特開 2024-76182 気化器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024076182

(43)【公開日】2024-06-05

(54)【発明の名称】気化器

(51)【国際特許分類】

   F28F 1/00 20060101AFI20240529BHJP

   F28D 1/047 20060101ALI20240529BHJP

   F28F 9/00 20060101ALI20240529BHJP

   F02M 21/06 20060101ALI20240529BHJP

【ＦＩ】

F28F1/00 B

F28D1/047 A

F28F9/00 331

F02M21/06 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022187620

(22)【出願日】2022-11-24

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000155986

【氏名又は名称】株式会社鈴木商館

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 亮介

(72)【発明者】

【氏名】田中 利尚

(72)【発明者】

【氏名】小田 太一

【テーマコード（参考）】

3L065

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L065BA30

3L103AA05

3L103BB39

3L103CC02

3L103CC27

3L103DD05

(57)【要約】

【課題】コンパクトな液体水素用の気化器を提供する。
【解決手段】液体の熱媒体と液体水素とが通流し、熱媒体により液体水素を気化させる気化器１００であって、スパイラル状に巻回され、内部に液体水素が流れるスパイラルチューブ２０と、内部にスパイラルチューブ２０を収容し、内部に収容したスパイラルチューブ２０の外面に熱媒体が流れる中空長手部材のケーシング１０と、を備え、スパイラルチューブ２０の巻回内径Ｅ１の内側に配置される長手部材のスペーサ３０を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体の熱媒体と液体水素とが通流し、前記熱媒体により前記液体水素を気化させる気化器であって、
スパイラル状に巻回され、内部に前記液体水素が流れるスパイラルチューブと、
内部に前記スパイラルチューブを収容し、内部に収容した前記スパイラルチューブの外面に前記熱媒体が流れる中空長手部材のケーシングと、を備え、
前記スパイラルチューブの巻回内径の内側に配置される長手部材のスペーサを備えること、
を特徴とする気化器。

【請求項2】

請求項１に記載の気化器であって、
前記スペーサは、前記ケーシングの長手方向に延びる中空閉断面部材であり、前記ケーシングの内面との間で前記ケーシングの長手方向に延びて前記熱媒体が長手方向に通流する環状流路を構成すること、
を特徴とする気化器。

【請求項3】

請求項２に記載の気化器であって、
前記スパイラルチューブは、前記ケーシングの内面と、前記スペーサの外面との間にそれぞれ隙間が空くように前記環状流路の中に配置されていること、
を特徴とする気化器。

【請求項4】

請求項３に記載の気化器であって、
前記ケーシングは、大円筒部と、前記大円筒部の両端にそれぞれ取付けられた大端板とで構成され、前記大円筒部の内面に取り付けられて長手方向に延びる棒状の外チューブ受を備え、
前記スペーサは、小円筒部と、前記小円筒部の両端にそれぞれ取付けられた小端板とで構成され、前記小円筒部の外面に取り付けられて長手方向に延びる内チューブ受を備え、
前記大円筒部の内面と前記小円筒部の外面とは、前記環状流路を構成し、
前記スパイラルチューブは、前記外チューブ受と前記内チューブ受とで巻回外径側の面と巻回内径側の面とが前記大円筒部の内面と前記小円筒部の外面との間とそれぞれ隙間が空くように前記環状流路の中に取り付けられていること、
を特徴とする気化器。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか１項に記載の気化器であって、
前記熱媒体は、ＬＬＣ、又は水であること、
を特徴とする気化器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、液体水素を気化させる気化器の構造に関する。

【背景技術】

【0002】

液体水素を気化して内燃機関に供給する気化器が提案されている。例えば、特許文献１には、加熱したヘリウムガスと液体水素とを熱交換させて液体水素を気化する気化器が開示されている。

【0003】

また、特許文献２には、水素エンジンと膨張エンジンを備え、水素エンジンの排気ガスで熱媒体を加熱して膨張エンジンを駆動し、膨張エンジンの高温の排気ガスで液体水素を加熱して水素ガスとして水素エンジンに供給するシステムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－０２１４３３号公報

