DE10042895B4

DE10042895B4 - Indirekter Wasserstoffabsorptionswärmetauscher

Info

Publication number: DE10042895B4
Application number: DE10042895A
Authority: DE
Inventors: Keiji Kariya Toh; Hidehito Kariya Kubo; Nobuo Toyota Fujita; Hiroyuki Mitsui
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: US6360811B1; JP3868162B2; JP2001091093A; DE10042895A1

Abstract

Gehäuse für einen indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher (1), um darin den indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher (1) zusammen mit wasserstoffabsorbierendem Legierungspulver unterzubringen, der mit Rippen (31) ausgestattete Wärmemediumrohrleitungsanordnungen (2) hat und mit einer im Wesentlichen rechteckigen Parallelepipedform gestaltet ist, das einen viereckigen Zylinderabschnitt (11) und Deckplatten (12, 13) zum Schließen von Öffnungen an der Vorder- und Hinterseite des viereckigen Zylinderabschnitts (11) aufweist, wobei die Ecken (11a) des viereckigen Zylinderabschnitts (11) und die Mitte (11b) jeder Seite davon eine Dicke haben, die größer als die von anderen Abschnitten ist und die anderen Abschnitte ohne Steigerung der Dicke eine gleich bleibende Dicke aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher, um darin den indirekten Wasserstoffabsortions Wasserstoffabsorptions-Wärmetauscher zusammen mit Wasserstoffabsorbierendem Legierungspulver unter zu bringen.

In der japanischen ungeprüften Patentoffenlegungsschrift (Kokai) JP 11-030397 A, die von der Anmelderin vorliegenden Erfindung eingereicht wurde, ist ein indirekter Wasserstoffabsorptionswärmetauscher offenbart, der hergestellt wird, indem ein abgedichtetes Gehäuse ein wasserstoffabsorbierendes Legierungspulver und einen indirekten Wärmetauscher enthält, und der Wasserstoffgas durch die Nutzung des Wasserstoffabsorptions/-desorptionsvorgangs eines wasserstoffabsorbierenden Legierungspulvers speichert.

Da der indirekte Wärmetauscher bei diesem indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher im Wesentlichen rechteckig ist, hat das abgedichtete Gehäuse einen Aufbau, bei welchem jede Öffnung eines viereckigen Zylinderabschnitts eine vorbestimmte Dicke hat und bei welchem ein im Wesentlichen rechteckiger Abschnitt mit einer Deckplatte verschlossen ist.

Bei dem herkömmlichen abgedichteten Gehäuse mit dem Aufbau, bei dem jede Öffnung des viereckigen Zylinderabschnitts durch die Deckplatte verschlossen ist, muss das abgedichtete Gehäuse eine große Dicke haben, um dem Anstieg eines In nendrucks zu widerstehen, der sich aus der Ausdehnung des wasserstoffabsorbierenden Legierungspulvers beim Absorbieren des Wasserstoffs ergibt. Daraus ergibt sich ein hohes Gewicht und es entsteht ein Problem, wenn der Wärmetauscher an einem Fahrzeug oder desgleichen montiert wird.

Ferner ist aus der FR 2 776 750 B1 ein quaderförmiger Behälter bekannt, der an seinen Seitenwänden durch Steigern der Wanddicke ausgehend von seinen Kanten in Richtung zur Mitte der entsprechenden Seitenwand hin eine Verstärkung aufweist, jedoch nicht aufzeigt, lediglich die Mitte und Ecken zu verstärken, wohingegen die Abschnitte dazwischen eine gleich bleibende Dicke behalten sollen. In sofern hat auch dieser bekannte Behälter das Problem eines erhöhten Gewichts sowie ggf. einer reduzierten Kapazität zur Aufnahme von Gehäusepulver.

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben beschriebene Problem gemacht und soll ein Gehäuse für einen indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher schaffen, welches das Gewicht reduzieren kann, während die Gehäusepulverkapazität sichergestellt wird.

Diese Aufgabe wird durch ein gattungsgemäßes Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Das Gehäuse für den indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen viereckigen Zylinderabschnitt, wobei jeder Abschnitt davon einstückig durch Formgießen oder Extrusionsformen ausgebildet ist, und eine Deckplatte zum Abdecken jeder Öffnung des viereckigen Zylinderabschnitts auf. Die Ecken des viereckigen Zylinderabschnitts und der Mittenabschnitt von jeder Seite, welche Spannungskonzentrationsabschnitte sind, sind mit einer größeren Dicke als die anderen Abschnitte gestaltet. Daher kann die vorliegende Erfindung ein Gehäuse schaffen, das dem Anstieg des Innendrucks ohne Steigerung der Dicke aller Abschnitte gemäß dem Stand der Technik widerstehen und das Gewicht reduzieren kann, während die Gehäusepulverkapazität sichergestellt wird.

