gè)隔板28上。
以這種方式制作了隔板28。八個(gè)電解質(zhì)電極組件26插設(shè)在隔板28之間以形成燃料電池11。如圖3和圖4所示，電解質(zhì)電極組件26插設(shè)在一個(gè)隔板28的表面36a與另一隔板28的表面36b之間。圓盤36的燃料氣體入口54位于每個(gè)陽極24的中央處。
沿箭頭A所示的方向堆疊多個(gè)燃料電池11，將端板70a、70b設(shè)置在沿堆疊方向的相對(duì)兩端。如圖1、圖2和圖8所示，第一緊固單元112a的第一壓板116a設(shè)置在燃料電池11的中央處。
在這種狀態(tài)下，將較短的第一緊固螺栓114a朝向端板70a插入穿過第一壓板116a和端板70b。將第一緊固螺栓114a的頂端擰入并裝配至沿端板70a的其中一條對(duì)角線形成的螺紋孔82。將第一緊固螺栓114a的頭部與第一壓板116a接合。將第一緊固螺栓114a擰入螺紋孔82，以調(diào)節(jié)第一壓板116a的表面壓力。以這種方式，在燃料電池組12中，將第一緊固載荷T1施加至靠近燃料氣體供應(yīng)通路30的區(qū)域。
接著，將彈簧118和彈簧座119與在圓盤36的相應(yīng)位置處的電解質(zhì)電極組件26軸向?qū)?zhǔn)。將第二緊固單元112b的第二壓板116b與設(shè)置在彈簧118的一端處的彈簧座119接合。
接著，將較長(zhǎng)的第二緊固螺栓114b朝向端板70a插入穿過第二壓板116b和端板70b。將第二緊固螺栓114b的頂端擰入并裝配至沿端板70a的另一對(duì)角線形成的螺紋孔82。將螺母117裝配至第二緊固螺栓114b的頭部。因此，通過調(diào)節(jié)螺母117與第二緊固螺栓114b之間的螺紋接合狀態(tài)，通過相應(yīng)彈簧118的彈力將第二緊固載荷T2施加至電解質(zhì)電極組件26。
將燃料電池組12的端板70b夾在外殼18的第一外殼單元86a與第二外殼單元86b之間。將絕緣部件插設(shè)在第二外殼單元86b與端板70b之間，并且通過螺栓88和螺母90將第一外殼單元86a和第二外殼單元86b固定在一起。將流體單元19安裝在第二外殼單元86b中。使流體單元19的壁板96附著于環(huán)繞端板70a的槽74。由此，在端板70a與壁板96之間形成腔室單元98。
接下來，如圖1所示，在燃料電池系統(tǒng)10中，從燃料氣體供應(yīng)管100供應(yīng)燃料(甲烷、乙烷、丙烷等)并且在必要時(shí)供應(yīng)水，并從空氣供應(yīng)管104供應(yīng)含氧氣體(下文中稱為“空氣”)。
燃料在經(jīng)過重整器16時(shí)被重整，以生成燃料氣體(含氫氣體)。將該燃料氣體供應(yīng)至燃料電池組12的燃料氣體供應(yīng)通路30。燃料氣體沿箭頭A所示的堆疊方向運(yùn)動(dòng)，并且在每個(gè)燃料電池11的隔板28中通過狹縫62流入燃料氣體供應(yīng)通道66(參見圖6)。
燃料氣體沿第一橋34與第二橋60之間的燃料氣體供應(yīng)通道66流動(dòng)，并且從圓盤36的燃料氣體入口54流入燃料氣體通道46。燃料氣體入口54形成在與電解質(zhì)電極組件26的陽極24的中央?yún)^(qū)域?qū)?yīng)的位置處。由此，燃料氣體從燃料氣體入口54供應(yīng)至陽極24的大致中央位置，并且沿燃料氣體通道46從陽極24的中央?yún)^(qū)域向外流動(dòng)。
如圖1所示，來自空氣供應(yīng)管104的空氣流動(dòng)通過換熱器14的第一通路108，并且臨時(shí)流入腔室98a?？諝饬鲃?dòng)通過連接至腔室98a的孔80，并且供應(yīng)至設(shè)置在燃料電池11的大致中央處的含氧氣體供應(yīng)單元67。這時(shí)，在換熱器14中，如下所述，因?yàn)榕胖僚艢馔ǖ?8的排氣流動(dòng)通過第二通路110，所以在排氣與供應(yīng)至燃料電池11之前的空氣之間進(jìn)行熱交換。因此，預(yù)先將空氣加熱至期望的燃料電池工作溫度。
供應(yīng)至含氧氣體供應(yīng)單元67的含氧氣體沿箭頭B所示的方向流入電解質(zhì)電極組件26的內(nèi)周緣與圓盤36的內(nèi)周緣之間的空間，并且流向含氧氣體通道50。如圖6所示，在含氧氣體通道50中，空氣從電解質(zhì)電極組件26的陰極22的內(nèi)周緣(隔板28的中央?yún)^(qū)域)向外周緣(隔板28的外部區(qū)域)流動(dòng)，即從陰極22的外周區(qū)域的一端向另一端流動(dòng)。