【特許文献2】特許第２８８６２０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、液体水素は極低温なので、特許文献２に記載されたようなシステムでは、熱交換させる熱媒体中の水分が凍結してしまい、流路が閉塞したり熱交換効率が低下したりするおそれがある。一方、特許文献１に記載されたシステムのようにヘリウムガスを中間熱媒体とすると熱媒体が凍結することはなくなるが、ガスとの熱交換となるので熱交換効率が悪くなり、気化器が大型化してしまうという問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、コンパクトな液体水素用の気化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】

【0007】

本発明の気化器は、液体の熱媒体と液体水素とが通流し、前記熱媒体により前記液体水素を気化させる気化器であって、スパイラル状に巻回され、内部に前記液体水素が流れるスパイラルチューブと、内部に前記スパイラルチューブを収容し、内部に収容した前記スパイラルチューブの外面に前記熱媒体が流れる中空長手部材のケーシングと、を備え、前記スパイラルチューブの巻回内径の内側に配置される長手部材のスペーサを備えること、を特徴とする。

【0008】

この構成により、液体の熱媒体の流れる流路面積を小さくして、ケーシング内での液体の熱媒体の流速を高くして、熱媒体が凍結することを抑制できる。

【0009】

本発明の気化器において、前記スペーサは、前記ケーシングの長手方向に延びる中空閉断面部材であり、前記ケーシングの内面との間で前記ケーシングの長手方向に延びて前記熱媒体が長手方向に通流する環状流路を構成してもよい。

【0010】

この構成により、液体の熱媒体の流れる流路面積をより小さくして、ケーシング内での液体の熱媒体の流速をより高くして、熱媒体が凍結することをより抑制できる。また、これにより、スペーサを軽量化でき、気化器をコンパクトにできる。

【0011】

本発明の気化器において、前記スパイラルチューブは、前記ケーシングの内面と、前記スペーサの外面との間にそれぞれ隙間が空くように前記環状流路の中に配置されてもよい。

【0012】

この構成により、隙間に熱媒体が流入し、熱交換効率を向上させて気化器をコンパクトにすることができる。また、スパイラルチューブが環状流路の流路面積を小さくするので、環状流路の内部での熱媒体の流速を高くすることができ、熱媒体が凍結することを抑制できる。更に、隙間によりケーシング或いはスペーサが極低温となるスパイラルチューブと接触することが抑制される。これにより、ケーシング或いはスペーサの温度変化を抑制できる。

【0013】

本発明の気化器において、前記ケーシングは、大円筒部と、前記大円筒部の両端にそれぞれ取付けられた大端板とで構成され、前記大円筒部の内面に取り付けられて長手方向に延びる棒状の外チューブ受を備え、前記スペーサは、小円筒部と、前記小円筒部の両端にそれぞれ取付けられた小端板とで構成され、前記小円筒部の外面に取り付けられて長手方向に延びる内チューブ受を備え、前記大円筒部の内面と前記小円筒部の外面とは、前記環状流路を構成し、前記スパイラルチューブは、前記外チューブ受と前記内チューブ受とで巻回外径側の面と巻回内径側の面とが前記大円筒部の内面と前記小円筒部の外面との間とそれぞれ隙間が空くように前記環状流路の中に取り付けられてもよい。

【0014】

この構成により、ケーシング、スペーサが極低温のスパイラルチューブと接触する面積を低減し、ケーシング或いはスペーサの温度変化を抑制できる。

【0015】

本発明の気化器において、前記熱媒体は、ＬＬＣ、又は水としてもよい。

【0016】

ＬＬＣ又は水の様な一般的な冷媒を用いることにより、システムの構成を簡便にできる。

【発明の効果】

【0017】

本発明は、コンパクトな液体水素用の気化器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態の気化器の断面図である。

