(57)【要約】      （修正有）【課題】最先端技術の欠点を考慮している複合化された熱交換および流体混合装置を提供する。【解決手段】熱伝導性要素２が、高温ガスから冷流体へ熱を伝達するために、第１の管路４４と第２の管路５５との間に配置されている。装置は、排出流体を導く第３の管路４５をさらに含む。第３の管路４５は、排出流体を高温ガスと混合するために、かつ第２の管路５５内でのそのように形成された排出流体／高温ガス混合物の化学反応のために、排出流体を装置内に導入する排出流体入口４６を含む。第３の管路４５には、排出流体を第２の管路５５内へ通す２つ以上の開口部２１が設けられている。２つ以上の開口部は、装置における熱交換プロセスのための最大長手方向伸展部２２内に、かつ第２の管路５５に対して実質的に同一の長手方向位置に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合化された熱交換および流体混合装置において、
第１の管路（４４、４４’）であって、冷流体を前記第１の管路を通じて導き、冷流体入口（４７）および冷流体出口（４８、４８’）を含む、第１の管路（４４、４４’）と、
第２の管路（５５、５５’）であって、高温ガスを前記第２の管路を通じて導き、高温ガス入口（５２）および高温ガス出口（５３）を含む、第２の管路（５５、５５’）と、
前記高温ガスから前記冷流体へ熱を伝達するために、前記第１の管路（４４、４４’）と前記第２の管路（５５、５５’）との間に配置される熱伝導性要素（２、２’）であって、前記熱伝導性要素は、前記装置における熱交換プロセスのための最大長手方向伸展部（２２）を画定する長さ（Ｌ）を有する、熱伝導性要素（２、２’）とを含み、前記装置はさらに、
排出流体を導く第３の管路（４５、４５’）をさらに含み、前記第３の管路（４５、４５’）は排出流体入口（４６）を含み、前記排出流体を前記高温ガスと混合するために、かつ前記第２の管路（５５、５５’）内で、そのように形成された排出流体及び高温ガスの混合物の化学反応のために、前記装置内に前記排出流体を導入すべく、前記排出流体入口が、前記第３の管路（４５、４５’）の一方の端部に配置され、前記第３の管路（４５、４５’）には、当該第３の管路（４５、４５’）からの前記排出流体を前記第２の管路（５５、５５’）内に通す２つ以上の開口部（２１、２１’）が設けられており、前記排出流体を前記第２の管路内に導入する前記２つ以上の開口部（２１、２１’）は、前記装置における熱交換プロセスのための前記最大長手方向伸展部（２２）内に配置されており、前記２つ以上の開口部（２１、２１’）は、前記第２の管路（５５、５５’）に対して実質的に同一の長手方向位置に配置される、装置。
【請求項２】
前記排出流体入口（４６）は、前記装置における熱交換プロセスのための前記最大長手方向伸展部（２２）内に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記２つ以上の開口部（２１、２１’）は前記高温ガス入口（５２）の下流に配置されている、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記第３の管路（４５、４５’）は、前記第１の管路（４４、４４’）または前記第２の管路（５５、５５’）の方向に対して垂直な方向に配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の管路（４４、４４’）と前記第３の管路（４５、４５’）とは、前記熱伝導性要素（２）の同じ側に配置されており、前記２つ以上の開口部（２１、２１’）は前記熱伝導性要素（２）に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
流体密封分離要素（４３）が、前記第１の管路（４４）と前記第３の管路（４５）との流体密封分離のために、前記第１の管路（４４）と前記第３の管路（４５）との間に配置されている、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記第２の管路（５５’）と前記第３の管路（４５’）とは、前記熱伝導性要素（２、２’）の同じ側に配置されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記熱伝導性要素（２）は、第１の側板（１）と第２の側板（３）との間に配置されている熱伝導性平板であり、前記熱伝導性平板（２）ならびに前記第１の側板（１）および前記第２の側板（３）は、前記第１の側板（１）と前記熱伝導性平板（２）との間に第１の間隙（４）を形成しかつ前記熱伝導性平板（２）と前記第２の側板（３）との間に第２の間隙（５）を形成する互いに対する距離の所に配置されており、前記第１の間隙（４）は、前記第１の管路（４４）と前記第３の管路（４５）とに分離されており、前記第２の管路（５５）は前記第２の間隙（５）により形成されており、前記２つ以上の開口部（２１）は前記熱伝導性平板（２）に配置されている、請求項５または６に記載の装置。
【請求項９】
前記熱伝導性要素（２、２’）は、第１の側板（１）と第２の側板（３）との間に配置されている熱伝導性平板であり、前記熱伝導性平板（２、２’）ならびに前記第１の側板（１）および前記第２の側板（３）は、前記第１の側板（１）と前記熱伝導性平板（２、２’）との間に第１の間隙（４）を形成しかつ前記熱伝導性平板（２、２’）と前記第２の側板（３）との間に第２の間隙（５）を形成する互いに対する距離の所に配置されており、前記第１の管路（４４’）は前記第１の間隙（４）により形成されており、前記第２の管路（５５’）は前記第２の間隙（５）により形成されており、一方、前記第３の管路（４５’）は前記第２の管路（５５’）内に配置されている、請求項１から４または７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記２つ以上の開口部（２１、２１’）は前記第３の管路（４５、４５’）の長さに沿って配置されている、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記第２の管路（５５、５５’）は、前記排出流体／高温ガス混合物の酸化といったさらなる化学反応のための触媒活性要素（５４）を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記触媒活性要素（５４）の上流端部が、前記第１の管路（４４、４４’）の最下流位置に実質的に対応している位置に配置されており、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記冷流体入口（４７）および前記高温ガス出口（５３）は、前記装置の一方の端部に配置されており、
