特許 6998052 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-22

(45)【発行日】2022-02-10

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/16 20060101AFI20220203BHJP

   F28F 27/02 20060101ALI20220203BHJP

   F28D 7/10 20060101ALI20220203BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220203BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALN20220203BHJP

【ＦＩ】

F28D7/16 C

F28F27/02 C

F28D7/10 Z

H01M8/04 N

H01M8/0606

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018153777

(22)【出願日】2018-08-20

(65)【公開番号】P2020029962

(43)【公開日】2020-02-27

【審査請求日】2020-03-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000103921

【氏名又は名称】オリオン機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104787

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 伸司

(72)【発明者】

【氏名】中根 孝浩

(72)【発明者】

【氏名】久保田 敦

(72)【発明者】

【氏名】荒川 伸慎

(72)【発明者】

【氏名】高牟禮 英治

【審査官】礒部 賢

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１８２５６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】実開平０６－０８４１６７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１７－１５０７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６０－１８９７７０（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１１－２１４７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０５９４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２７９１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２６１６９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２８８４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１４９２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２８Ｄ １／００ － １３／００

Ｆ２８Ｆ １／００ － ９９／００

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０６０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

処理対象の気体を多段圧縮する多段圧縮装置に接続可能に構成されると共に、前記多段圧縮装置によって圧縮された前記気体と冷却用流体との熱交換によって当該気体を冷却可能に構成された熱交換器であって、
前記多段圧縮装置における第Ｍａ段圧縮行程（Ｍａは、自然数）によって圧縮された前記気体を前記冷却用流体と熱交換させる第１熱交換部から、当該多段圧縮装置における第Ｍｂ段圧縮行程（Ｍｂは、（Ｍａ＋１）以上の自然数）によって圧縮された前記気体を当該冷却用流体と熱交換させる第Ｎ熱交換部（Ｎは、２以上Ｍｂ以下の自然数）までのＮ個の当該熱交換部と、
前記冷却用流体を導入可能な流体導入部、および当該冷却用流体を排出可能な流体排出部が設けられると共に前記Ｎ個の熱交換部が収容された容器体とを備え、
前記各熱交換部は、前記気体の通過が可能な管体が螺旋状に巻回された伝熱コイルをそれぞれ備え、かつ当該各伝熱コイルの当該管体が同じ材料で形成されると共に、前記多段圧縮装置における第Ｌ段圧縮行程（Ｌは、Ｍａ以上（Ｍｂ－１）以下の各自然数）によって圧縮された前記気体を前記冷却用流体と熱交換させる当該熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の断面開口面積が、当該多段圧縮装置における当該Ｌ段圧縮行程よりも後段側の圧縮行程によって圧縮された前記気体を当該冷却用流体と熱交換させる当該熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の断面開口面積以上となり、かつ前記第１熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の断面開口面積が少なくとも前記第Ｎ熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の断面開口面積よりも大きくなるようにそれぞれ形成され、前記多段圧縮装置における第Ｋ段圧縮行程（Ｋは、（Ｍａ＋１）以上Ｍｂ以下の各自然数）によって圧縮された前記気体を前記冷却用流体と熱交換させる当該熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の厚みが、当該第Ｋ段圧縮行程よりも前段側の圧縮行程によって圧縮された前記気体を当該冷却用流体と熱交換させる当該熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の厚み以上となり、かつ前記第Ｎ熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の厚みが少なくとも前記第１熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の厚みよりも厚くなるようにそれぞれ形成され、
前記各熱交換部のうちの少なくとも１つが、前記容器体内において分岐合流用金具を介して並列接続された複数の前記伝熱コイルを備えて構成されている熱交換器。

【請求項2】

前記気体としての水素ガスを冷却可能に構成されている請求項１記載の熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、処理対象の気体を多段圧縮する多段圧縮装置によって圧縮された気体と冷却用流体との熱交換によって気体を冷却可能に構成された熱交換器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、水素ガス燃料電池自動車等の給気対象に水素ガスを給気する水素ガスステーションにおいては、給気対象に対して十分な量の水素ガスを短時間で効率よく給気するために、給気する水素ガスが圧縮された状態で貯留されている。

【0003】

具体的には、オンサイト型水素ガスステーション、およびオフサイト型水素ガスステーションのいずれにおいても、ディスペンサーを介して給気対象に給気する水素ガスを貯留しておくための水素ガスタンク（蓄圧器）に水素ガス源から水素ガスを移送する際に圧縮装置によって圧縮することで、高圧の水素ガスを水素ガスタンクに貯留することが可能となる。この場合、水素ガスタンクから給気対象への給気に適した十分に高い圧力まで水素ガスを１回で圧縮するのは困難である。このため、圧縮装置としては、複数回の圧縮行程によって水素ガスを段階的に圧縮する多段圧縮装置が使用されている。

【0004】

例えば、下記の特許文献に開示されている圧縮機ユニット（水素圧縮機システム）では、改質器やガスボンベカードル等の水素ガス源から供給される水素ガスを任意の圧力まで段階的に圧縮（昇圧）した状態で蓄圧器ユニットに送気する構成が採用されている。この圧縮機ユニットは、モータの出力軸に接続されたクランクシャフトと、クランクシャフトに取り付けられた第１段ピストンシャフトから第５段ピストンシャフトまでの５つのピストンシャフトと、各ピストンシャフトがストローク可能に収容された第１段シリンダから第５段シリンダまでの５つのシリンダとを備え、水素ガスを５段階で圧縮（昇圧）することができるように構成されている。なお、以下の説明においては、ピストンシャフトおよびシリンダからなる構成要素を「圧縮要素」ともいう。

【0005】

この場合、各圧縮要素による断熱圧縮時には、圧縮された水素ガスが温度上昇する。また、高温の圧縮ガスは、その圧縮効率が低下すると共に、圧縮要素に動作不良を生じさせるおそれもある。したがって、この圧縮機ユニットでは、各圧縮要素による圧縮を完了した水素ガスを、次の圧縮行程による圧縮を行う前に温度低下させるための第１段インタークーラから第４段インタークーラ４までの４つのインタークーラを備えている。また、この圧縮機ユニットでは、第５段の圧縮要素によって圧縮した水素ガスを蓄圧器ユニットに給気する前に冷却する（多段圧縮行程の完了後に水素ガスを冷却する）アフタークーラを備えている。これにより、この圧縮機ユニットでは、蓄圧器ユニットに貯留する水素ガスを、給気に適した十分に高い圧力まで好適に昇圧することが可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００７－２６３２４５号公報（第５－８頁、第１－２図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところが、上記の特許文献に開示されている圧縮機ユニットには、以下のような問題点が存在する。具体的には、上記の圧縮機ユニットでは、各圧縮要素による圧縮行程を完了する都度、断熱圧縮によって温度上昇した水素ガスをインタークーラやアフタークーラ（以下、総称して「冷却器」ともいう）によって冷却する構成が採用されている。この場合、上記の特許文献には明示されていないが、この種の圧縮装置では、各圧縮要素毎に別個独立した冷却器を接続して水素ガスをそれぞれ冷却する構成が採用されている。すなわち、上記の特許文献に開示されている５段圧縮の圧縮機ユニットは、５つの冷却器を備えて構成されている。このため、上記の特許文献に開示されている圧縮機ユニットには、複数の冷却器（熱交換器）を設置するスペースの分だけ、ユニット全体の占有スペースが大きくなっているという問題点がある。

【0008】

また、この種の圧縮装置による断熱圧縮時には、水素ガスの温度が非常に高い温度となるため、大気との熱交換によって水素ガスを十分に冷却するには、非常に大きな冷却器が必要となる。また、大きな冷却器では、水素ガスの流路長が長くなることに起因して、冷却器を通過する際の圧力損失が大きくなる。このため、この種の圧縮装置では、冷却用流体（水等）との熱交換によって水素ガスを効率良く冷却する構成が採用されている。したがって、各圧縮要素毎に別個独立した冷却器（熱交換器）を複数備えた圧縮機ユニットでは、各冷却器に対して冷却用流体を供給する配管、および各冷却器から冷却用流体を回収する配管の数も複数となることから、ユニット全体の占有スペースがさらに大きくなっているという問題点がある。

【0009】

さらに、各圧縮要素毎に別個独立した冷却器を複数備えた圧縮機ユニットでは、施工時に設置すべき冷却器の数が多く、また、各冷却器に接続すべき配管の数も多いため、その設置作業が煩雑となっており、冷却装置の導入コストを低減するのが困難となっているという問題点もある。