【図2】実施形態の気化器の断面図であって、図１に示すＡ－Ａ断面である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を参照しながら実施形態の気化器１００について説明する。図１に示す様に、気化器１００は、ケーシング１０と、スパイラルチューブ２０と、スペーサ３０とを備えている。尚、以下の説明では、ケーシング１０の長手方向をＹ方向、Ｙ方向と直交する方向をＸ方向、ＸＹ方向と直交する方向をＺ方向として説明する。また、ケーシング１０の内部の熱媒体の流れる方向をＹ方向プラス側、反対方向をＹ方向マイナス側として説明する。また、図中のＬＨ_２、Ｈ_２はそれぞれ液体水素、水素ガスを示す。

【0020】

ケーシング１０は、中央の大円筒部１１と、両端の大端板１２、１３とで構成される中空長手部材である。ケーシング１０の内部には、熱媒体が流れる。大円筒部１１は、内径Ｄ１で長手方向（Ｙ方向）に延びる円筒状の長手部材である。大端板１２は、大円筒部１１のＹ方向マイナス側の端部に取り付けられる半楕円型の鏡板である。大端板１３は、大円筒部１１のＹ方向プラス側の端部に取り付けられる半楕円型の鏡板である。大端板１２には２つの開口１５ａが設けられている。各開口１５ａには熱媒体入口ヘッダ１５の両端が接続されている。熱媒体入口ヘッダ１５には、熱媒体入口管１６が接続されている。また、大端板１３には、２つの開口１７ａが設けられている。各開口１７ａには、熱媒体出口ヘッダ１７が接続されている。熱媒体出口ヘッダ１７には熱媒体出口管１８が接続されている。

【0021】

スパイラルチューブ２０は、直径ｄのチューブをスパイラル状に巻回したものである。スパイラルチューブ２０の内部には、液体水素或いは水素ガスが流れる。スパイラルチューブ２０は、内側スパイラルチューブ２１と、外側スパイラルチューブ２５とで構成されている。内側スパイラルチューブ２１は、巻回内径がＥ１となるように直径ｄのチューブをスパイラル状に巻回したものであり、巻回外径はＥ２である。ここで、巻回外径Ｅ２はＥ１＋２×ｄである。また、外側スパイラルチューブ２５は、巻回外形がＦ２となるように直径ｄのチューブをスパイラル状に巻回したものであり、巻回内径はＦ１である。ここで、巻回内径Ｆ１＝Ｆ２－２×ｄである。また、外側スパイラルチューブ２５の巻回外径Ｆ２は、ケーシング１０の大円筒部１１の内径Ｄ１よりも小さく、内側スパイラルチューブ２１の巻回内径Ｅ１は後で説明するスペーサ３０の小円筒部３１の外径Ｄ２よりも大きい。

【0022】

内側スパイラルチューブ２１は外側スパイラルチューブ２５の巻回内径Ｆ１の内側に入れ子状に配置されている。内側スパイラルチューブ２１のＹ方向プラス側の端部と外側スパイラルチューブ２５のＹ方向プラス側の端部とは互いに接続されている。内側スパイラルチューブ２１のＹ方向マイナス側の端部には、液体水素入口管２２が接続されている。液体水素入口管２２は、円筒形のカップリング２７を介してケーシング１０の大端板１２に取り付けられている。また、外側スパイラルチューブ２５のＹ方向マイナス側の端部には、水素ガス出口管２６が接続されている。水素ガス出口管２６も、液体水素入口管２２と同様、円筒形のカップリング２８を介してケーシング１０の大端板１２に取り付けられている。このように、内側スパイラルチューブ２１と外側スパイラルチューブ２５とは連通してスパイラルチューブ２０を構成し、内部に液体水素或いは水素ガスが流れる。