前記冷流体出口（４８）、前記高温ガス入口（５２）、前記排出流体入口（４６）、および前記２つ以上の開口部（２１、２１’）は、前記装置の反対側端部に配置されている、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２の管路（５５、５５’）の壁が、前記排出流体の前記高温ガスとの混合を支援する外形構造を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記装置は、
少なくとも１つのさらなる熱伝導性平板（２００）と、
少なくとも１つのさらなる側板（３００）と、を含んでおり、
前記少なくとも１つのさらなる熱伝導性平板（２００）および前記少なくとも１つのさらなる側板（３００）は交互に配置されており、前記側板と前記少なくとも１つのさらなる熱伝導性平板との間に少なくとも１つのさらなる第１の間隙および少なくとも１つのさらなる第２の間隙を形成しており、少なくとも１つのさらなる第２の管路は、前記少なくとも１つのさらなる第２の間隙により形成されており、前記装置は、
少なくとも１つのさらなる排出流体入口と、
前記排出流体を前記少なくとも１つのさらなる第２の管路内に導入する２つ以上のさらなる開口部とを含んでおり、前記２つ以上のさらなる開口部は、熱交換プロセスのための前記最大長手方向伸展部（２２）内に、かつ前記第２の管路に対して実質的に同一の長手方向位置に配置されており、
それらによって、複数積層の熱交換および流体混合装置を形成している、請求項８または９のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合化された熱交換および流体混合装置の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体混合器が、例えば自動車の排気システムの分野で周知である。触媒コンバータにおける排ガスの触媒反応を可能にするために、還元剤、通常はアンモニアまたは尿素、が排ガスと混合される。例えば米国特許出願公開第２００２／０１１６９１６号では、触媒コンバータの上流に、配管網が、還元剤を注入する注入装置に隣接して配置されている。該配管網は、排ガス／還元剤混合物の均一な分配を実現する。排気システムの流体混合器および触媒コンバータは、主として、排ガスからの窒素酸化物などの有害成分を除去するのに使用され、また、排ガスの触媒反応は、排ガス中に残存している残りの燃料を使い尽くすのに用いられる可能性がある。このプロセスで産生される反応熱が使用される場合、システムのエネルギー効率が高まる可能性がある。
【０００３】
燃料電池が高効率のエネルギーコンバータとして既知である。燃料電池では、例えば炭化水素燃料が、電気エネルギーと熱とに直接変換される。エネルギーシステムの全体的な効率を高めるために、燃料電池において産生される熱は、さらに加熱に使用されてもよい。特に、固体酸化物燃料電池（SOFC:solid oxide fuel cell）などの高温で動作する燃料電池は、発電および熱回収複合デバイスにおける用途に適した候補である。一般に、熱交換器が、さらなる使用のために冷流体を加熱する燃料電池の下流に配置されている。動作のために、ＳＯＦＣは、余熱酸化気体、特に空気を必要とする。この気体は、ＳＯＦＣ内に導入される前に、熱交換器内で余熱されてもよい。さらに、燃料電池内に導入された燃料が完全に使い尽くされていない場合、燃料電池を離れるそのような減損燃料が依然として燃料を含有している。減損燃料は、ここで、流体混合器内で、減損燃料／熱空気混合物を酸化するためにＳＯＦＣを離れる熱空気と混合されてもよい。該混合物は、次いで、熱交換器内に導かれる。熱空気からの熱および酸化反応からの反応熱は、熱交換器内で使用される。残念ながら、そのようなシステムは、スペースを必要としかつ製造コストが高いいくつかの個々の構成要素、例えば別個の流体混合器および別個の熱交換器、を含む。別の例が、別個のバーナと別個の熱交換器とから構成されているが、減損燃料は、別個の熱交換器の上流に配置されている前記別個のバーナ内で混合され、酸化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／０１１６９１６号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、最先端技術の欠点を考慮している熱交換および流体混合装置が提供される。特に、軽量化された、スペース節約型の、製造コストの低減を可能にする複合化された熱交換および流体混合装置が提供される。
【０００６】
本発明による複合化された熱交換および流体混合装置は、
−  冷流体を第１の管路を通じて導く第１の管路であり、冷流体入口および冷流体出口を含む、第１の管路と、
−  高温ガスを第２の管路を通じて導く第２の管路であり、高温ガス入口および高温ガス出口を含む、第２の管路と、
−  高温ガスから冷流体へ熱を伝達するために、第１の管路と第２の管路との間に配置されている熱伝導性要素であり、装置における熱交換プロセスのための最大長手方向伸展部を画定している長さを有する、熱伝導性要素と
を含み、
−  排出流体を導く第３の管路であり、排出流体を高温ガスと混合するために、かつ第２の管路内でのそのように形成された排出流体／高温ガス混合物の化学反応のために、排出流体を装置内に導入する排出流体入口を含み、第３の管路からの排出流体を第２の管路内に導入する２つ以上の開口部が設けられており、排出流体を第２の管路内に導入する２つ以上の開口部は、装置における熱交換プロセスのための最大長手方向伸展部内に配置されており、２つ以上の開口部は、第２の管路に対して実質的に同一の長手方向位置に配置されている、第３の管路と
をさらに含む。
【０００７】
熱伝導性要素により分離されている、冷流体を導く第１の管路および高温流体を導く第２の管路は、高温ガスから冷流体への熱交換プロセスのために配置されている。それにより、熱伝導性要素の長さは最大長手方向伸展部を画定しており、そこで装置における熱交換プロセスが起こる可能性がある。第１の管路および第２の管路が熱伝導性要素の全長に沿って配置されている場合、そのような最大長手方向伸展部が、高温ガスから冷流体への熱交換に効果的に使用され得る。