【0010】

一方、上記の特許文献においては具体的に説明されていないが、水素ガスを段階的に圧縮したときには、前段側の圧縮行程によって圧縮された水素ガスの方が圧縮率が低いため、後段側の圧縮行程によって圧縮された水素ガスよりも体積が大きく、例えば同じ断面開口面積の配管内を通過させたときには、前段側の圧縮行程によって圧縮された水素ガスの配管内の流速が、後段側の圧縮行程によって圧縮された水素ガスの配管内の流速よりも速くなる傾向がある。また、同じ断面開口面積の配管内を通過させられるときには、流速が速いほど、通過抵抗が大きくなり、大きな圧力損失が生じることが知られている。

【0011】

したがって、水素ガスを多段圧縮する装置、およびその周辺の機器においては、圧力損失の影響を考慮して、水素ガスが通過させられる配管の断面開口面積や流路長を最適化する必要がある。このため、各圧縮要素毎に別個独立した冷却器を複数備えた圧縮機ユニットでは、各冷却器内の配管の断面開口面積や流路長を互いに異ならせる必要があることから、各冷却器の大きさ（外形サイズ）を一致させるのが困難となっている。このため、上記の特許文献に開示の圧縮機ユニットでは、同じ大きさで同じ形の冷却器を複数設置する構成と比較して、各冷却器の設置作業が一層煩雑になっているという問題点がある。

【0012】

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、多段圧縮装置によって圧縮された水素ガスの冷却時に生じる圧力損失を十分に抑え、かつ冷却のために必要な機器による占有スペースを十分に小さくすると共に、その導入コストを十分に低減し得る熱交換器を提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成すべく、請求項１記載の熱交換器は、処理対象の気体を多段圧縮する多段圧縮装置に接続可能に構成されると共に、前記多段圧縮装置によって圧縮された前記気体と冷却用流体との熱交換によって当該気体を冷却可能に構成された熱交換器であって、前記多段圧縮装置における第Ｍａ段圧縮行程（Ｍａは、自然数）によって圧縮された前記気体を前記冷却用流体と熱交換させる第１熱交換部から、当該多段圧縮装置における第Ｍｂ段圧縮行程（Ｍｂは、（Ｍａ＋１）以上の自然数）によって圧縮された前記気体を当該冷却用流体と熱交換させる第Ｎ熱交換部（Ｎは、２以上Ｍｂ以下の自然数）までのＮ個の当該熱交換部と、前記冷却用流体を導入可能な流体導入部、および当該冷却用流体を排出可能な流体排出部が設けられると共に前記Ｎ個の熱交換部が収容された容器体とを備え、前記各熱交換部は、前記気体の通過が可能な管体が螺旋状に巻回された伝熱コイルをそれぞれ備え、かつ当該各伝熱コイルの当該管体が同じ材料で形成されると共に、前記多段圧縮装置における第Ｌ段圧縮行程（Ｌは、Ｍａ以上（Ｍｂ－１）以下の各自然数）によって圧縮された前記気体を前記冷却用流体と熱交換させる当該熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の断面開口面積が、当該多段圧縮装置における当該Ｌ段圧縮行程よりも後段側の圧縮行程によって圧縮された前記気体を当該冷却用流体と熱交換させる当該熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の断面開口面積以上となり、かつ前記第１熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の断面開口面積が少なくとも前記第Ｎ熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の断面開口面積よりも大きくなるようにそれぞれ形成され、前記多段圧縮装置における第Ｋ段圧縮行程（Ｋは、（Ｍａ＋１）以上Ｍｂ以下の各自然数）によって圧縮された前記気体を前記冷却用流体と熱交換させる当該熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の厚みが、当該第Ｋ段圧縮行程よりも前段側の圧縮行程によって圧縮された前記気体を当該冷却用流体と熱交換させる当該熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の厚み以上となり、かつ前記第Ｎ熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の厚みが少なくとも前記第１熱交換部の前記伝熱コイルにおける前記管体の厚みよりも厚くなるようにそれぞれ形成され、前記各熱交換部のうちの少なくとも１つが、前記容器体内において分岐合流用金具を介して並列接続された複数の前記伝熱コイルを備えて構成されている。

【0016】

請求項２記載の熱交換器は、請求項１記載の熱交換器において、前記気体としての水素ガスを冷却可能に構成されている。

【発明の効果】

【0017】

請求項１記載の熱交換器では、容器体内に収容されたＮ個の熱交換部が、気体の通過が可能な管体が螺旋状に巻回された伝熱コイルをそれぞれ備えると共に、多段圧縮装置における第Ｌ段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部の伝熱コイルにおける管体の断面開口面積が、Ｌ段圧縮行程よりも後段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部の伝熱コイルにおける管体の断面開口面積以上となり、かつ第１熱交換部の伝熱コイルにおける管体の断面開口面積が少なくとも第Ｎ熱交換部の伝熱コイルにおける管体の断面開口面積よりも大きくなるようにそれぞれ形成されている。

【0018】

したがって、請求項１記載の熱交換器によれば、処理対象の気体をＮ段階の圧縮行程毎に冷却するためのＮ個の熱交換部を容器体内に収容して一体化したことにより、別個独立したＮ個の熱交換器（冷却器）によって処理対象の気体をＮ段階の圧縮行程毎に冷却する構成と比較して、気体の冷却のために必要な機器の占有スペースを十分に小さくすることができる。また、冷却用流体の配管の数を少数とすることができるため、設置作業が容易となり、導入コストを低減することができる。また、各熱交換部を構成する伝熱コイルの断面開口面積を最適化したことで気体の冷却時における圧力損失を十分に抑えることができる。

【0019】

また、請求項１記載の熱交換器では、各熱交換部における各伝熱コイルの管体が同じ材料で形成されると共に、多段圧縮装置における第Ｋ段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部の伝熱コイルにおける管体の厚みが、第Ｋ段圧縮行程よりも前段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部の伝熱コイルにおける管体の厚み以上となり、かつ第Ｎ熱交換部の伝熱コイルにおける管体の厚みが少なくとも第１熱交換部の伝熱コイルにおける管体の厚みよりも厚くなるようにそれぞれ形成されている。

【0020】

したがって、請求項１記載の熱交換器によれば、処理対象の気体の圧力が高くなっている後段側の圧縮行程後の気体を冷却する熱交換部については、変形や破損（気体の漏洩）を招くことのない十分な厚みの管体によって伝熱コイルを形成しつつ、圧力がそれほど高くない前段側の圧縮行程後の気体を冷却する熱交換部については、その厚みが薄い管体によって伝熱コイルを形成することで、伝熱コイルを容易に製作することができ、また、材料コストも低減できることから、熱交換器の製造コストを十分に低減することができる。

【0021】

さらに、請求項１記載の熱交換器によれば、各熱交換部のうちの少なくとも１つを、並列接続した複数の伝熱コイルを備えて構成したことにより、圧力損失を抑えることが可能な十分な広さの断面開口面積を得るために太い管体で形成した伝熱コイルを採用したときには、その伝熱コイルの製作（管体の曲げ加工等）が困難となるのに対し、複数の伝熱コイルを並列接続して必要な断面開口面積を得ることで、各伝熱コイルの管体として細い管体を使用することができるため、伝熱コイルを容易に製作することができる結果、熱交換器の製造コストを十分に低減することができる。また、複数の熱交換部において、伝熱コイルを構成する管体として、同じ管体を使用しても断面開口面積を異ならせることができるため、同じ管体で複数の熱交換部の伝熱コイルを製作した場合には、使用する管体の種類数が少数となる分だけ、材料コスト、すなわち、熱交換器の製造コストを一層低減することができる。

【0022】

また、請求項２記載の熱交換器によれば、気体としての水素ガスを冷却可能に構成したことにより、水素ガス燃料電池自動車等に水素ガスを給気する水素ガスステーションのように機器の設置可能スペースが狭い場所であっても、熱交換器を設置することができ、これにより、多段圧縮装置によって圧縮される水素ガスを好適に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】水素ガス給気システム１００の構成を示す構成図である。

【図2】水素ガス給気システム１００における多段圧縮装置１および水素ガス冷却用熱交換器５の構成を示す構成図である。

【図3】水素ガス給気システム１００における水素ガス冷却用熱交換器５の構成について説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、添付図面を参照して、熱交換器の実施の形態について説明する。