【0023】

スペーサ３０は、中央の小円筒部３１と、両端の小端板３２、３３とで構成され、ケーシング１０の長手方向に延びる中空閉断面部材である。小円筒部３１は、外径Ｄ２で長手方向（Ｙ方向）に延びる円筒状の長手部材である。小端板３２は、小円筒部３１のＹ方向マイナス側の端部に取り付けられる半球型の鏡板である。小端板３３は、小円筒部３１のＹ方向プラス側の端部に取り付けられる半球型の鏡板である。小端板３２は、中心に設けられた接続部材３４でケーシング１０の大端板１２の中心に取り付けられている。また、小端板３３は、中心に設けられた接続部材３５でケーシング１０の大端板１３の中心に取り付けられている。このように、スペーサ３０はケーシング１０と同軸となるようにケーシング１０の内部に取り付けられている。そして、ケーシング１０の大円筒部１１の内面とスペーサ３０の小円筒部３１の外面との間は、幅Ｗの円環状の環状流路５０を構成する。小円筒部３１の外径Ｄ２は内側スパイラルチューブ２１の巻回内径Ｅ１よりも小さい。このように、スペーサ３０は、内側スパイラルチューブ２１の巻回内径Ｅ１の内側に配置されている。

【0024】

図２に示す様に、ケーシング１０の大円筒部１１の内面には、長手方向（Ｙ方向）に延びる複数の外チューブ受１４が取り付けられている。また、スペーサ３０の小円筒部３１の外面には、長手方向に延びる複数の内チューブ受３６が取り付けられている。外チューブ受１４は丸棒で構成されている。同様に、内チューブ受３６も丸棒で構成されている。

【0025】

外チューブ受１４は、外側スパイラルチューブ２５を構成するチューブの各段の巻回外径側の側面と点Ｐで点接触する。そして、外チューブ受１４は、外側スパイラルチューブ２５の巻回外径側の面を半径方向に支持する。このため、外側スパイラルチューブ２５の巻回外径側の面と大円筒部１１の内面との間には、隙間Ｓ１が空いている。また、内チューブ受３６は、内側スパイラルチューブ２１を構成するチューブの各段の巻回内径側の側面と点Ｑで点接触する。そして、内チューブ受３６は、内側スパイラルチューブ２１の巻回内径側の面を半径方向に支持する。このため、内側スパイラルチューブ２１の巻回内径側の面と小円筒部３１の外面との間には、隙間Ｓ２が空いている。このように、スパイラルチューブ２０は、外側スパイラルチューブ２５と大円筒部１１の内面との間、及び、内側スパイラルチューブ２１と小円筒部３１の外面との間にそれぞれ隙間Ｓ１、Ｓ２を空けて環状流路５０の中に取り付けられている。

【0026】

以上の様に構成された気化器１００の動作について説明する。以下の説明では、熱媒体はＬＬＣ（ロングライフクーラント）或いは水を用いることとして説明するがこれ以外の液体の熱媒体を用いてもよい。

【0027】

液体水素入口管２２から内側スパイラルチューブ２１に流入した液体水素は、内側スパイラルチューブ２１の中をＹ方向プラス側に向かって流れる。そして、Ｙ方向プラス側の端部で外側スパイラルチューブ２５に流入し、外側スパイラルチューブ２５の中をＹ方向マイナス側に向かって流れる。

【0028】

一方、高温のＬＬＣは、熱媒体入口管１６から熱媒体入口ヘッダ１５を通り、ケーシング１０に設けられた開口１５ａからケーシング１０の内部に流入する。ケーシング１０の内部に流入したＬＬＣは、図１中の矢印９１に示す様に、幅Ｗの環状流路５０をＹ方向プラス側に向かって流れる。

【0029】

液体水素とＬＬＣとは内側スパイラルチューブ２１、外側スパイラルチューブ２５を介して熱交換する。そして、液体水素は気化して水素ガスとなって水素ガス出口管２６から流出する。一方、高温のＬＬＣは液体水素との熱交換で温度が低下し、低温のＬＬＣとなってケーシング１０の開口１７ａから熱媒体出口ヘッダ１７を通って熱媒体出口管１８から流出する。

【0030】

以上説明した気化器１００は、ケーシング１０の内部にスペーサ３０を配置するので、熱媒体の流れる流路面積をケーシング１０の断面積よりも小さい環状流路５０の断面積とすることができる。これにより、ケーシング１０の内部で熱媒体の流速を高くすることができ、熱媒体が凍結することを抑制できる。