Die vorliegende Erfindung kann mit der Beschreibung eines nachstehend dargelegten bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.
1 zeigt eine schematische Längsschnittansicht eines indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher in seiner Längsrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine teilweise Explosionsansicht einer Wärmetauschereinheit, die in 1 gezeigt ist;
3 zeigt eine Längsschnittansicht eines indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauschers in dessen seitlicher Richtung, der in 1 gezeigt ist;
4 ist eine horizontale geschnittene Draufsicht eines Abschnitts in der Nähe eines gemeinsamen Sammlers in 1; und
5 ist eine teilweise vergrößerte vertikale Schnittansicht eines abgedichteten Gehäuses des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Ein indirekter Wasserstoffabsorptionswärmetauscher gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erklärt.
Der indirekte Wasserstoffabsorptionswärmetauscher hat einen indirekten Wärmetauscher 1 mit einer Wärmetauschereinheit 1a, ein abgedichtetes Gehäuse 10 und nicht gezeigtes wasserstoffabsorbierendes Legierungspulver (Feststoff-Gas-Reaktionspulver), das in das abgedichtete Gehäuse 10 gefüllt ist.
Der indirekte Wärmetauscher 1 hat Wärmemediumrohrleitungsanordnungen bzw. flache Rohre 2, gewellte Rippen 3, rohrförmige Sammler 4, einen stromaufwärtigen Wärmetauschersatz 5, einen stromabwärtigen Wärmetauschersatz 6, einen gemeinsamen Sammler 7 und ein Gastransportrohr 8. Der stromaufwärtige Wärmetauschersatz 5 und der stromabwärtige Wärmetauschersatz 6 bilden zusammen die Wärmetauschereinheit 1a.
Das flache Rohr 2 weist eine große Zahl von kleinen Strömungsbahnen 20 auf, die unabhängig ausgebildet sind und die sich in eine längsgerichtete Richtung erstrecken, während sie zur rechten: und linken Seite ausgerichtet sind. Die gewellten Rippen 3 sind mit den oberen und unteren Flächen des flachen Rohres 2 verlötet bzw. hartverlötet. Die gewellte Rippe 3 weist eine große Zahl von Rippen auf, die sich in die längsgerichtete Richtung und in die vertikale Richtung erstrecken, und eine Blende bzw. ein Schlitz zum seitlichen Durchleiten des Wasserstoffs ist in jede Rippe geschnitten.
Wie in 3 gezeigt ist, weisen der stromaufwärtige Wärmeaustauschersatz 5 und der stromabwärtige Wärmeaustauschersatz 6 jeweils sechs flache Rohre 2 und sieben gewellte Rippen 3 auf, die in Höhenrichtung abwechselnd ausgerichtet sind. Die stromabwärtigen Wärmetauschersätze 6 sind an der linken Seite der stromaufwärtigen Wärmetauschersätze 5 mit vorbestimmten Abständen dazwischen angeordnet, wie in 3 gezeigt ist. Die gewellten Rippen 30 der obersten und untersten Stufen sind in vertikale Richtung halb so breit wie die gewellten Rippen 31 der mittleren Stufen.
Jeder rohrförmige Sammler 4 ist in der Nähe des hinteren Endes von jedem flachen Rohr 2 angeordnet, erstreckt sich in die Breitenrichtung (in die seitliche Richtung) des flachen Rohrs 2 und verbindet die hinteren Enden eines Paars flacher Rohre 2, die sich auf der gleichen Höhe befinden, wie die beiden Wärmetauschersätze 5 und 6. Daher sind insgesamt sechs rohrförmige Sammler 4 angeordnet, und ein vorbestimmter Abstand s zwischen dem angrenzenden Paar rohrförmiger Sammler 4 ist sichergestellt. Die flachen Rohre 2 und die gewellten Rippen 3 der mittleren Stufen werden teilweise in 2 weggelassen.
Es folgt eine genauere Erklärung. Wie in 2 gezeigt ist, ist jeder rohrförmige Sammler 4 an seiner Umfangswand mit einer Öffnung 41, in welches das flache Rohr 2 des stromaufwärtigen Wärmetauschers 5 eingepasst und hartgelötet wird, und mit einer Öffnung 42 ausgestattet, in welches das flache Rohr 2 des stromabwärtigen Wärmetauschersatzes 6 eingepasst und hartgelötet ist. Nicht gezeigte Stopfen dichten beide Enden des rohrförmigen Sammlers 4 ab.
Das abgedichtete Gehäuse hat einen im Wesentlichen viereckigen Zylinderabschnitt 11, der durch Extrusionsformen einer Aluminiumlegierung (z.B. JIS A7N01 (Japanischer Industriestandard)) gestaltet ist, eine Deckplatte 12 zum Schließen einer Öffnung an dem hinteren Ende des viereckigen Zylinderabschnitts 11, die an das hintere Ende des viereckigen Zylinderabschnitts 11 z.B. durch WIG-Schweißen geschweißt ist, und eine Deckplatte 13 zum Schließen einer Öffnung an dem vorderen Ende des viereckigen Zylinderabschnitts 11, die an das vordere Ende des viereckigen Zylinderabschnitts 11 geschweißt ist.