【0025】

図１に示す水素ガス給気システム１００は、一例として、水素ガス燃料電池自動車等の給気対象Ｘ２に対して「処理対象の気体」の一例である水素ガスを給気する水素ガスステーション用の設備であって、別所で生成されて運搬用のガスタンク（図示せず）に充填された状態で搬送された水素ガスや、水素ガス給気システム１００の設置場所において水素ガス生成装置（図示せず）によって生成される水素ガスなどを貯留可能に構成されると共に、貯留している水素ガスを給気対象Ｘ２に給気することができるように構成されている。具体的には、水素ガス給気システム１００は、多段圧縮装置１、ガスタンク２、ディスペンサー３およびクーリングタワー４などを備えて構成されている。なお、以下の説明においては、上記の「運搬用のガスタンク」や「水素ガス生成装置」を総称して水素ガス源Ｘ１ともいう。

【0026】

多段圧縮装置１は、「多段圧縮装置」の一例であって、水素ガス源Ｘ１から水素ガス配管２０を介して供給される水素ガスをガスタンク２に貯留する際に、給気対象Ｘ２への給気に適した十分な圧力まで水素ガスを圧縮することができるように構成されている。具体的には、本例の水素ガス給気システム１００における多段圧縮装置１は、図２に示すように、一例として、第１段圧縮機１１、第２段圧縮機１２、第３段圧縮機１３、第４段圧縮機１４、および第５段圧縮機１５の５つの「圧縮機」を備えて水素ガス源Ｘ１からの水素ガスを５段階で多段圧縮可能に構成されている。

【0027】

なお、本例の多段圧縮装置１では、第１段圧縮機１１が「第Ｍａ＝１段圧縮行程」の圧縮を行う圧縮機に相当し、かつ第５段圧縮機１５が「第Ｍｂ＝５段圧縮行程」の圧縮を行う圧縮機に相当する。また、実際の多段圧縮装置１は、上記の各圧縮機１１～１５以外の各種の構成要素を備えているが、水素ガス給気システム１００についての理解を容易とするために、多段圧縮装置１における各圧縮機１１～１５以外の構成要素についての図示および説明を省略する。

【0028】

この場合、本例の水素ガス給気システム１００では、後述するように、多段圧縮装置１の各圧縮機１１～１５による圧縮行程が完了する都度、断熱圧縮によって温度上昇した水素ガスを水素ガス冷却用熱交換器５において冷却する構成が採用されている。ガスタンク２は、給気対象Ｘ２への給気に必要な十分な量の水素ガスを貯留可能に構成されると共に、多段圧縮装置１によって水素ガスに加えられた圧力を維持可能に構成された大容量圧力容器であって、図１に示すように、後述の水素ガス配管２５ｂを介して水素ガス冷却用熱交換器５に接続されている。

【0029】

ディスペンサー３は、水素ガス配管２６を介してガスタンク２に接続されると共に、水素ガス配管２７を介して接続した給気対象Ｘ２に対してガスタンク２に貯留されている水素ガスを給気可能に構成されている。なお、実際の水素ガス給気システム１００では、給気対象Ｘ２に対する給気時にディスペンサー３において水素ガスを冷却するが、水素ガス給気システム１００の構成についての理解を容易とするために、ディスペンサー３における水素ガスを冷却するための構成要素に関する図示および説明を省略する。

【0030】

クーリングタワー４は、水素ガス給気システム１００の各種設備に対して冷却水Ｗを供給可能な冷却水供給源であって、本例の水素ガス給気システム１００では、「冷却用流体」としての冷却水Ｗをクーリングタワー４から冷却水配管４ａを介して水素ガス冷却用熱交換器５に供給して水素ガスと熱交換させることで水素ガスを冷却する構成が採用されている。また、本例の水素ガス給気システム１００では、水素ガス冷却用熱交換器５において水素ガスとの熱交換によって温度上昇した冷却水Ｗを、冷却水配管４ｂを介してクーリングタワー４に回収して再利用する構成が採用されている。なお、冷却水Ｗを回収する構成に代えて、クーリングタワー４から水素ガス冷却用熱交換器５に供給した冷却水Ｗを、水素ガスとの熱交換が完了した後（水素ガス冷却用熱交換器５から排出されたとき）に回収せずに排水する構成を採用することもできる。

【0031】

水素ガス冷却用熱交換器５は、「熱交換器」の一例である「シェル＆コイル式熱交換器」であって、図３に示すように、第１熱交換部４１、第２熱交換部４２、第３熱交換部４３、第４熱交換部４４および第５熱交換部４５のＮ＝５個の「熱交換部」が容器体３０内に収容されて冷却水Ｗとの熱交換によって水素ガスを冷却可能に構成されている。この場合、容器体３０は、「容器体」に相当し、一例として、前述の冷却水配管４ａを接続可能な配管接続部５１ａ（「流体導入部」の一例）、および冷却水配管４ｂを接続可能な配管接続部５１ｂ（「流体排出部」の一例）が設けられた筒状部３１と、筒状部３１の両端部を閉塞する蓋部３２ａ，３２ｂとを備えて各熱交換部４１～４５を収容可能な密閉空間を形成する。

【0032】

第１熱交換部４１は、「第１熱交換部」の一例であって、図２に示すように、多段圧縮装置１の第１段圧縮機１１によって圧縮された水素ガス（第２段圧縮機１２による第２段圧縮前の水素ガス）を冷却水Ｗとの熱交換によって冷却する。この第１熱交換部４１は、図１，２に示すように、第１段圧縮機１１の吐出口に接続された水素ガス配管２１ａを接続可能な配管接続部６１ａに一端部（水素ガスの導入部）が接続されると共に、第２段圧縮機１２の給気口に接続された水素ガス配管２１ｂを接続可能な配管接続部６１ｂに他端部（水素ガスの排出部）が接続されている。

【0033】

また、第２熱交換部４２は、図２に示すように、多段圧縮装置１の第２段圧縮機１２によって圧縮された水素ガス（第３段圧縮機１３による第３段圧縮前の水素ガス）を冷却水Ｗとの熱交換によって冷却する。この第２熱交換部４２は、図１，２に示すように、第２段圧縮機１２の吐出口に接続された水素ガス配管２２ａを接続可能な配管接続部６２ａに一端部（水素ガスの導入部）が接続されると共に、第３段圧縮機１３の給気口に接続された水素ガス配管２２ｂを接続可能な配管接続部６２ｂに他端部（水素ガスの排出部）が接続されている。

【0034】

さらに、第３熱交換部４３は、図２に示すように、多段圧縮装置１の第３段圧縮機１３によって圧縮された水素ガス（第４段圧縮機１４による第４段圧縮前の水素ガス）を冷却水Ｗとの熱交換によって冷却する。この第３熱交換部４３は、図１，２に示すように、第３段圧縮機１３の吐出口に接続された水素ガス配管２３ａを接続可能な配管接続部６３ａに一端部（水素ガスの導入部）が接続されると共に、第４段圧縮機１４の給気口に接続された水素ガス配管２３ｂを接続可能な配管接続部６３ｂに他端部（水素ガスの排出部）が接続されている。

【0035】

また、第４熱交換部４４は、図２に示すように、多段圧縮装置１の第４段圧縮機１４によって圧縮された水素ガス（第５段圧縮機１５による第５段圧縮前の水素ガス）を冷却水Ｗとの熱交換によって冷却する。この第４熱交換部４４は、図１，２に示すように、第４段圧縮機１４の吐出口に接続された水素ガス配管２４ａを接続可能な配管接続部６４ａに一端部（水素ガスの導入部）が接続されると共に、第５段圧縮機１５の給気口に接続された水素ガス配管２４ｂを接続可能な配管接続部６４ｂに他端部（水素ガスの排出部）が接続されている。

【0036】

さらに、第５熱交換部４５は、「第Ｎ＝５熱交換部」の一例であって、図２に示すように、多段圧縮装置１の第５段圧縮機１５によって圧縮された水素ガス（ガスタンク２に貯留させる水素ガス）を冷却水Ｗとの熱交換によって冷却する。第５熱交換部４５は、図１，２に示すように、第５段圧縮機１５の吐出口に接続された水素ガス配管２５ａを接続可能な配管接続部６５ａに一端部（水素ガスの導入部）が接続されると共に、ガスタンク２に接続された水素ガス配管２５ｂを接続可能な配管接続部６５ｂに他端部（水素ガスの排出部）が接続されている。

【0037】

また、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、上記の各熱交換部４１～４５が、水素ガスの通過が可能な管体（一例として、丸管）が螺旋状に巻回された「伝熱コイル」をそれぞれ備えて構成されている。また、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、一例として、第１熱交換部４１および第２熱交換部４２の２つの熱交換部が、並列接続された複数の「伝熱コイル」を備えて構成されている（「各熱交換部のうちの少なくとも１つ」が「第１熱交換部４１および第２熱交換部４２の２つ」の構成の例）。