【０００８】
装置内へかつ第２の管路内へ排出流体を導入するために第３の管路の一方の端部に排出流体入口を設けることにより、流体混合は熱交換器に組み込まれる。装置における熱交換プロセスのための最大長手方向伸展部内で第３の管路からの排出流体を第２の管路内へ導入するために、第３の管路に２つ以上の開口部を配置することにより、排出流体は、装置の内側の領域で最も早く第２の管路内に導入され、そこで熱交換が起こる可能性がある。排出流体と高温ガスとの混合が、それぞれさらに下流で（高温ガス入口および第２の管路内の高温ガスの流動に対して下流で）、高温ガスから冷流体への熱交換プロセスが開始するのと同時に、またはそれより後で、開始する。例えばいくらかの熱が高温ガスから冷流体へ既に伝達されている時に混合を開始することは、高温ガス入口において高温ガスの温度が非常に高い場合に好ましい可能性があり、急速な化学反応、例えば排出流体の酸化、および例えば酸化プロセスなどの発熱化学反応による特に過剰な発熱は、防止されるかまたは減じられる。第２の管路に対して実質的に同一の長手方向位置に２つ以上の開口部を付加的に配置することにより、本発明による装置において、さらに制御された化学反応およびさらに制御された熱交換が実施され得る。第２の管路の実質的に同一の長手方向位置に２つ以上の開口部が配置されている場合、第２の管路内に注入される各流体が、最初に同じ高温ガス環境に遭遇する。さらに、開口部が実質的に同一の長手方向位置に配置されている場合、さらなる反応条件もまた、注入された流体に関して統一されていてもよい。例えば、注入された流体が第２の管路内の触媒活性部に到達した時、または高温ガスと混合され注入された流体が第１の管路の冷流体による冷却の効果に遭遇した時に、異なる開口部を通して注入された流体に関して実質的に同一である可能性がある。触媒活性要素により、化学反応が特定の長手方向位置または第２の管路内の領域で発生または開始するように誘発される可能性がある。これらの方策により、冷却流体を含む第１の管路が配置されていてもよく、冷却流体の温度は、第２の管路内での化学反応および熱産生が最大にまたは所望の水準に保たれるようになされていてもよい。第２のチャネルに対する開口部の実質的に同一の長手方向位置が、一般に、第２のチャネルの入口から測定される実質的に同一の長さまたは距離に対応している。しかし、１つまたは複数の屈曲を有する第２の管路では、同一の長手方向位置は、本質的に、横方向管路壁に対してまたは第２の管路内の流動方向に対して垂直な線に対応している。
【０００９】
開口部が第２の管路内の異なる長手方向位置に配置されている場合、より上流の位置で注入された流体または混合物が、この流体または混合物がより下流の孔を通過する前に、かつ該流体または該混合物が第２の管路内の触媒活性部に到達する前に、既に反応しているということが起こる可能性があるであろう。また、該流体または該混合物が、第１の管路の冷流体による冷却の効果に遭遇する前に反応することが起こる可能性がある。反応が発熱である場合、過剰な熱が産生され、そのような過熱され注入された流体または混合物は、より下流の位置で注入された流体と反応する。このことは、例えば注入された排出流体の燃焼につながる可能性があり、それにより装置がその破壊に至るまで損傷する可能性がある。記載されている開口部の配置により、注入された排出流体／高温ガス混合物の燃焼がもっぱら装置の冷却された領域において生じることが達成され得る。
【００１０】
流体混合と熱交換とを組み合わせることにより、熱交換器の上流に配置されている個々の流体混合器などの別個の構成要素が不要になる。このことにより、別個のデバイスが製造され組み立てられる必要がないので、製作コストおよび製造コストが低減される。さらに、両プロセスすなわち熱交換および流体混合は１つの装置に組み合わせられる。したがって、やはりハウジングが１つだけ必要であり、それは、例えば鋼鉄エンベロープであってもよい。このことにより、材料コストおよび重量がさらに低減され、特にまた、本発明による装置内で組み合わせられる個々の構成要素間に連結管が必要ないので、さらにスペースが節約される可能性がある。
【００１１】
用語「高温ガス」および「冷流体」は、本明細書においてガスおよび流体を記述するのに用いられており、その流体は気体、液体またはそれらの混合物であってもよく、ガスおよび流体は、熱交換器内での高温ガスから冷流体への熱伝達を可能にする。冷流体の温度は高温ガスの温度より低い。高温ガスと冷流体との間の温度差およびそれらの温度範囲に関して基本的に制限はないが、いくつかの好適な実施形態では、高温ガス入口における「高温ガス」の温度は、摂氏５００度と摂氏１０００度の間の範囲内、例えば摂氏約８００度である。いくつかの好適な実施形態では、冷流体入口における冷流体の温度は周囲温度であり、冷流体出口において摂氏数百度、例えば摂氏７００度、である。
【００１２】
排出流体は気体、液体または気体‐液体混合物であってもよい。混合は、排出流体入口または２つ以上の開口部の設計により支援されていてもよい。例えば、開口部はノズルとしての機能を果たしてもよく、または混合要素、例えば配管網、たわみ要素、または排出流体および高温ガスの流動中に乱流を発生させる他の障害物、が、第２の管路内に設けられていてもよい。排出流体が、例えば燃料電池からの減損燃料または自動車のエンジンの排ガスである。
【００１３】
好適な実施形態では、化学反応が排出流体の酸化、例えば燃料の酸化、である。それは、例えば、排出流体の触媒部分酸化プロセス（ＣＰＯＸ：catalytic partial oxidation process）であってよい。また、ＣＰＯＸは発熱化学反応である。そこでは、燃料‐空気混合物が部分的に燃焼し、その結果、水素に富むガスが形成される。本発明による装置内で生じる可能性がある化学反応に関する本例は、例えば、単一のデバイス内の燃料電池の動作のために水素を生成するのに用いられてもよい。化学反応の他の例が、燃料、好ましくは炭化水素の改質法である。これらの化学反応は、例として言及されているに過ぎない。さらなる化学反応は、排出流体のおよび高温ガスの組成物の内容物に左右される可能性がある。
【００１４】
化学反応、特に高温ガス中の排出流体の酸化反応を開始しかつ良い状態に維持するのに必要なエネルギーは、高温ガスのみにより送達されてもよい。酸化プロセスまたは別の発熱プロセスにより得られる熱が、酸化プロセスまたは第２の管路内で起こるその他の化学反応をさらに支援する。また、反応熱が高温ガスを加熱してもよく、次いで、高温ガスと共に、第１の管路内の冷流体を加熱する熱交換プロセスにおいて使用される