由此，在電解質(zhì)電極組件26中，燃料氣體從陽極24的中央?yún)^(qū)域向外周區(qū)域流動(dòng)，而空氣在陰極22的電極表面上沿箭頭B所示的一個(gè)方向流動(dòng)。這時(shí)，氧離子朝向陽極24流動(dòng)通過電解質(zhì)20，用于通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電。
排至相應(yīng)的電解質(zhì)電極組件26的外部的排氣沿堆疊方向流動(dòng)通過排氣通道68。當(dāng)排氣流動(dòng)通過換熱器14的第二通路110時(shí)，在排氣與空氣之間進(jìn)行熱交換。接著，將排氣排入排氣管106中。
在第一實(shí)施例中，如圖9到圖11所示，形成用于反應(yīng)之前的空氣的第一通路108的導(dǎo)熱管120具有限制第一通路108的通路寬度的相對(duì)的壁120a、120b，并且壁120a、120b沿漸開曲線形成。
由此，第一通路108的通路寬度從內(nèi)壁板122到外壁板92恒定，從而在第一通路108中不會(huì)出現(xiàn)空氣的不均勻流動(dòng)。因此，空氣沿第一通路108平滑流動(dòng)。從流動(dòng)通過第二通路110的排氣向空氣有效地傳遞熱，從而有效地實(shí)現(xiàn)換熱效率的提高。
而且，相鄰的導(dǎo)熱管120沿漸開曲線設(shè)置，以形成第二通路110。由此，第二通路110的通路寬度從內(nèi)壁板122到外壁板92恒定。因此，從第二通路110向?qū)峁?20有效地傳遞熱，從而實(shí)現(xiàn)換熱效率的提高。
而且，因?yàn)榈谝煌?08和第二通路110分別沿漸開曲線形成，所以，第一通路108和第二通路110的通路寬度恒定，從而第一通路108和第二通路110的導(dǎo)熱表面積相同。在第一通路108和第二通路110之間等效地進(jìn)行換熱。由此，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱效率和換熱效率的提高。而且，可以獲得具有高換熱性能的換熱器14，并且減小換熱器14的尺寸。
而且，通過沿漸開曲線形成導(dǎo)熱管120，與使用圓管的情況相比，在實(shí)現(xiàn)了與圓管情況下相同的導(dǎo)熱表面積的同時(shí)，減少了管的數(shù)量。由此，該結(jié)構(gòu)變得緊湊，并且降低了壓力損失?？梢灾圃炀哂懈邠Q熱效率的小型換熱器14。
而且，通過拉制工序或擠制工序?qū)⒚總€(gè)導(dǎo)熱管120都形成具有無縫連續(xù)形狀的單件。由此，含氧氣體和排氣在導(dǎo)熱管120內(nèi)部以及環(huán)繞導(dǎo)熱管120平滑流動(dòng)。不會(huì)出現(xiàn)不均勻的氣體流動(dòng)，并且實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱管120的抗蝕特征的改進(jìn)。從而，有效地改進(jìn)了換熱器14的耐久性。而且，因?yàn)閷?dǎo)熱管120具有無縫結(jié)構(gòu)，所以不需要焊接用于制作導(dǎo)熱管120的接縫。即，有利地減少了制作導(dǎo)熱管120所需的時(shí)間和成本。
而且，空氣流動(dòng)通過第一通路108，而排氣按逆流方式流動(dòng)通過第二通路110。由此，有效地提高了排氣與空氣之間的換熱效率。這時(shí)，因?yàn)槔昧伺艢獾臒崮?卡路里)，所以理想地整體提高了燃料電池系統(tǒng)10的熱效率。
圖13是示出根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的換熱器(多管換熱器裝置)160的主要構(gòu)件的圖。與根據(jù)第一實(shí)施例的換熱器14相同的構(gòu)成元件標(biāo)有相同的附圖標(biāo)記，并將省略對(duì)其的描述。
在換熱器160中，導(dǎo)熱管120以相對(duì)較大的角度彼此遠(yuǎn)離地隔開。在導(dǎo)熱管120之間形成有均具有相對(duì)較大的通路寬度的第二通路162。第二通路162通過沿漸開曲線設(shè)置導(dǎo)熱管120而形成。根據(jù)流動(dòng)通過第一通路108的空氣的體積和流動(dòng)通過第二通路162的排氣的體積，來調(diào)節(jié)第一通路108的通路寬度和第二通路162的通路寬度。
由此，在第二實(shí)施例中，考慮到流入換熱器160的第一通路108的空氣的體積與流入第二通路162的排氣的體積之間的差來布置導(dǎo)熱管120。例如，假定空氣體積是排氣體積的兩倍，則增加導(dǎo)熱管120的數(shù)量，使得第一通路108的導(dǎo)熱表面積變?yōu)榈诙?10的導(dǎo)熱表面積的兩倍。采用這種方式，可以實(shí)現(xiàn)空氣與排氣之間的優(yōu)化換熱效率。由此，有效地實(shí)現(xiàn)了燃料電池的熱效率的提高。