【0038】

具体的には、図３に示すように、第１熱交換部４１は、蓋部３２ａに取り付けられた配管接続部６１ａ，６１ｂの間に、直列接続された伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１と、直列接続された伝熱コイル７１ａ２，７１ｂ２とが分岐合流用金具７１ｔａ，７１ｔｂを介して並列接続されている。この場合、この第１熱交換部４１では、分岐合流用金具７１ｔａから伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１を介して分岐合流用金具７１ｔｂに至る水素ガス流路と、分岐合流用金具７１ｔａから伝熱コイル７１ａ２，７１ｂ２を介して分岐合流用金具７１ｔｂに至る水素ガス流路とが等しい長さとなるように構成されている。

【0039】

また、第２熱交換部４２は、蓋部３２ｂに取り付けられた配管接続部６２ａ，６２ｂの間に、直列接続された伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１と、直列接続された伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２とが分岐合流用金具７２ｔａ，７２ｔｂを介して並列接続されている。この場合、この第２熱交換部４２では、分岐合流用金具７２ｔａから伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１を介して分岐合流用金具７２ｔｂに至る水素ガス流路と、分岐合流用金具７２ｔａから伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２を介して分岐合流用金具７２ｔｂに至る水素ガス流路とが等しい長さとなるように構成されている。

【0040】

さらに、第３熱交換部４３は、蓋部３２ｂに取り付けられた配管接続部６３ａ，６３ｂの間に、伝熱コイル７３ａ，７３ｂが直列接続され、第４熱交換部４４は、蓋部３２ｂに取り付けられた配管接続部６４ａ，６４ｂの間に、伝熱コイル７４ａ，７４ｂが直列接続され、第５熱交換部４５は、蓋部３２ａに取り付けられた配管接続部６５ａ，６５ｂの間に、伝熱コイル７５ａ，７５ｂが直列接続されている。

【0041】

また、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、各熱交換部４１～４５の伝熱コイルにおける管体の断面開口面積が、その熱交換部よりも後段側の熱交換部の伝熱コイルにおける管体の断面開口面積以上となるように構成されている。

【0042】

具体的には、伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１および伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２が並列接続されている第１熱交換部４１では、断面開口面積が等しい管体で各伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１，７１ａ２，７１ｂ２が形成されている。また、伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１および伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２が並列接続されている第２熱交換部４２では、断面開口面積が等しい管体で各伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１，７２ａ２，７２ｂ２が形成されている。さらに、第３熱交換部４３では、断面開口面積が等しい管体で両伝熱コイル７３ａ，７３ｂが形成され、第４熱交換部４４では、断面開口面積が等しい管体で両伝熱コイル７４ａ，７４ｂが形成され、第５熱交換部４５では、断面開口面積が等しい管体で両伝熱コイル７５ａ，７５ｂが形成されている。

【0043】

また、第１熱交換部４１（「多段圧縮装置における第Ｌ＝１段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）では、伝熱コイル７１ａ１（または、伝熱コイル７１ｂ１）を構成する管体の断面開口面積と、伝熱コイル７１ａ２（または、伝熱コイル７１ｂ２）を構成する管体の断面開口面積との和（以下、単に「管体の断面開口面積」ともいう）が、第２熱交換部４２（「多段圧縮装置におけるＬ＝１段圧縮行程よりも後段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）の伝熱コイル７２ａ１（または、伝熱コイル７２ｂ１）を構成する管体の断面開口面積と、第２熱交換部４２の伝熱コイル７２ａ２（または、伝熱コイル７２ｂ２）を構成する管体の断面開口面積との和（以下、単に「管体の断面開口面積」ともいう）以上となるように形成されている。

【0044】

さらに、第２熱交換部４２（「多段圧縮装置における第Ｌ＝２段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）では、管体の断面開口面積が、第３熱交換部４３（「多段圧縮装置におけるＬ＝２段圧縮行程よりも後段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）の伝熱コイル７３ａ（または、伝熱コイル７３ｂ）を構成する管体の断面開口面積（以下、単に「管体の断面開口面積」ともいう）以上となるように形成されている。

【0045】

また、第３熱交換部４３（「多段圧縮装置における第Ｌ＝３段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）では、管体の断面開口面積が、第４熱交換部４４（「多段圧縮装置におけるＬ＝３段圧縮行程よりも後段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）の伝熱コイル７４ａ（または、伝熱コイル７４ｂ）を構成する管体の断面開口面積（以下、単に「管体の断面開口面積」ともいう）以上となるように形成されている。

【0046】

さらに、第４熱交換部４４（「多段圧縮装置における第Ｌ＝４段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）では、管体の断面開口面積が、第５熱交換部４５（「多段圧縮装置におけるＬ＝４段圧縮行程よりも後段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）の伝熱コイル７５ａ（または、伝熱コイル７５ｂ）を構成する管体の断面開口面積（以下、単に「管体の断面開口面積」ともいう）以上となるように形成されている。

【0047】

より具体的には、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、一例として、「第１熱交換部４１の管体の断面開口面積」＞「第２熱交換部４２の管体の断面開口面積」＞「第３熱交換部４３の管体の断面開口面積」＞「第４熱交換部４４の管体の断面開口面積」＞「第５熱交換部４５の管体の断面開口面積」との関係が満たされるように各熱交換部４１～４５が構成されている。これにより、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、「第１熱交換部４１の管体の断面開口面積」が「第５熱交換部４５（「第Ｎ熱交換部」の一例）の管体の断面開口面積」よりも大きくなるとの条件が満たされている。

【0048】

また、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、各熱交換部４１～４５の伝熱コイルにおける管体の厚みが、その熱交換部よりも前段側の熱交換部の伝熱コイルにおける管体の厚み以上となるように構成されている。

【0049】

具体的には、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、各熱交換部４１～４５の各「伝熱コイル」が同じ材料で形成されている。また、伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１および伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２が並列接続されている第１熱交換部４１では、厚みが等しい管体で各伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１，７１ａ２，７１ｂ２が形成されている。また、伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１および伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２が並列接続されている第２熱交換部４２では、厚みが等しい管体で各伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１，７２ａ２，７２ｂ２が形成されている。さらに、第３熱交換部４３では、厚みが等しい管体で両伝熱コイル７３ａ，７３ｂが形成され、第４熱交換部４４では、厚みが等しい管体で両伝熱コイル７４ａ，７４ｂが形成され、第５熱交換部４５では、厚みが等しい管体で両伝熱コイル７５ａ，７５ｂが形成されている。

【0050】

また、第２熱交換部４２（「多段圧縮装置における第Ｋ＝２段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）では、伝熱コイル７２ａ１（または、伝熱コイル７２ｂ１）や伝熱コイル７２ａ２（または、伝熱コイル７２ｂ２）を構成する管体の厚み（以下、単に「管体の厚み」ともいう）が、前段側の第１熱交換部４１（「第Ｋ段圧縮行程よりも前段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）の伝熱コイル７１ａ１（または、伝熱コイル７１ｂ１）や伝熱コイル７１ａ２（または、伝熱コイル７１ｂ２）を構成する管体の厚み（以下、単に「管体の厚み」ともいう）以上となるように形成されている。

【0051】

さらに、第３熱交換部４３（「多段圧縮装置における第Ｋ＝３段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）では、伝熱コイル７３ａ１（または、伝熱コイル７３ｂ１）や伝熱コイル７３ａ２（または、伝熱コイル７３ｂ２）を構成する管体の厚み（以下、単に「管体の厚み」ともいう）が、前段側の第２熱交換部４２（「第Ｋ段圧縮行程よりも前段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）の管体の厚み以上となるように形成されている。

【0052】

また、第４熱交換部４４（「多段圧縮装置における第Ｋ＝４段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）では、伝熱コイル７４ａ（または、伝熱コイル７４ｂ）を構成する管体の厚み（以下、単に「管体の厚み」ともいう）が、前段側の第３熱交換部４３（「第Ｋ段圧縮行程よりも前段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）の管体の厚み以上となるように形成されている。

【0053】

さらに、第５熱交換部４５（「多段圧縮装置における第Ｋ＝５段圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）では、伝熱コイル７５ａ（または、伝熱コイル７５ｂ）を構成する管体の厚み（以下、単に「管体の厚み」ともいう）が、前段側の第４熱交換部４４（「第Ｋ段圧縮行程よりも前段側の圧縮行程によって圧縮された気体を冷却用流体と熱交換させる熱交換部」の一例）の管体の厚み以上となるように形成されている。