【００１５】
用語「装置における熱交換プロセスのために最大長手方向伸展部内に配置されている」は、ある特徴、例えば熱伝導性要素自体に配置されている２つ以上の開口部、に限定されない。該用語はむしろ装置内の領域を記述し、その領域は、熱伝導性要素の長さにより限定されている１つの寸法（または長さ）内にある。したがって、ある特徴の位置が「最大長手方向伸展部内に配置されている」は、熱伝導性要素の２つの長手方向端部の（もっぱら長手方向に対して）外側の領域に配置されていないが、例えば熱伝導性要素に平行な、この領域内に配置されている。
【００１６】
２つ以上の開口部は熱伝導性要素に配置されていてもよく、例えば熱伝導性平板の孔として作られていてもよく、または熱伝導性要素に平行であってもよく、例えば排出流体を導く別個の管路の壁に配置されていてもよく、その壁は（必ずしも）熱伝導性要素の一部とは限らない。２つ以上の開口部は、高温ガス入口の下流に配置されていることが好ましい。本発明による装置の好適な実施形態では、複数の開口部が第３の管路の長さに沿って配置されている。例えば、複数の開口部は、熱伝導性平板の幅全体または幅の一部などの、装置の幅全体または幅の一部に亘って配置されていてもよい。
【００１７】
第３の管路における２つ以上のまたは複数の開口部の設備により、前記複数の開口部を通過する排出流体の混合が支援される。すなわち排出流体は、いくつかの位置で高温ガス中に導かれる。第３の管路の長さに沿って複数の開口部を付加的に配置することにより、排出流体は、第３の管路の長さに沿って配置されている位置で高温ガス中に導かれ、第３の管路の長さは、装置の幅もしくは幅の一部、例えば熱伝導性要素または熱伝導性平板の幅もしくは幅の一部あるいは第２の管路の全幅、であってもよい。例えば、約１ｍｍの大きさの一列の孔が、好ましくは第２の管路の全幅に亘って均一に配置されていてもよい。例えば、一列の１０個または２０個の孔が、第２の管路に対して同一の長手方向位置に配置されていてもよい。
【００１８】
本発明による装置の態様によれば、排出流体入口は、装置における熱交換プロセスのための最大長手方向伸展部内に配置されている。このことにより、２つ以上の開口部ばかりでなく排出流体入口もが、最大長手方向伸展部内に配置されている。排出流体入口は、熱伝導性要素に平行に、例えば高温ガス入口に近接する、最大長手方向伸展部の一方の端部に、または最大長手方向伸展部の中心部に対して、もしくは一方の端部と中心部との間に、配置されていることが好ましい。このように、排出流体は、高温ガスからの熱伝達が既に開始している位置で、装置内に導入されてもよい。このことは、排出流体が熱伝導性要素を介して既に加熱されている可能性があるという点で、冷流体への熱伝達が高温ガスを既に冷却しておりかつ排ガスの急速な酸化もしくは他の発熱化学反応が防止もしくは最小化されるという点で、装置が小型式に構築されてもよいという点で、または前述の利点の組合せにより、有利である可能性がある。
【００１９】
排出流体は、排出流体入口で装置内に導かれ、第３の管路内で第３の管路の２つ以上の開口部へ導かれる。２つ以上の開口部は、排出流体が高温ガス中に直接導入されるように、高温ガス入口の下流に配置されていてもよく、排出流体が第２の管路内に導入されるとすぐに、排出流体と高温ガスとの混合が起こる。高温ガスの流動は、第２の管路内の高温ガスの流動方向に沿って排出流体を運ぶ。
【００２０】
本発明による装置の態様では、第３の管路は、第１の管路または第２の管路の方向に対して垂直な方向に配置されている。第１の管路もしくは第２の管路のどちらかまたは両方に対する第３の管路の垂直な配置により、第１の管路内もしくは第２の管路内のまたは第１の管路もしくは第２の管路に隣接した、第３の管路のスペース節約型の配置が達成されてもよい。第３の管路は、第１の管路または第２の管路それぞれの長さを著しく短縮しないまたはしないに関わらず、装置内に配置され得る。さらに、垂直配置により、装置の幅または幅の一部に亘って延在している複数の開口部の設備、および第２の管路の全幅または幅の一部に沿って排出流体を高温ガス中に導入することが可能になり、それにより、排出流体と高温ガスとの混合を支援する。第３の管路および第２の管路が互いに対して垂直に配置されている場合、第３の管路の長さに沿って配置されている開口部の線は、第２の管路の同一の長手方向位置に同時に配置されている。そのような配置により、本発明による装置の個々の要素の製造が容易になる。
【００２１】
本発明による装置の態様によれば、第１の管路および第３の管路は、熱伝導性要素の同じ側に配置されており、第３の管路から第２の管路内への排出流体の通過のための２つ以上の開口部は、熱伝導性要素に配置されている。この配置により、冷流体および排出流体は、熱伝導性要素の同じ側で、それぞれ第１の管路および第３の管路内で導かれる。冷流体および排出流体のための別個の管路が、簡単な構築手段により実現され得る。さらに、排出流体は、化学反応、特に例えば排出流体を高温ガスと混合する前の酸化などの発熱化学反応を防止または制限しながら、熱交換器の「冷たい」側で装置内に導入されてもよい。熱伝導性要素の２つ以上の開口部を介して排出流体を通すことにより、第２の管路には何らの障害もない可能性がある。高温ガスの低密度に因り、第２の管路内のそのような障害は、第２の管路に亘る圧力低下につながる可能性が考えられる。
【００２２】
第１の管路と第３の管路との間に、第１の管路と第３の管路との流体密封分離のための流体密封分離要素が配置されていてもよい。第１の管路および第３の管路は、流体が第１の管路から第３の管路へおよびその逆に交換されないように、互いに隣接して配置されておりかつもっぱら流体密封分離要素により分離されていることが好ましい。分離要素が、例えば棒の形態のスペーサであってもよい。また、そのようなスペーサは、管路の寸法、例えば管路の高さまたは厚さ、を画定していてもよい。
【００２３】