Die Dicke des viereckigen Zylinderabschnitts 11 ist an jedem Abschnitt von seiner Umfangswand verschieden, wie in 3 gezeigt ist. In den vertikalen und seitlichen Abschnitten sind die äußeren Ränder (äußeren Umfangsränder) 111a und die inneren Ränder (inneren Umfangsränder) 111b an den vier Ecken 11a mit vorbestimmten Krümmungsradien gekrümmt, um gekrümmte Ecken auszubilden. Die Dicke an den Ecken 11a zwischen den äußeren Rändern (äußeren Umfangsrändern) 111a und den inneren Rändern (inneren Umfangsrändern) 111b ist größer als die minimale Dicke jeder Seite 11b des viereckigen Zylinderabschnitts 11, wird maximal an der Mitte der Ecken 11a in der Umfangsrichtung und wird fortschreitend kleiner von dieser Mitte in der Umfangsrichtung in Richtung von im Wesentlichen flachen blattähnlichen Seiten an beiden Seiten. Die Dicke der vier Seiten 11b des viereckigen Zylinderabschnitts 11 ist ebenfalls in der Mitte jeder Seite in der Umfangsrichtung maximal und wird fortschreitend geringer in Richtung der Ecken 11a an beiden Seiten. Es wurde herausgefunden, dass eine solche Anordnung die Druckwiderstandsfähigkeit der Ecken 11a pro Gewichtseinheit verbessern kann.
Wenn mit anderen Worten der Innendruck ansteigt, schwillt die Mitte jeder Seite 11b nach außen an, wobei jede Ecke 11a ein Knotenpunkt ist. Dann wirkt die größte Zugspannung an der Mitte jeder Seite 11b in der Umfangsrichtung, während die größte Druckspannung an jeder Ecke 11a wirkt. Wenn daher die Dicke selektiv in der Mitte jeder Ecke 11a und jeder Seite 11b gesteigert wird, kann die Druckwiderstandfähigkeit im Vergleich mit einem Anstieg des Gewichts des viereckigen Zylinderabschnitts 11 merklich verbessert werden.
Das Simulationsergebnis der optimalen Dickenverteilung an jeder Umfangswand des oben beschriebenen viereckigen Zylinderabschnitts 11 wird weiter unter Bezugnahme auf 5 erklärt.
Wenn die Gestalt mit in 5 gezeigter Schnittfläche eingesetzt wird, so ist der maximale Spannungswert, der in dem abgedichteten Gehäuse 10 auftritt 9,21 kg/mm² bei einem Gasdruck von 10 kg/cm², wenn das Material eine Aluminiumlegierung (JIS A7N01-T5) ist. Dagegen beträgt sie 14,00 kg/mm², wenn der viereckige Zylinderabschnitt eine konstante Dicke hat. Gemäß dem in 5 gezeigtem Modell kann daher die Druckwiderstandsleistungsfähigkeit um ungefähr 30% im Vergleich mit der Schnittgestalt mit einer konstanten Dicke verbessert werden. Genauso werden die Innenraumkapazitäten beider Modelle als gleich angenommen.
Der gemeinsame Sammler 7 weist eine viereckige Dose bzw. einen viereckigen Kasten mit flachem Boden auf, die mit dem gesamten Randbereich der Deckplatte 13 auf eine solche Weise verschweißt ist, dass sie diese Deckplatte 13 abdeckt. Sie ist durch Aluminiumformgießen hergestellt. Der gemeinsame Sammler 7 hat eine Trennwand 70 an der Mitte in der seitlichen Richtung, wie in 4 gezeigt ist. Die Trennwand 70 teilt den abgedichteten Raum, der durch den gemeinsamen Sammler 7 und die Deckplatte 13 definiert ist, in zwei Teile in die seitliche Richtung und definiert einen abgedichteten Raum, der einen stromaufwärtigen gemeinsamen Sammler 71 ausbildet und einen abgedichteten Raum, der einen stromabwärtigen gemeinsamen Sammler 72 der vorliegenden Erfindung ausbildet.
Das Gastransportrohr 8 ist ein poröses Keramikfilterrohr, das durch eine Sinterbronze hergestellt ist, und ist mit einem nicht gezeigten externen Wasserstoffrohr verbunden. Die Bezugsnummer 9 bezeichnet einen Klemmplattenabschnitt, der den rohrförmigen Sammler 4 vertikal klemmt, der mit der inneren Fläche der Deckplatte 12 verschweißt ist.
Der Zusammenbau dieses Geräts wird nachstehend erklärt.
Die Deckplatte 13 mit Löchern zum Einsetzen der flachen Rohre 2, der gemeinsame Sammler 7 und der viereckige Zylinderabschnitt 11 werden verschweißt, um einen viereckigen Dosen- bzw. Kastenkörper auszubilden. Nachdem die Wärmetauschereinheit 1a in diesem viereckigen Dosenkörper untergebracht ist, wird das entfernte Ende jedes flachen Rohres 2 durch die Öffnungen 41, 42 des rohrförmigen Sammlers 4 eingesetzt.
Als nächstes wird das wasserstoffabsorbierende Legierungspulver durch die Zwischenräume zwischen den rohrförmigen Sammlern 4 sowie die Zwischenräume zwischen den rohrförmigen Sammlern 4 und der Umfangswand des viereckigen Zylinderabschnitts 11 hinzugefügt und zwischen die gewellten Rippen 3 gefüllt.
Die Deckplatte 12 wird dann durch WIG-Schweißen mit dem viereckigen Zylinderabschnitt 11 verschweißt und das abgedichtete Gehäuse 1 0 wird so definiert.