【0054】

より具体的には、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、一例として、「第１熱交換部４１の管体の厚み」＜「第２熱交換部４２の管体の厚み」＝「第３熱交換部４３の管体の厚み」＜「第４熱交換部４４の管体の厚み」＜「第５熱交換部４５の管体の厚み」との関係が満たされるように各熱交換部４１～４５が構成されている。これにより、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、「第５熱交換部４５（「第Ｎ熱交換部」の一例）の管体の厚み」が「第１熱交換部４１の管体の厚み」よりも厚くなるとの条件が満たされている。

【0055】

なお、本例の、水素ガス冷却用熱交換器５では、第２熱交換部４２の伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１や伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２が第３熱交換部４３の伝熱コイル７３ａ，７３ｂを構成する管体と同じ管体で形成されている。これにより、上記の「第２熱交換部４２の管体の厚み」は、第２熱交換部４２に求められる耐圧性能を超える耐圧性能を備えた状態となっているが、同じ管体を使用して第２熱交換部４２および第３熱交換部４３が形成されている分だけ、水素ガス冷却用熱交換器５の製造に必要な管体の種類数が少数となっており、その製造コストが低減されている。

【0056】

また、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、クーリングタワー４から冷却水配管４ａを介して供給されて配管接続部５１ａから容器体３０内に導入されて配管接続部５１ｂから冷却水配管４ｂを介してクーリングタワー４に回収される冷却水Ｗが、各熱交換部４１～４５において水素ガスとの熱交換によって温度上昇する熱量を考慮して、容器体３０内における各熱交換部４１～４５の配置が最適化されている。

【0057】

具体的には、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、一例として、容器体３０内における配管接続部５１ａ寄りの位置（図３における上側：冷却水Ｗの温度が十分に低い部位）に第２熱交換部４２、第３熱交換部４３および第４熱交換部４４が配置されると共に、容器体３０内における配管接続部５１ｂ寄りの位置（図３における下側：冷却水Ｗの温度が配管接続部５１ａ寄りの部位よりも高くなる部位）に第１熱交換部４１および第５熱交換部４５が配置されている。したがって、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、上記の配管接続部６１ａ，６１ｂおよび配管接続部６５ａ，６５ｂが蓋部３２ａに配設されると共に、上記の配管接続部６２ａ，６２ｂ、配管接続部６３ａ，６３ｂおよび配管接続部６４ａ，６４ｂが蓋部３２ｂに配設されている。

【0058】

この場合、多段圧縮装置１における第１段圧縮機１１による圧縮行程では、第２段圧縮機１２から第５段圧縮機１５による後段側の各圧縮行程とは異なり、多段圧縮装置１による圧縮が行われていない低圧の水素ガスを対象とする圧縮処理が実行される。したがって、第１段圧縮機１１による圧縮行程では、その圧縮効率（圧力の上昇率）が非常に高くなっており、第１段圧縮機１１から圧送される水素ガスは、非常に高い温度となる傾向がある。このため、第１段圧縮機１１から圧送される水素ガスを冷却する第１熱交換部４１を容器体３０内における配管接続部５１ａ寄りの位置（容器体３０内における冷却水Ｗの流路の上流側の位置）に配置した場合には、高温の水素ガスの冷却によって高い温度まで温度上昇した冷却水Ｗが配管接続部５１ｂに向かって容器体３０内を流動させられることとなる。

【0059】

この結果、第１熱交換部４１を容器体３０内における配管接続部５１ａ寄りの位置に配置した場合には、配管接続部５１ｂ寄りの位置（容器体３０内における冷却水Ｗの流路の下流側の位置）に配置した他の熱交換部によって水素ガスを好適に冷却するのが困難となるおそれがある。しかしながら、第１熱交換部４１に導入される水素ガスのように温度が高い水素ガスであれば、冷却水Ｗの温度がやや高くても十分に冷却することができる。したがって、第１段圧縮機１１から圧送される高温の水素ガスを冷却する第１熱交換部４１については、本例の水素ガス冷却用熱交換器５のように、配管接続部５１ｂ寄りの位置（容器体３０内における冷却水Ｗの流路の下流側の位置）に配置するのが好ましい。

【0060】

一方、多段圧縮装置１における第５段圧縮機１５による圧縮行程では、第１段圧縮機１１から第４段圧縮機１４による前段側の各圧縮行程において圧縮された高圧の水素ガスが圧縮される。したがって、多段圧縮装置１における第５段圧縮機１５による圧縮行程では、前段側の各圧縮行程と比較して圧縮効率がやや低くなっており、第５段圧縮機１５から圧送される水素ガスは、過剰に高い温度とはならない傾向がある。このため、第５段圧縮機１５から圧送される水素ガスを冷却する第５熱交換部４５を容器体３０内における配管接続部５１ａ寄りの位置（容器体３０内における冷却水Ｗの流路の上流側の位置）に配置し、他の熱交換部における水素ガスの冷却に伴ってやや温度上昇した冷却水と熱交換させるようにしたとしても、水素ガスを十分に冷却することができる。したがって、第５段圧縮機１５から圧送される水素ガスを冷却する第５熱交換部４５については、本例の水素ガス冷却用熱交換器５のように、他の熱交換部（第２熱交換部４２～第４熱交換部４４）において水素ガスを低温の冷却水Ｗと熱交換させることができるように、配管接続部５１ｂ寄りの位置（容器体３０内における冷却水Ｗの流路の下流側の位置）に配置するのが好ましい。

【0061】

なお、各熱交換部４１～４５における水素ガスの冷却に伴う冷却水Ｗの温度上昇量は、導入される水素ガス（処理対象の水素ガス）の温度および流速や、各熱交換部４１～４５の「管体」の直径（内径および外径）などの相違によって異なる。したがって、各熱交換部４１～４５の配置（各配管接続部６１ａ～６５ａ，６１ｂ～６５ｂの配置）については、多段圧縮装置１（各圧縮機１１～１５）の仕様等に応じて適宜変更することができる。

【0062】

また、図３では、水素ガス冷却用熱交換器５の構成についての理解を容易とするために、各熱交換部４１～４５の「伝熱コイル」を並べて図示しているが、実際の水素ガス冷却用熱交換器５では、各「伝熱コイル」の一部、またはすべてが、巻径が異なる「伝熱コイル」で構成されて同心状に重ねて配置される。このような構成においては、巻径が大きいほど水素ガスの流路長が長くなり、かつ巻径が小さいほど水素ガスの流路長が短くなるため、各熱交換部４１～４５に求められる熱交換能力に応じて、必要な流路長が確保されるように各「伝熱コイル」の配置が最適化されている。

【0063】

次に、水素ガス給気システム１００において水素ガス源Ｘ１からガスタンク２に水素ガスを貯留する際の圧縮行程で水素ガスを冷却する方法について説明する。

【0064】

水素ガス源Ｘ１から供給される水素ガスをガスタンク２に貯留する際には、ガスタンク２から給気対象Ｘ２への給気に適した圧力となるように多段圧縮装置１によって水素ガスを圧縮した状態でガスタンク２に貯留する。この際に、水素ガス源Ｘ１から供給される水素ガスが定圧のため、この水素ガスを、給気に適した十分な圧力まで１段階で昇圧するのは困難となっている。したがって、本例の水素ガス給気システム１００においても、多段圧縮装置１における各圧縮機１１～１５によって多段階（本例では、５段階）に水素ガスを圧縮する構成が採用されている。

【0065】

また、各圧縮機１１～１５による圧縮行程では、断熱圧縮によって水素ガスの温度が上昇する。したがって、後段側の圧縮行程（本例では、第２段圧縮行程から第５段圧縮行程）における圧縮効率の向上、後段側の圧縮行程を行う圧縮機（本例では、圧縮機１２～１５）の動作不良の回避、およびガスタンク２への充填効率の向上を図るには、各圧縮行程が完了する都度、水素ガスを十分に冷却する必要がある。したがって、本例の水素ガス給気システム１００においても、多段圧縮装置１における各圧縮機１１～１５による圧縮行程が完了する都度、断熱圧縮によって温度上昇した水素ガスを水素ガス冷却用熱交換器５によって冷却する構成が採用されている。