本発明による装置の別の態様によれば、第２の管路および第３の管路は、熱伝導性要素の同じ側に配置されている。そのような配置により、２つ以上の開口部の配置に柔軟性がもたらされ、そこで排出流体が第２の管路に進入しかつ高温ガスと実際に混合する。例えば第３の管路を高温ガス入口のある程度の下流に、例えば高温ガス入口に隣接してまたは第２の管路の長さの半分付近に、配置することにより、熱伝達および反応プロセスが最適化される可能性がある。第３の管路が高温ガス入口のさらに下流に配置されている場合、高温ガスの温度は既に冷やされている。それにより、発熱化学反応のための温度が所望の範囲内に維持され得る。また、高温ガス入口における高温ガスの温度は、排出流体入口においてまたは２つ以上の開口部において過剰な化学反応を引き起こすことなく、既により高い可能性がある。
【００２４】
さらに、第３の管路および第２の管路を熱伝導性要素の同じ側に配置することにより、冷流体を導く第１の管路が延長されてもよい。第１の管路は、例えば熱伝導性要素の全長が熱交換プロセスに使用されてもよいように、特に、本質的に装置の完全な長さまで延長されてもよい。
【００２５】
本発明による装置のさらなる態様によれば、熱伝導性要素は、第１の側板と第２の側板との間に配置されている熱伝導性平板である。熱伝導性平板ならびに第１の側板および第２の側板は互いにある距離の所に配置されており、第１の側板と熱伝導性平板との間に第１の間隙を形成しており、熱伝導性平板と第２の側板との間に第２の間隙を形成している。
【００２６】
平板熱交換器が、熱伝達に有用なそれらの大表面積に因り非常に効果的である。平板構成の製造は都合が良く、複数積層に容易に拡張され得る。さらに、熱交換平板の一方の側に２つの管路をかつ熱交換平板の反対側に１つの管路を設けることにより、付加的なおよび別個の冷却／加熱のための管路用のさらなる平板も別個の排ガス流のための管路用のさらなる平板も不要である。このことにより、製造が簡略化され、本発明による装置は非常に小型化される。
【００２７】
本態様による一実施形態では、第１の間隙は、流体密封分離要素により第１の管路と第３の管路とに分離されている。第２の管路は第２の間隙により形成されており、２つ以上の開口部は熱伝導性平板に配置されている。流体密封分離要素により分離されている第１の間隙では、間隙の一部分が第１の管路を形成しており、間隙の別の部分が第３の管路を形成している。排出流体が熱伝導性平板の一方の側から熱伝導性平板の他方の側へ通り、第２の管路内の高温ガス中に入るために、２つ以上の開口部は熱伝導性平板に配置されている。この配置では、第２の間隙は第２の管路を形成している。その中では高温ガスが、本質的に邪魔されずに、高温ガス入口から高温ガス出口まで流動している可能性がある。
【００２８】
また、第３の管路は第１の管路に組み込まれていてもよい。これにより、第１の管路が、熱伝導性要素の長さまたは長さの一部に亘って延在していてもよい。
【００２９】
本態様による別の実施形態では、第１の管路は第１の間隙により形成されており、第２の管路は第２の間隙により形成されており、一方、第３の管路は第２の管路内に配置されている。第３の管路を第２の管路内に組み込むことにより、第２の管路内に第３の管路の存在がない場合と異なり、同じ長さを有する第２の管路を実現することが可能になり、その長さは熱伝導性平板の長さに対応していることが好ましい。高温ガスは、次いで、第３の管路を通過して流動し、それにより乱流が生じる可能性があり、第３の管路から放出される排出流体の第２の管路内の高温ガスとの混合を支援し得る。
【００３０】
本発明による装置のさらなる態様によれば、第２の管路は、排出流体／高温ガス混合物の酸化などのさらなる化学反応のための触媒活性要素を含む。
【００３１】
排出流体／高温ガス混合物の酸化プロセスなどの化学反応をさらに支援するために、または高温ガスの温度が化学反応に十分でない場合に備えて、または排出流体を完全に反応させるために、触媒活性要素が第２の管路内に配置されていてもよい。そのような触媒活性要素は、第２の管路の限られた領域に配置されていてもよく、排出流体入口の下流にかつ特に２つ以上の開口部の下流に配置されていてもよい。触媒活性要素が、反応熱を熱交換プロセスに活用するために、例えば第２の管路の中央部に配置されていることが好ましい。用語「中央部」は、第２の管路の領域を定義していることが好ましく、その領域は、第２の管路の全長の約５０％に亘って延在しており、かつ第２の管路の長さ半ば辺りに配置されている。しかし、また、触媒活性要素は、例えば第１の管路の位置に対応するほど、または排ガスの注入位置に実質的に直接対応するほど、遥か上流に配置されていてもよい。
【００３２】
触媒活性要素が、第２の管路の壁の部分の触媒活性被覆であってもよい。被覆が、第２の管路内の流体流の抵抗を高めないかまたは顕著に高めない。さらに、被覆が、装置の組立て前に管路壁に施されてもよい。
【００３３】
本発明による装置のある態様によれば、冷流体入口および高温ガス出口は、装置の一方の端部に配置されており、冷流体出口、高温ガス入口、排出流体入口、および２つ以上の開口部は、装置の反対側端部に配置されている。装置のある端部が、特に、装置の最上部であってもよく、装置の反対側端部が、装置の底部であってもよい。
【００３４】
冷流体および高温ガスのための入口と出口とを装置の両端部にそれぞれ配置することにより、熱交換プロセスの２つの流体は、装置を通して逆流方向に導かれる。これは、高温ガスから冷流体へ最大限に熱伝達するための熱交換器において好ましい流動方向である。さらに、両端部に管路の入口と出口とをそれぞれ配置して、装置の最大伸展部（最大で熱伝導性要素の全長）が、熱交換プロセスに使用されてもよい。高温ガス入口とは異なり、排出流体入口および２つ以上の開口部を装置の同一端部に配置することにより、第２の管路の長さの大部分が、排出流体と高温ガスとの混合に、該混合物の酸化に、かつ冷流体への熱伝達に使用されてもよい。
【００３５】
最上部および底部に入口および出口を配置することにより、冷流体および高温ガスまたは混合物はそれぞれ、本質的に上から下のかつ下から上の流動方向を有する。しかし、水平の流動方向または任意の他の傾斜した流動方向もまた、本発明による装置で実行可能である。
【００３６】
端部における入口および出口の配置が、前述の通り逆流用途に好ましいばかりではない。同一流動の配置または交差流動の配置もまた、用途に応じて好適である可能性がある。例えば、同一流動の配置では、高温ガスおよび冷流体が本質的に平行に流れる。したがって、同一流動の配置では、高温ガスと冷流体との間にある熱伝導性要素の温度がむしろ均一である。このことは、およそ一定の温度で大表面上で化学反応が起こることを可能にするために好ましい可能性がある。
【００３７】