【0031】

また、気化器１００では、スパイラルチューブ２０が大円筒部１１の内面との間、及び、小円筒部３１の外面との間にそれぞれ隙間Ｓ１、Ｓ２を空けて環状流路５０の中に取り付けられている。このため、隙間Ｓ１，Ｓ２にＬＬＣが流入し、熱交換効率を向上させて気化器１００をコンパクトにすることができる。また、スパイラルチューブ２０が環状流路５０の流路面積を小さくするので、環状流路５０の内部での熱媒体の流速を高くすることができ、熱媒体が凍結することを抑制できる。

【0032】

更に、上記の隙間Ｓ１、Ｓ２により大円筒部１１、小円筒部３１が極低温となるスパイラルチューブ２０と接触することが抑制される。これにより、ケーシング１０、スペーサ３０の温度変化を抑制できる。

【0033】

更に、大円筒部１１の外チューブ受１４、小円筒部３１の内チューブ受３６は、点接触でそれぞれ外側スパイラルチューブ２５、内側スパイラルチューブ２１を支持する。このため、ケーシング１０或いはスペーサ３０が極低温となる外側スパイラルチューブ２５、内側スパイラルチューブ２１との接触面積が低減され、ケーシング１０或いはスペーサ３０の温度変化を抑制できる。

【0034】

以上の説明では、スペーサ３０は、ケーシング１０の長手方向に延びる中空閉断面部材であるとして説明したが、内側スパイラルチューブ２１の内側の熱媒体の流れを制限するものであれば、これに限定されない。例えば、板状の邪魔板を内側スパイラルチューブ２１の内側に設けてもよい。また、平板をスパイラル状にねじった形状のスパイラルバッフル板を内側スパイラルチューブ２１の内側に設けてもよい。これにより、内側スパイラルチューブ２１の内側の熱媒体の流れを制限し、それ以外の部分の熱媒体の流速を高くして液体の熱媒体が凍結することを抑制できる。

【0035】

尚、発明者らの研究によると、熱媒体として液体のＬＬＣ或いは水を用いた場合、ケーシング１０の内部での熱媒体の流速を２０ｍｍ／ｓ以上とすると熱媒体の凍結の抑制効果が表れ始め、流速が２６ｍｍ／ｓ以上となると凍結抑制が顕著となることが分かっている。従って、熱媒体としてＬＬＣ或いは水を用い、気化器１００によって液体水素の気化を行う場合には、ケーシング１０の内部でのＬＬＣ又は水の流速が上記の流速となるようにＬＬＣ又は水を通流させる冷却水ポンプの流量を大きくしてもよい。

【0036】

また、発明者らの研究によると、熱媒体としてＬＬＣや水を用いた場合、熱媒体入口管１６の熱媒体の温度と熱媒体出口管１８の熱媒体の温度との温度差を１０℃以下とすることにより、熱媒体の凍結を抑制できることが分かっている。従って、熱媒体としてＬＬＣ或いは水を用い、気化器１００によって液体水素の気化を行う場合には、熱媒体入口管１６の熱媒体の温度と熱媒体出口管１８の熱媒体の温度との温度差が１０℃以下となるようにＬＬＣ又は水を通流させる冷却水ポンプの流量を大きくしてもよい。

【符号の説明】

【0037】

１０ ケーシング、１１ 大円筒部、１２、１３ 大端板、１４ 外チューブ受、１５ 熱媒体入口ヘッダ、１５ａ 開口、１６ 熱媒体入口管、１７ 熱媒体出口ヘッダ、１７ａ 開口、１８ 熱媒体出口管、２０ スパイラルチューブ、２１ 内側スパイラルチューブ、２２ 液体水素入口管、２５ 外側スパイラルチューブ、２６ 水素ガス出口管、２７、２８ カップリング、３０ スペーサ、３１ 小円筒部、３２、３３ 小端板、３４、３５ 接続部材、３６ 内チューブ受、５０ 環状流路、１００ 気化器。

【図1】

【図2】