【0066】

具体的には、水素ガス源Ｘ１からガスタンク２への水素ガスの貯留に際して多段圧縮装置１によって水素ガスを圧縮する際には、図示しない送水ポンプを動作させてクーリングタワー４から冷却水配管４ａを介して冷却水Ｗを供給する。この際に、供給された冷却水Ｗは、容器体３０の配管接続部５１ａから容器体３０内に導入され、配管接続部５１ｂから冷却水配管４ｂに排水されてクーリングタワー４に回収される。すなわち、この水素ガス給気システム１００では、送水ポンプによる冷却水Ｗの送水を開始した際に、クーリングタワー４と水素ガス冷却用熱交換器５との間で冷却水Ｗが循環される。なお、クーリングタワー４における冷却水Ｗの冷却（放熱）の処理については公知のため、詳細な説明を省略する。これにより、後述のように水素ガスを十分に冷却可能な十分に温度が低い冷却水Ｗが水素ガス冷却用熱交換器５における各熱交換部４１～４５の周囲（容器体３０内）に継続的に供給される状態となる。

【0067】

一方、水素ガス源Ｘ１から水素ガス配管２０を介して多段圧縮装置１の第１段圧縮機１１に供給された水素ガスは、第１段圧縮機１１における第１段圧縮行程において圧縮されることで温度上昇した状態で水素ガス配管２１ａを介して水素ガス冷却用熱交換器５に送気される。また、水素ガス配管２１ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６１ａから第１熱交換部４１に導入されて冷却水Ｗとの熱交換によって冷却される。

【0068】

具体的には、第１段圧縮機１１から水素ガス配管２１ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６１ａから容器体３０内に進入させられて水素ガス配管を介して分岐合流用金具７１ｔａに到達し、分岐合流用金具７１ｔａおいて二手に分流される。また、一方の流れの水素ガスは、伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１を通過させられると共に、他方の流れの水素ガスは、伝熱コイル７１ａ２，７１ｂ２を通過させられた後に、分岐合流用金具７１ｔｂにおいて合流して配管接続部６１ｂに到達する。この際には、第１熱交換部４１（各伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１，７１ａ２，７１ｂ２等）を通過させられる水素ガスが、容器体３０内を配管接続部５１ａから配管接続部５１ｂに向かって流動させられている冷却水Ｗとの熱交換によって冷却される。これにより、十分に温度低下した水素ガスが配管接続部６１ｂから水素ガス配管２１ｂを介して第２段圧縮機１２に送気される。

【0069】

また、水素ガス配管２１ｂを介して第２段圧縮機１２に送気された水素ガスは、第２段圧縮機１２における第２段圧縮行程において圧縮されることで温度上昇した状態で水素ガス配管２２ａを介して水素ガス冷却用熱交換器５に送気される。また、水素ガス配管２２ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６２ａから第２熱交換部４２に導入されて冷却水Ｗとの熱交換によって再び冷却される。

【0070】

具体的には、第２段圧縮機１２から水素ガス配管２２ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６２ａから容器体３０内に進入させられて水素ガス配管を介して分岐合流用金具７２ｔａに到達し、分岐合流用金具７２ｔａおいて二手に分流される。また、一方の流れの水素ガスは、伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１を通過させられると共に、他方の流れの水素ガスは、伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２を通過させられた後に、分岐合流用金具７２ｔｂにおいて合流して配管接続部６２ｂに到達する。この際には、第２熱交換部４２（各伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１，７２ａ２，７２ｂ２等）を通過させられる水素ガスが、容器体３０内を流動させられている冷却水Ｗとの熱交換によって冷却される。これにより、十分に温度低下した水素ガスが配管接続部６２ｂから水素ガス配管２２ｂを介して第３段圧縮機１３に送気される。

【0071】

さらに、水素ガス配管２２ｂを介して第３段圧縮機１３に送気された水素ガスは、第３段圧縮機１３における第３段圧縮行程において圧縮されることで温度上昇した状態で水素ガス配管２３ａを介して水素ガス冷却用熱交換器５に送気される。また、水素ガス配管２３ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６３ａから第３熱交換部４３に導入されて冷却水Ｗとの熱交換によって再び冷却される。

【0072】

具体的には、第３段圧縮機１３から水素ガス配管２３ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６３ａから容器体３０内に進入させられ、水素ガス配管および伝熱コイル７３ａ，７３ｂを通過させられた後に配管接続部６３ｂに到達する。この際には、第３熱交換部４３（各伝熱コイル７３ａ，７３ｂ等）を通過させられる水素ガスが、容器体３０内を流動させられている冷却水Ｗとの熱交換によって冷却される。これにより、十分に温度低下した水素ガスが配管接続部６３ｂから水素ガス配管２３ｂを介して第４段圧縮機１４に送気される。

【0073】

また、水素ガス配管２３ｂを介して第４段圧縮機１４に送気された水素ガスは、第４段圧縮機１４における第４段圧縮行程において圧縮されることで温度上昇した状態で水素ガス配管２４ａを介して水素ガス冷却用熱交換器５に送気される。また、水素ガス配管２４ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６４ａから第４熱交換部４４に導入されて冷却水Ｗとの熱交換によって再び冷却される。

【0074】

具体的には、第４段圧縮機１４から水素ガス配管２４ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６４ａから容器体３０内に進入させられ、水素ガス配管および伝熱コイル７４ａ，７４ｂを通過させられた後に配管接続部６４ｂに到達する。この際には、第４熱交換部４４（各伝熱コイル７４ａ，７４ｂ等）を通過させられる水素ガスが、容器体３０内を流動させられている冷却水Ｗとの熱交換によって冷却される。これにより、十分に温度低下した水素ガスが配管接続部６４ｂから水素ガス配管２４ｂを介して第５段圧縮機１５に送気される。

【0075】

さらに、水素ガス配管２４ｂを介して第５段圧縮機１５に送気された水素ガスは、第５段圧縮機１５における第５段圧縮行程において圧縮されることで温度上昇した状態で水素ガス配管２５ａを介して水素ガス冷却用熱交換器５に送気される。また、水素ガス配管２５ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６５ａから第５熱交換部４５に導入されて冷却水Ｗとの熱交換によって再び冷却される。

【0076】

具体的には、第５段圧縮機１５から水素ガス配管２５ａを介して送気された水素ガスは、配管接続部６５ａから容器体３０内に進入させられ、水素ガス配管および伝熱コイル７５ａ，７５ｂを通過させられた後に配管接続部６５ｂに到達する。この際には、第５熱交換部４５（各伝熱コイル７５ａ，７５ｂ等）を通過させられる水素ガスが、容器体３０内を流動させられている冷却水Ｗとの熱交換によって冷却される。これにより、十分に温度低下した水素ガスが配管接続部６５ｂから水素ガス配管２５ｂを介してガスタンク２に送気されてガスタンク２に貯留される。

【0077】

この場合、多段圧縮装置１による水素ガスの多段圧縮時には、圧縮行程の進行に伴って水素ガスの圧縮率が高まり、その体積が減少する。このため、本例の構成とは異なるが、例えば、多段圧縮装置１における各圧縮機１１～１５による圧縮後の水素ガスを、同じ断面開口面積の配管にそれぞれ吐出させた場合には、前段側の圧縮行程用の圧縮機から吐出される水素ガスの方が体積が大きいため、配管内の移動速度が高くなる。また、圧縮機から吐出される水素ガスが、同じ断面開口面積の配管内を通過させられる場合には、移動速度が高いときほど圧力損失が大きくなる。

【0078】

したがって、例えば水素ガス冷却用熱交換器５における各熱交換部４１～４５の配管の断面開口面積を等しくした場合には、第１熱交換部４１の通過時の圧力損失が、第２熱交換部４２の通過時の圧力損失よりも大きくなり、第２熱交換部４２の通過時の圧力損失が、第３熱交換部４３の通過時の圧力損失よりも大きくなり、第３熱交換部４３の通過時の圧力損失が、第４熱交換部４４の通過時の圧力損失よりも大きくなり、かつ第４熱交換部４４の通過時の圧力損失が、第５熱交換部４５の通過時の圧力損失よりも大きくなることとなる。

【0079】

このため、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、前段側の圧縮行程によって圧縮した水素ガスを冷却する際に水素ガス冷却用熱交換器５内で生じる圧力損失を低減するために、前述したように、前段側の熱交換部ほど管体の断面開口面積が大きくなるように各熱交換部４１～４５が構成されている。これにより、水素ガス源Ｘ１から供給される水素ガスをガスタンク２に貯留する際の圧縮効率が十分に向上している。

【0080】

また、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、第２熱交換部４２の伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１や伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２を、第３熱交換部４３の伝熱コイル７３ａ，７３ｂを構成する管体と同じ管体で形成しつつ、「第２熱交換部４２の管体の断面開口面積」＞「第３熱交換部４３の管体の断面開口面積」との条件を満たすために、伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１と伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２とが分岐合流用金具７２ｔａ，７２ｔｂによって並列接続されて第２熱交換部４２が構成されている。これにより、第２熱交換部４２における圧力損失の低減を図るべく、伝熱コイル７３ａ，７３ｂを構成する管体よりも断面開口面積が広い管体で「伝熱コイル」を形成する構成と比較して、水素ガス冷却用熱交換器５の製造に必要な管体の種類数を少数としつつ、第２熱交換部４２における圧力損失が十分に低減されている。