Der stromaufwärtige gemeinsame Sammler 71 und der stromabwärtige gemeinsame Sammler 72 in dem gemeinsamen Sammler 7 werden jeweils individuell mit Anordnungen zum Fördern eines flüssigen Wärmespeichermediums durch nicht gezeigte Rohre verbunden.
Im Folgenden wird der Betrieb erklärt.
Wenn das Wasserstoffgas in das abgedichtete Gehäuse 10 durch das Gastransportrohr 8 transportiert wird, wird das Wasserstoffgas durch das wasserstoffabsorbierende Legierungspulver absorbiert. Das wasserstoffabsorbierende Legierungspulver wird dann einem exothermen Vorgang unterzogen, und seine Wärme wird über die gewellten Rippen 3 und das flache Rohr 2 auf das Wärmespeichermedium in dem flachen Rohr 2 übertragen. Das Wärmespeichermedium überträgt die Wärme von dem stromaufwärtigen gemeinsamen Sammler 71 nach außen über das flache Rohr 2 des stromaufwärtigen Wärmetauschersatzes 5, den rohrförmigen Sammler 4, das flache Rohr 2 des stromabwärtigen Wärmetauschersatzes 6 und den stromabwärtigen gemeinsamen Sammler 2.
Wenn das Wasserstoffgas aus dem abgedichteten Gehäuse 10 über das Gastransportrohr 8 nach außen transportiert wird, gibt das wasserstoffabsorbierende Legierungspulver das Wasserstoffgas ab und wird einem endothermen Vorgang unterzogen. Wärme wird auf das Wärmespeichermedium innerhalb der flachen Rohre 2 über die gewellten Rippen 3 und das flache Rohr 2 übertragen. Das abgedichtete Gehäuse 10 hat einen Innendruck von einigen Atmosphären während des Betriebs, aber seine Druckwiderstandsfähigkeit ist auf das Mehrfache dieses Innendrucks festgesetzt, um Sicherheit zu gewährleisten.
Gemäß diesem Aufbau ist die seitliche Breite der gewellten Rippen 30 der obersten und untersten Stufen der gewellten Rippen 31 kleiner als die der gewellten Rippen 31 der mittleren Stufen in den seitlichen und vertikalen Abschnitten des viereckigen Zylinderabschnitts 11, wie in 3 gezeigt ist. Daher können die Ecken (auch "gekrümmte Ecken" genannt) des viereckigen Zylinderabschnitts 11 bis zu im Wesentlichen einem Viertelkreis mit einem vorbestimmten Radius der Krümmung gekrümmt sein, und die Druckwiderstandsfähigkeit des viereckigen Zylinderabschnitts 11 kann ohne Steigern der Dicke der gekrümmten Ecken des viereckigen Zylinderabschnitts 11 und anderer flacher blattähnlicher Abschnitte verbessert werden. Wie in 3 gezeigt ist, ist der indirekte Wasserstoffabsorptionswärmetauscher in der mit Aussparungen versehenen Form an dem Mittenabschnitt gegenüber der Mitte jeder Seite 11b des viereckigen Zylinderabschnitts 11 angeordnet.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das abgedichtete Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, aber es kann ebenso aus Edelstahl oder desgleichen hergestellt sein. Der viereckige Zylinderabschnitt 11 ist in Übereinstimmung mit dem Extrusionsgussverfahren erzeugt, aber er kann durch Formgießen oder desgleichen erzeugt werden.
Die Dicke kann örtlich dadurch erhöht werden, dass das Anschwellen des viereckigen Zylinderabschnitts 11 nach außen erlaubt wird.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Dicke örtlich in eine linsenähnliche Schnittgestalt erhöht, aber die Dicke kann in zwei oder mehr Stufen geändert werden. Der Umfangswandabschnitt des viereckigen Zylinderabschnitts 11, der sich in horizontale Richtung erstreckt, steht insbesondere den gewellten Rippen 3 gegenüber, wie in 3 gezeigt ist. Wenn daher die Dicke stufenartig geändert wird, muss die Feinabstimmung der Rippenlänge der gewellten Rippen 3 nicht in dem Fall durchgeführt werden, bei dem die entfernten Endabschnitte der gewellten Rippen in Kontakt mit dem Umfangsabschnitt des viereckigen Zylinderabschnitts 11 oder in die Nähe von diesem gebracht werden, der sich in die horizontale Richtung erstreckt.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein besonderes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, das zum Zweck der Darstellung ausgewählt wurde, sollte es klar sein, dass zahlreiche Abwandlungen vom Fachmann durchgeführt werden können, ohne von dem Konzept und dem Anwendungsbereich der Erfindung abzuweichen.
Das Gehäuse für den indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher der vorliegenden Erfindung weist den viereckigen Zylinderabschnitt auf, von dem jeder Abschnitt einstückig durch Formgießen oder Extrusionsformen ausgebildet ist. Die Ecken 11a dieses viereckigen Zylinderabschnitts 11 und die Mittenabschnitte von dessen Seiten 11b sind mit einer größeren Dicke als andere Abschnitte gestaltet. Das Gewicht des Gehäuses kann reduziert werden, während die Gehäusepulverkapazität sichergestellt wird.