已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例具體示出并說明了本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離如所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種多管換熱器裝置，該多管換熱器裝置包括主體單元、設(shè)置在所述主體單元中的多個(gè)導(dǎo)熱管(120)、形成在所述導(dǎo)熱管(120)中的用于第一流體的第一通路(108)、形成在所述導(dǎo)熱管(120)之間的用于第二流體的第二通路(110)，其中，每個(gè)所述導(dǎo)熱管(120)都具有限制所述第一通路(108)的通路寬度的相對(duì)的壁(120a，120b)，所述壁(120a，120b)沿漸開曲線形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多管換熱器裝置，其中，在所述主體單元的相對(duì)兩端處設(shè)置有法蘭(124a，124b)，所述導(dǎo)熱管(120)按預(yù)定角間隔設(shè)置在所述法蘭(124a，124b)處；并且每個(gè)所述第二通路(110)都通過沿所述漸開曲線設(shè)置相鄰的導(dǎo)熱管(120)而形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多管換熱器裝置，其中，所述導(dǎo)熱管(120)具有無縫連續(xù)形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多管換熱器裝置，其中，在所述主體單元的一端處設(shè)置有第一流體入口(126)和第二流體出口(128)，以使所述第一流體通過所述第一流體入口(126)流入所述第一通路(108)，并且使所述第二流體通過所述第二流體出口(128)從所述第二通路(110)排出；并且在所述主體單元的另一端處設(shè)置有第一流體出口(98a)和第二流體入口(130)，以使所述第一流體通過所述第一流體出口(98a)從所述第一通路(108)排出，并且使所述第二流體通過所述第二流體入口(130)流入所述第二通路(110)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多管換熱器裝置，其中，所述第一流體流動(dòng)通過所述第一通路(108)，而所述第二流體以逆流方式流動(dòng)通過所述第二通路(110)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多管換熱器裝置，其中，所述第二流體是排氣。
7.一種多管換熱器裝置的制造方法，該多管換熱器裝置具有主體單元、設(shè)置在所述主體單元中的多個(gè)導(dǎo)熱管(120)、形成在所述導(dǎo)熱管(120)中的第一通路(108)和形成在所述導(dǎo)熱管(120)之間的第二通路(110)，所述制造方法包括以下步驟沿漸開曲線形成每個(gè)所述導(dǎo)熱管(120)的相對(duì)的壁(120a，120b)，所述壁(120a，120b)限制所述第一通路(108)的通路寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其中，所述導(dǎo)熱管(120)通過拉制工序或擠制工序而形成為具有無縫連續(xù)形狀的單件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法，其中，相鄰的導(dǎo)熱管(120)沿所述漸開曲線設(shè)置，以形成所述第二通路(110)。
全文摘要
本發(fā)明涉及多管換熱器裝置及其制造方法。在換熱器(14)中，將形成第一通路(108)的多個(gè)導(dǎo)熱管(120)設(shè)置在外壁板(92)與內(nèi)壁板(122)之間?？諝饬鲃?dòng)通過所述第一通路(108)。在所述導(dǎo)熱管(120)之間形成了第二通路(110)。排氣流動(dòng)通過所述第二通路(110)。每個(gè)所述導(dǎo)熱管(120)都具有限制所述第一通路(108)的通路寬度的相對(duì)的壁(120a，120b)。所述壁(120a，120b)沿漸開曲線形成。所述第二通路(110)通過沿所述漸開曲線設(shè)置相鄰的導(dǎo)熱管(120)而形成。
文檔編號(hào)F28F1/02GK101084407SQ20058004404
公開日2007年12月5日 申請(qǐng)日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者小川哲矢 申請(qǐng)人:本田技研工業(yè)株式會(huì)社