【0081】

さらに、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、第１熱交換部４１についても、伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１と伝熱コイル７１ａ２，７１ｂ２とが分岐合流用金具７１ｔａ，７１ｔｂによって並列接続されて構成されている。この場合、「伝熱コイル」を並列接続せずに第１熱交換部４１を構成しようとしたときには、第１熱交換部４１における圧力損失を低減するために、断面開口面積が十分に広い太径の管体を使用する必要がある。しかしながら、太径の管体を螺旋形に巻回した「伝熱コイル」を製作するのは、管体の巻回が困難となることから、製作コストが高騰するおそれがある。したがって、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、上記のように、細径の管体で形成した「伝熱コイル」を並列接続して第１熱交換部４１を構成することで、その製造コストが十分に低減されている。

【0082】

この場合、前述したように、第１熱交換部４１や第２熱交換部４２では、導入される水素ガスの量が多く、水素ガスの流速が速いため、大きな圧損が生じることのないように、十分に広い断面開口面積を確保する必要がある。しかしながら、十分な広さの断面開口面積を確保するために十分に太径の管体を使用した場合には、「伝熱コイル」の製造（管体の曲げ加工）が困難となる。そこで、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、上記のように、導入される水素ガスの量が多く水素ガスの流速が速い第１熱交換部４１や第２熱交換部４２において、伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１と伝熱コイル７１ａ２，７１ｂ２とを並列接続したり、伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１と伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２とを並列接続したりすることで、第１熱交換部４１や第２熱交換部４２を構成する「伝熱コイル」を細径の管体で形成する構成が採用されている。この結果、第１熱交換部４１を構成する伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１，７１ａ２，７１ｂ２や、第２熱交換部４２を構成する伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１，７２ａ２，７２ｂ２を容易に製造することが可能となっている。

【0083】

また、同じ「断面開口面積」を確保し、かつ「耐圧性能」を一致させる場合には、内径が太い管体で構成した１本の流路（伝熱コイル）の「熱交換部」よりも、内径が細い管体で構成した複数本の流路（並列接続された伝熱コイル）の「熱交換部」の方が、「伝熱コイル」を構成する管体の厚みを薄くすることができる。したがって、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、第１熱交換部４１を構成する伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１，７１ａ２，７１ｂ２や、第２熱交換部４２を構成する伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１，７２ａ２，７２ｂ２を薄厚の管体で形成することができる分だけ、各伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１，７１ａ２，７１ｂ２，７２ａ１，７２ｂ１，７２ａ２，７２ｂ２を一層容易に製造することが可能となっている。

【0084】

さらに、太い管体で構成した１本の流路（伝熱コイル）の「熱交換部」よりも、細い管体で構成した複数本の流路（並列接続された伝熱コイル）の「熱交換部」の方が「伝熱コイル」において冷却水Ｗに接する面積（管体の外表面の総面積）が広くなる。したがって、本例の水素ガス冷却用熱交換器５のように、導入される水素ガスの温度が高い第１熱交換部４１や第２熱交換部４２について、並列接続した複数個の「伝熱コイル（管体）」で構成することで、水素ガスの冷却効率を十分に向上させて十分に冷却することが可能となっている。

【0085】

また、本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、前述したように、「第１熱交換部４１の管体の厚み」＜「第２熱交換部４２の管体の厚み」＝「第３熱交換部４３の管体の厚み」＜「第４熱交換部４４の管体の厚み」＜「第５熱交換部４５の管体の厚み」との関係が満たされるように各熱交換部４１～４５が構成されている。

【0086】

この場合、上記のように、前段側の熱交換部ほど、通過する水素ガスの圧力損失を低減するために断面開口面積を大きくする必要があることから、各熱交換部４１～４５における「伝熱コイル」のすべてを同じ厚みの管体で形成した場合には、前段側の熱交換部の「伝熱コイル」の管体の外径が非常に大きくなる。このため、前段側の熱交換部における「伝熱コイル」の製造（管体の巻回）が困難となり、製造コストが高騰するおそれがあるだけでなく、必要以上に厚い管体を使用することで、「伝熱コイル」の重量、すなわち、水素ガス冷却用熱交換器５の総重量が過剰に増加して設置作業が困難となるおそれがある。

【0087】

これに対して、各熱交換部の管体の厚みを上記のようにした本例の水素ガス冷却用熱交換器５では、前段側の熱交換部の「伝熱コイル」を容易に製作することができ、また、処理対象の水素ガスの圧力が低いことで大きな耐圧性を有している必要がない前段側の熱交換部における「伝熱コイル」を薄厚とした分だけ、水素ガス冷却用熱交換器５の総重量も十分に小さくなっている。これにより、水素ガス冷却用熱交換器５の設置作業も容易となっている。

【0088】

また、本例では、各熱交換部４１～４５の「伝熱コイル」が容器体３０内に収容されて一体化された「シェル＆コイル式熱交換器」の水素ガス冷却用熱交換器５によって冷却水Ｗと熱交換させて水素ガスを冷却する構成が採用されている。この場合、「シェル＆コイル式熱交換器」に代えて「プレート式熱交換器」によって水素ガスを冷却する際には、冷却水Ｗが、冷却水プレートに形成された冷却水通過溝内を通過させられることとなる。しかしながら、クーリングタワー４等で冷却した冷却水Ｗを「冷却用流体」として使用する場合には、冷却水Ｗに含まれる小さな異物の存在に起因して冷却水通過溝に詰まりが生じるおそれがある。このため、「プレート式熱交換器」を使用する場合には、冷却水Ｗの浄化処理（異物を除去する処理）が必要となり、その運用コストが高騰するおそれがある。

【0089】

これに対して、「シェル＆コイル式熱交換器」である上記の水素ガス冷却用熱交換器５では、水素ガスを冷却するための冷却水Ｗが容器体３０内において各熱交換部４１～４５の周囲を通過するだけであるため、たとえ小さな異物が混入していたとしても、冷却水Ｗの流路に詰まりが生じる事態を招くことがない。また、冷却水Ｗに含まれる異物の付着に起因する熱交換効率の低下を阻止するために冷却水Ｗの流路をクリーニングする際にも、「プレート式熱交換器」と比較して，付着した異物を確実かつ容易に除去することができる。これにより、必要に応じてクリーニングを行うことで、水素ガスと冷却水Ｗとの熱交換効率（水素ガスの冷却効率）を十分に高いレベルに維持することが可能となっている。したがって、使用する冷却水Ｗの浄化処理も不要となることから運用コストの高騰も回避することができる。

【0090】

一方、上記のように水素ガス源Ｘ１からガスタンク２に水素ガスが貯留された状態においては、ガスタンク２内の水素ガスの圧力が十分に高くなっているため、ディスペンサー３を介してガスタンク２内の水素ガスを給気対象Ｘ２に対して効率よく給気することができる。なお、ガスタンク２から給気対象Ｘ２への水素ガスの給気については公知のため、詳細な説明を省略する。

【0091】

このように、この水素ガス冷却用熱交換器５では、容器体３０内に収容されたＮ＝５個の熱交換部４１～４５が、水素ガスの通過が可能な管体が螺旋状に巻回された「伝熱コイル」をそれぞれ備えると共に、多段圧縮装置１における第１段圧縮行程から第４段圧縮行程によって圧縮された水素ガスを冷却水Ｗと熱交換させる熱交換部４１～４４の「伝熱コイル」における管体の断面開口面積が、後段側の第２段圧縮行程から第５段圧縮行程によって圧縮された水素ガスを冷却水Ｗと熱交換させる熱交換部４２～４５の「伝熱コイル」における管体の断面開口面積以上となり、かつ第１熱交換部４１の「伝熱コイル」における管体の断面開口面積が第５熱交換部４５の「伝熱コイル」における管体の断面開口面積よりも大きくなるようにそれぞれ形成されている。

【0092】

したがって、この水素ガス冷却用熱交換器５によれば、水素ガスをＮ＝５段階の圧縮行程毎に冷却するためのＮ＝５個の熱交換部４１～４５を容器体３０内に収容して一体化したことにより、別個独立したＮ＝５個の熱交換器（冷却器）によって水素ガスをＮ＝５段階の圧縮行程毎に冷却する構成と比較して、水素ガスの冷却のために必要な機器の占有スペースを十分に小さくすることができる。また、冷却水Ｗの配管の数を少数とすることができるため、設置作業が容易となり、導入コストを低減することができる。また、各熱交換部４１～４５を構成する「伝熱コイル」の断面開口面積を最適化したことで水素ガスの冷却時における圧力損失を十分に抑えることができる。