用語「端部」および「反対側端部」、ならびに「最上部」および「底部」は、本発明による装置の領域を定義しており、その領域は、装置の２分の１（上方の半分、下方の半分）に亘って延在しており、好ましくは、装置の一方の端部または反対側端部（底部、最上部）で始まる、装置の３分の１（最上部３分の１、最下部３分の１）に亘って延在している領域、および装置の中央の方向に延在している領域を画定している。そこにおいて、装置は、上から下の配置において垂直に配置されている長手方向軸を画定している。
【００３８】
本発明による装置のさらなる態様によれば、第２の管路の壁が、排出流体の高温ガスとの混合を支援する外形構造を含む。外形構造は、排出流体と高温ガスとの混合を支援する第２の管路内に旋回効果を生じさせて、したがって排出流体の酸化プロセスに良い影響を与えるのに使用されてもよい。
【００３９】
外形構造は、第２の管路の壁または壁の部分の表面構造であってもよい。外形構造はまた、外形を造られた壁であってもよい。外形構造の例が、粗面、表面上の窪み、刻み目、ばりもしくは溝、または型打ちされた波様のまたは「山形の」模様である。外形構造はまた、例えば熱伝導性要素の表面を拡大し、したがって熱交換を助長する。
【００４０】
本発明による装置のある態様によれば、装置は、少なくとも１つのさらなる熱伝導性平板と、少なくとも１つのさらなる側板と、少なくとも１つのさらなる排出流体入口とをさらに含む。少なくとも１つのさらなる熱伝導性平板と少なくとも１つのさらなる側板とは交互に配置されており、側板と少なくとも１つのさらなる熱伝導性平板との間に少なくとも１つのさらなる第１の間隙および少なくとも１つのさらなる第２の間隙を形成している。少なくとも１つのさらなる第２の管路は、少なくとも１つのさらなる第２の間隙により形成されている。排出流体を少なくとも１つのさらなる第２の管路内に導入する２つ以上のさらなる開口部が、熱交換プロセスのための最大長手方向伸展部内に、かつ第２の管路に対して実質的に同一の長手方向位置に配置されている。該配置は、それにより、複数積層の熱交換および流体混合装置を形成している。
【００４１】
本発明による装置の平板配置は、装置の容易な拡張を可能にして、並行に配置されている複数積層の熱交換および流体混合装置を形成する。それにより、同一要素は、熱交換平板と側板とが交互に配置されているように、互いに隣接して積み重ねられている。各管路を含む間隙もまた、交互に配置されている。このことにより、複数の複合混合器および熱交換器の非常に小型の構成が製造され得る。複数積層装置では、対応する入口および出口が各コレクタまたはマニホールドにおいて連結されていることが好ましい。例えば、複数のＮ個の高温ガス出口を有する複数積層では、Ｎ個の高温ガス出口は、１つのコレクタのみに連結されている。このことにより、本発明による装置の他のデバイスへの接続が簡単になる。
【００４２】
本発明による装置は費用効率の高い方法で製造され得るが、この費用効率は、本発明による装置の複数積層が製造される場合に遥かに感知できる。平板は２種類だけ製造されなければならず、それらは、加圧形成または切削により形成されてもよい。また、同じさらなる分離要素が使用されてもよい。流体混合は熱交換に組み込まれているので、エンベロープは、１つの装置または熱交換と流体混合とを組み合わせている複数積層の装置に１つだけ必要である。装置は単一の構成要素として製造されるので、別個の流体混合器を熱交換器に連結するための組立てコストは不要である。
【００４３】
本発明による装置は、１つまたは複数の燃料電池と組み合わせて組合せで使用されることが好ましい。そのような燃料電池の例が、固体酸化物燃料電池（SOFC）、アルカリ燃料電池（AFC:alkali fuel cell）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC:molten carbon fuel cell）、およびリン酸型燃料電池（PAFC:phosphoric acid fuel cell）である。この組合せは、燃料電池の一例示的種類として、固体酸化物燃料電池（SOFC）により説明されている。ＳＯＦＣは、それらの高い効率性に因り触媒エネルギー変換に好ましい。それらは高温（摂氏５００度〜摂氏１０００度）で動作するので、燃料ガスが燃料電池内で使用され得る前に、水素を得る炭素を含有する燃料ガスの事前改質は不要である。しかし、一般的な空気または酸素中の酸化剤は、ＳＯＦＣに供給される前に余熱される必要がある。ＳＯＦＣを離れる高温減損空気からの熱が、その熱交換機能を備えた、本発明による装置においてさらに使用されてもよく、本発明による装置内で加熱された冷流体が、ＳＯＦＣ用の余熱空気として直接使用されてもよい。さらに、ＳＯＦＣを離れる減損燃料中に残存している燃料は、また、ＳＯＦＣの減損燃料出口を排出流体入口と連結することにより使用されてもよい。
【００４４】
したがって、ＳＯＦＣの各入口および各出口は、本発明による装置の各入口および各出口に連結されていてもよい。そこでは、第１の管路の冷流体出口が、固体酸化物燃料電池の空気入口に連結されており、固体酸化物燃料電池の空気出口が、第２の管路の高温ガス入口に連結されている。固体酸化物燃料電池の減損燃料出口が排出流体入口に連結されている。本発明による装置の冷流体入口および高温ガス出口は、別のデバイスおよび装置に連結されてはいけないが、環境に対して開いたままになっていてもよい。
【００４５】
特に本発明による装置が周囲温度より上のある一定の動作温度に到達しなければならないデバイス、例えば高温で動作する燃料電池、に連結されている用途では、排出流体もまた減損されない燃料であり得る。例えば燃料を酸化することにより産生される反応熱は冷流体と交換され、該冷流体は、減損燃料と比較して燃料のより高いエネルギー密度に因り急速に加熱される。従来の用途では、特別な開始バーナ、例えばガスバーナまたは電気バーナ、が使用されて、高温ガスを摂氏２０度から摂氏約８００度に予熱し、その高温ガスは、次いで、熱交換器内に導入されてもよい。本発明による装置との組合せでは、開始バーナが省かれてもよく、（電力消費量の少ない）より簡単な構造を有し得るように、または通常の開始バーナが減少したサービス時間の間、例えば高温ガスを摂氏約２００度の温度まで予熱するだけのほんの数分の間、使用されてもよいように、動作の開始時に少量の（非減損）燃料が使用されてもよい。
【００４６】
本発明による装置の以下の実施形態は、添付図面により示されている。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】装置の実施形態の分解図である。