Claims

Gehäuse für einen indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher (1), um darin den indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher (1) zusammen mit wasserstoffabsorbierendem Legierungspulver unterzubringen, der mit Rippen (31) ausgestattete Wärmemediumrohrleitungsanordnungen (2) hat und mit einer im Wesentlichen rechteckigen Parallelepipedform gestaltet ist, das einen viereckigen Zylinderabschnitt (11) und Deckplatten (12, 13) zum Schließen von Öffnungen an der Vorder- und Hinterseite des viereckigen Zylinderabschnitts (11) aufweist, wobei die Ecken (11a) des viereckigen Zylinderabschnitts (11) und die Mitte (11b) jeder Seite davon eine Dicke haben, die größer als die von anderen Abschnitten ist und die anderen Abschnitte ohne Steigerung der Dicke eine gleich bleibende Dicke aufweisen.
Gehäuse für einen indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Mittenabschnitts (11b) jeder Seite des viereckigen Zylinderabschnitts (11) sich fortschreitend vom Mittelpunkt bis zum Rand des jeweiligen Mittenabschnitts (11b) verringert.
Gehäuse für einen indirekten Wasserstoffabsorptionswärmetauscher (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der indirekte Wasserstoffabsorptionswärmetauscher (1) derart in den Gehäuseraum eingesetzt ist, dass seine seitlichen Mittenabschnitte dem jeweiligen Mittenabschnitt (11b) jeder Seite des viereckigen Zylinderabschnitts (11) gegenüberstehen.