【0093】

また、この水素ガス冷却用熱交換器５では、各熱交換部４１～４５における各「伝熱コイル」の管体が同じ材料で形成されると共に、多段圧縮装置１における第２段圧縮行程から第５段圧縮行程によって圧縮された水素ガスを冷却水Ｗと熱交換させる熱交換部４２～４５の「伝熱コイル」における管体の厚みが、前段側の第１段圧縮行程から第４段圧縮行程によって圧縮された水素ガスを冷却水Ｗと熱交換させる熱交換部４１～４４の「伝熱コイル」における管体の厚み以上となり、かつ第５熱交換部４５の「伝熱コイル」における管体の厚みが第１熱交換部４１の「伝熱コイル」における管体の厚みよりも厚くなるようにそれぞれ形成されている。

【0094】

したがって、この水素ガス冷却用熱交換器５によれば、処理対象の水素ガスの圧力が高くなっている後段側の圧縮行程後の水素ガスを冷却する「熱交換部」については、変形や破損（水素ガスの漏洩）を招くことのない十分な厚みの「管体」によって「伝熱コイル」を形成しつつ、圧力がそれほど高くない前段側の圧縮行程後の水素ガスを冷却する「熱交換部」については、その厚みが薄い「管体」によって「伝熱コイル」を形成することで、「伝熱コイル」を容易に製作することができ、また、材料コストも低減できることから、水素ガス冷却用熱交換器５の製造コストを十分に低減することができる。

【0095】

さらに、この水素ガス冷却用熱交換器５によれば、各熱交換部４１～４５のうちの少なくとも１つ（本例では、第１熱交換部４１および第２熱交換部４２の２つ）を、並列接続した複数の「伝熱コイル」を備えて構成したことにより、圧力損失を抑えることが可能な十分な広さの断面開口面積を得るために太い「管体」で形成した「伝熱コイル」を採用したときには、その「伝熱コイル」の製作（「管体」の曲げ加工等）が困難となるのに対し、複数の「伝熱コイル」を並列接続して必要な断面開口面積を得ることで、各「伝熱コイル」の「管体」として細い「管体」を使用することができるため、「伝熱コイル」を容易に製作することができる結果、水素ガス冷却用熱交換器５の製造コストを十分に低減することができる。また、複数の「熱交換部」において、「伝熱コイル」を構成する「管体」として、同じ「管体」を使用しても断面開口面積を異ならせることができるため、同じ「管体」で複数の「熱交換部」の「伝熱コイル」を製作した場合には、使用する「管体」の種類数が少数となる分だけ、材料コスト、すなわち、水素ガス冷却用熱交換器５の製造コストを一層低減することができる。

【0096】

また、この水素ガス冷却用熱交換器５によれば、「気体」としての水素ガスを冷却可能に構成したことにより、水素ガス燃料電池自動車等に水素ガスを給気する水素ガスステーションのように機器の設置可能スペースが狭い場所であっても、水素ガス冷却用熱交換器５を設置することができ、これにより、多段圧縮装置１によって圧縮される水素ガスを好適に冷却することができる。

【0097】

なお、「熱交換器」の構成は、上記の水素ガス冷却用熱交換器５の構成の例に限定されない。例えば、多段圧縮装置１における第１段圧縮行程から第５段圧縮行程までの５段階の圧縮行程後の水素ガスを冷却可能に第１熱交換部４１から第５熱交換部４５までの５個の（５段階分）の「熱交換部」を備えて構成した水素ガス冷却用熱交換器５を例に挙げて説明したが、「熱交換部」の数（対応する圧縮行程の段階数）は、２個（２段階）、３個（３段階）、４個（４段階）、および６個以上（６段階以上）とすることができる（図示せず）。

【0098】

また、多段圧縮装置１における第１段圧縮機１１による第１段圧縮行程後の水素ガスから第５段圧縮機１５による第５段圧縮行程後の水素ガスまでのすべてを冷却可能に第１熱交換部４１から第５熱交換部４５までのＮ＝５個の熱交換部を備えて構成した水素ガス冷却用熱交換器５を例に挙げて説明したが、このような構成に代えて、「多段圧縮装置」による各圧縮行程の一部について、圧縮後の水素ガスを他の「熱交換器」において冷却する構成を採用することができる。

【0099】

一例として、３段階の多段圧縮が可能な「多段圧縮装置」によって圧縮される水素ガスのうち、第１段圧縮行程後の水素ガスおよび第２段圧縮行程後の水素ガスをそれぞれ冷却可能に２段階分のＮ＝２個の「熱交換部」を備えて「熱交換器」を構成したり（第３段圧縮行程後の水素ガスを他の熱交換器で冷却する構成）、第２段圧縮行程後の水素ガスおよび第３段圧縮行程後の水素ガスをそれぞれ冷却可能に２段階分のＮ＝２個の「熱交換部」を備えて「熱交換器」を構成したり（第１段圧縮行程後の水素ガスを他の熱交換器で冷却する構成）することができる。

【0100】

「各熱交換部のうちの少なくとも１つが、並列接続された複数の伝熱コイルを備えて構成されている」との構成の一例として、伝熱コイル７１ａ１，７１ｂ１と伝熱コイル７１ａ２，７１ｂ２とが並列接続された第１熱交換部４１、および伝熱コイル７２ａ１，７２ｂ１と伝熱コイル７２ａ２，７２ｂ２とが並列接続された第２熱交換部４２を備えた水素ガス冷却用熱交換器５の構成を例に挙げて説明したが、「伝熱コイル」の並列数は、水素ガス冷却用熱交換器５の例のような「２」に限定されず、「３」以上の複数の「伝熱コイル」を並列接続して１つの「熱交換部」を構成することができる。

【0101】

また、伝熱コイル７３ａ，７３ｂを直列接続した第３熱交換部４３、伝熱コイル７４ａ，７４ｂを直列接続した第４熱交換部４４、および伝熱コイル７５ａ，７５ｂを直列接続した第５熱交換部４５などを備えた水素ガス冷却用熱交換器５の構成を例に挙げて説明したが、１つの「伝熱コイル」だけで１つの「熱交換部」を構成したり、３つ以上の複数の「伝熱コイル」を直列接続して１つの「熱交換部」を構成したりすることもできる。さらに、「管体」としての「丸管」で構成した「伝熱コイル」を備えた例について説明したが、「管体」は「丸管」に限定されず、「楕円管」や「角管」を「管体」として採用して「伝熱コイル」を製作することもできる。

【0102】

加えて、「処理対象の気体」の一例である水素ガスと、「冷却用流体」の一例である冷却水Ｗとの熱交換によって水素ガスを冷却する水素ガス冷却用熱交換器５の構成を例に挙げて説明したが、冷却水Ｗ以外の任意の流体（任意の液体、および任意の気体）を「冷却用流体」として「処理対象の気体」と熱交換させる構成（図示せず）や、水素ガス以外の任意の気体を「処理対象の気体」として「冷却用流体」と熱交換させる構成（図示せず）を採用することができる。

【符号の説明】

【0103】

１００ 水素ガス給気システム
１ 多段圧縮装置
２ ガスタンク
３ ディスペンサー
４ クーリングタワー
４ａ，４ｂ 冷却水配管
５ 水素ガス冷却用熱交換器
１１ 第１段圧縮機
１２ 第２段圧縮機
１３ 第３段圧縮機
１４ 第４段圧縮機
１５ 第５段圧縮機
２０，２１ａ～２５ａ，２１ｂ～２５ｂ，２６，２７ 水素ガス配管
３０ 容器体
４１ 第１熱交換部
４２ 第２熱交換部
４３ 第３熱交換部
４４ 第４熱交換部
４５ 第５熱交換部
５１ａ，５１ｂ，６１ａ～６５ａ，６１ｂ～６５ｂ 配管接続部
７１ａ１，７１ｂ１，７１ａ２，７１ｂ２，７２ａ１，７２ｂ１，７２ａ２，７２ｂ２，７３ａ～７５ａ，７３ｂ～７５ｂ 伝熱コイル ７１ｔａ，７１ｔｂ，７２ｔａ，７２ｔｂ 分岐合流用金具
Ｗ 冷却水
Ｘ１ 水素ガス源
Ｘ２ 給気対象

【図1】

【図2】

【図3】