【図２】入口および出口にコレクタを備えた、図１の実施形態のさらなる図であり、図１の場合と同様の平板積層の端から端までの正面図である。
【図３】入口および出口にコレクタを備えた、図１の実施形態のさらなる図であり、線Ａ−Ａに沿った長手方向切断側面図である。
【図４】入口および出口にコレクタを備えた、図１の実施形態のさらなる図であり、図３の詳細Ｂの拡大図である。
【図５】装置の別の実施形態の略図である。
【図６】図５の実施形態の横断面図である。
【図７】熱交換平板の一列の開口部を通して高温ガス中に導入された流体のシミュレーションの図である。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
図１では、平板熱交換器および流体混合器の実施形態が示されている。３枚の平板１、２、３は、互いに隣接し向かい合って配置されている。平板は、平板１、２、３の間に間隙４、５を形成するスペーサ４１、４２、４３、５１により距離が置かれている。第１の間隙４が、第１の平板１と第２の（中間の）平板２との間に形成されており、第２の間隙５は、第２の平板２と第３の平板との間に形成されている。第２の間隙５は、高温ガス（高温ガスの流動方向は暗色矢印５６で示されている）、例えば熱空気、を第２の管路５５を通して導くために設けられている第２の管路５５を形成している。第１の間隙４は、スペーサ４３により上部と下部とに分割されている。第１の間隙４の上部は、冷流体（冷流体の流動方向は長い淡色矢印４９で示されている）、例えば冷気、を第１の間隙４を通して導くために設けられている第１の管路４４を形成している。第２の平板２は、第２の管路５５内で導かれている高温ガスから第１の管路４４内で導かれている冷流体へ熱を伝達するために、熱伝導性材料を含むかまたはそれで作製されている熱伝導性平板である。熱伝導性平板２の長さＬは、装置における熱交換プロセスのための最大長手方向伸展部２２を画定している。この装置は熱交換器として作動する。
【００４９】
第１の間隙４の下部は第３の管路４５を形成している。第３の管路を分離しているスペーサ４３は水平に配置されていることが好ましく、熱伝導性平板２の全幅Ｗに亘って延在している。このスペーサ４３は、好ましくは、第１の管路４４と第３の管路４５との間に気密および流体密分離を形成することなどのために、配置されている。第３の管路４５は、排出流体（排出流体の流動方向は小矢印４２で示されている）、例えば排ガスまたは減損燃料、を導くために設けられている。
【００５０】
熱伝導性平板２には、複数の開口部２１、例えばミシン目線、が設けられている。この線は、第３の管路４５の長さに沿って延在していることが好ましく、該長さは、熱伝導性平板２の幅Ｗに対応している。開口部２１は、図１の実施形態の同一の長手方向位置に一列に配置されている。これは、排ガス４２が同一の長手方向位置で、または、第２の管路が真っ直ぐな管路であることに因り、高温ガス入口５２から測定される第２の管路５５の長さの所で、第２の管路５５内に導入されるように、第２の管路５５の同一の長手方向位置に対応している。注入された排ガス４２が、注入後実質的に同時に、排ガス４２が注入される開口部２１とは無関係に、冷流体により冷却される領域および触媒活性部５４に到達する。このことにより、第２の管路５５の高温ガス中への排ガスの制御された注入が実現され得る。開口部２１は、幅Ｗ全体に亘って均一に分布していることが好ましく、排出流体の高温ガスとの一様な完全な混合を支援し、制御された化学反応および本発明による装置内での熱交換をさらに支援する。
【００５１】
排出流体は、装置の底部にかつ第１の間隙４の前面に配置されている排出流体入口４６により、第３の管路４５に進入する（図１に関して）。排出流体は、熱伝導性平板２の複数の開口部２１を通って第３の管路４５を離れ、第２の管路５５に進入する。排出流体は、第２の管路内で流動している高温ガスと混合する（この混合は、淡色矢印に変化する暗色矢印５６で示されている）。高温ガスは、高温ガス入口５２により第２の管路５５に進入し、装置の上側面へ、高温ガス出口５３まで流動する。存在する可能性がある、今は冷却されている高温ガスおよび任意の反応生成物、例えば水、二酸化炭素等、が、高温ガス出口５３により第２の管路５５を離れる。
【００５２】
高温ガス入口５２は装置の下側面に配置されており、本質的に下側面の全幅に亘って延在している。高温ガス出口５３は装置の上側面に配置されており、本質的に上側面の全幅に亘って延在している。
【００５３】
排出流体入口４６および複数の開口部２１は装置の底部に配置されている。このことにより、排出流体の高温ガスとの混合は、装置の一方の端部で開始し、排出流体／高温ガス混合物は、第２の管路５５の長さの大部分に沿って導かれる。そこでは、熱交換平板２の表面の大部分が、高温ガスから冷流体への熱交換平板を介した熱交換に使用される可能性があり、第２の管路５内で混合が費やすほとんどの時間が、化学反応、好ましくは酸化プロセスなどの発熱化学反応に使用される可能性がある。
【００５４】
排出流体が酸化されることを確実にするために、例えば高温ガスの温度が酸化反応を開始および維持するのに十分でない場合、第２の管路５５には、触媒活性部５４、例えば第３の平板３の表面上の触媒活性被覆、が設けられている。この触媒活性部５４は、複数の開口部２１の（高温ガスの流動方向に対して）下流に配置されている。触媒活性部５４は、完全な混合を可能にしかつ依然として熱交換プロセスにおいて排出流体の酸化反応により産生される反応熱を活用するなどのため、第２の管路５５の中央部分に亘って延在していることが好ましい。
【００５５】
冷流体は、装置の最上部にかつ第１の間隙４の後側に配置されている冷流体入口４７により第１の管路４に進入する（図１に関して）。冷流体は、第１の管路４４を通るその流動中に、熱伝導性平板２の反対側で第２の管路５５内で導かれる高温ガスにより加熱される熱伝導性平板２によりもたらされる熱によって加熱される。簡単にするために熱交換および流体混合装置に進入する前にかつそれを離れた後に冷流体と名付けられている冷流体は、例えば摂氏数百度まで加熱される。冷流体は、装置の底部にかつ前面に配置されている冷流体出口４８により第１の管路４４を離れる（図１に関して）。この加熱された冷流体は、例えば空気調節における熱源として、または好適な実施形態では燃料電池のための余熱空気源として、さらに使用されてもよい。
【００５６】
触媒活性要素５４の上流端部が、第１の管路４４の最下流長手方向位置に直接対応していてもよい。このことにより、第２の管路５５内での反応が、装置の特定の長手方向位置でのその開始またはさらなる支援により制御される。さらに、反応熱は、第１の管路内の冷流体により直接取り去られる。すなわち、第２の管路内で過剰な熱は産生されず、それは直接かつまた制御された方法で連れ去られない。
【００５７】
図２から図４では、入口および出口にコレクタ４７〜６１を含む、取り付けられた状態にある図１の装置が示されている。図１の場合と同じ参照番号が、同一のまたは類似した特徴に使用されている。
【００５８】
図１および図２では、全ての入口および出口が、熱交換のための最大長手方向伸展部２２内に配置されている（高温ガスの入口および出口は、伸展部２２の最外端部に配置されている）。図２および図３では、高温ガス入口コレクタ５８および高温ガス出口コレクタ５７が、装置の長手方向に対して最大長手方向伸展部２２に隣接して、例えば高温ガス流に対して伸展部２２の上流または下流に、配置されている。そのようなコレクタは、複数積層として構築されている装置に使用されることが好ましい。例えば、また、複数Ｎの第２の管路５５を有する本発明による装置が、複数のＮ個の高温ガス出口５３を含む。しかし、複数のＮ個の高温ガス出口５３は、１つの高温ガス出口コレクタ５７において１つにまとめられる。同じことは、等しく、高温ガス入口５２、冷流体入口４７および冷流体出口４８、ならびに排出流体入口４６に適合されてもよい。そこでは、複数の第２の管路の数Ｎ、複数の第１の管路の数Ｍ、および複数の第３の管路の数Ｌは、互いに等しいかまたは異なる可能性がある。
【００５９】
図２の装置の透視図は個々の流体の流動を示す。暗色矢印５６で示されている高温ガスは、装置の下側面全体に亘ってかつ若干外側にまたは最大長手方向伸展部２２の上流に配置されている高温ガス入口コレクタ５８において装置に進入し、上流に流動し、やはり装置の上側面全体に亘ってかつ若干外側にまたは最大長手方向伸展部２２の下流に配置されている高温ガス出口コレクタ５７において装置を離れる。淡色矢印４９で示されている冷流体は、高温ガス出口コレクタ５７の真下のかつ最大長手方向伸展部２２内の、装置の一方の側（図２の左側）の装置の最上部に配置されている冷流体入口コレクタ５９において装置に進入する。スペーサ４１が、装置の最上部に対して第１の管路４４を遮断している。冷流体は下流に流動し、装置の底部のかつ最大長手方向伸展部２２内の、装置の反対側（図２の右側）に配置されている冷流体出口コレクタ６０において装置を離れる。冷流体出口コレクタ６０は、排出流体入口コレクタ６１の上方に、排出流体入口コレクタ６１からスペーサ４３の距離だけ距離をおいて配置されている。排出流体入口コレクタ６１は、冷流体出口コレクタ６０と装置の同じ側（図２の右側）にかつ最大長手方向伸展部２２内に配置されているが、底部に、しかし冷流体入口コレクタ５９の側に配置されている可能性もあるであろう。
【００６０】
図３の詳細Ｂの拡大図であり、それ自体が、明確にするために単一の積層のみに関して示されている図２の線Ａ−Ａに沿った横断面図である図４に示されている通り、排出流体は、第１の平板１と熱伝導性平板２と上方スペーサ４３と下方スペーサ４１との間に形成されている、第３の管路４５内で流動する。排出流体は、複数の開口部２１を通過し、該複数の開口部は、一列にかつ熱伝導性平板の同一の長手方向位置または長さに配置されている。排出流体は、次いで、第２の管路５５に進入し、高温ガスと混合し、触媒活性部５４を通過する。酸化生成物が、高温ガス出口５３または高温ガス出口コレクタ５７それぞれを通って高温ガスと共に装置を離れる。
【００６１】
第２の管路内の高温ガスの流動は攪乱されないままであるため、冷流体の側で排出流体を導くことが好ましい。高温ガスは、一般に、非常に低密度であるので、流路内の障害が、高温ガス管路に亘って望ましくない圧力低下を引き起こす可能性がある。
【００６２】
管路の入口および出口はコレクタで終端し、本実施形態では、熱交換器本体を形成している基本的に長方形平面１、２、３の上方にかつ外側方向に延在している界面として実現されている。そのような界面により、例えば本発明による装置が連結され得る燃料電池または他のデバイスなどのエネルギーコンバータの対応する入口および出口への連結が簡単になる。
【００６３】
図５および図６では、本発明による装置の別の実施形態が示されており、第３の管路４５’は、高温ガスを導く第２の管路５５’内に配置されている。該装置は、熱交換プロセスのための冷流体／高温ガスの流動が、長方形平板の長さに沿って逆流の左−右／右−左方向に生じるように、水平状態に配置されている。やはり、同じ参照番号が、同一のまたは類似した特徴に使用されている。太い暗色矢印５６が高温ガス流を示し、細い暗色矢印４９が冷流体流を示し、小矢印４２が排出流体流を示す。
【００６４】
本実施形態では、熱伝導性平板２’との接触による、高温ガスから冷流体への熱交換プロセスが、最大長手方向伸展部２２に亘って起こる。対応するコレクタ５８を備えた高温ガス入口５２および対応するコレクタ５７を備えた高温ガス出口５３、ならびに対応するコレクタ６０’を備えた冷流体入口４７および対応するコレクタ５９を備えた冷流体出口４８は最大長手方向伸展部２２の端部に配置されているので、該熱交換プロセスは、熱交換平板の全長Ｌに亘って起こる。
【００６５】
排出流体入口コレクタ６１’または少なくとも１つの排出流体入口４６は、装置の長さ中間付近にまたは熱伝導性平板２’の長さＬの半分付近に配置されている。第３の管路４５’は第２の管路内に組み込まれており（図６参照）、第２の管路５５’の幅および熱伝導性平板２’の幅Ｗに亘って延在している。第３の管路４５’は第２の管路５５’に対して垂直に配置されており、熱伝導性平板２’と第２の側板３との間の第２の間隙５の幅の約半分に亘って延在している。第２の間隙の幅の他方の半分では、高温ガスが第３の管路４５’を通過して流動している。第３の管路４５’には、第３の管路の長さに沿って複数の開口部２１’が設けられており、第２の管路に対して下流側にかつ同一の長手方向位置に配置されている。これにより、第３の管路内の排出流体は第３の管路を離れ、第２の管路の幅全体に亘るいくつかの位置で、第２の管路５５’の高温ガスに進入する可能性がある。第３の管路は、高温ガスの経路内に障害物を形成しており、高温ガスおよび排出流体を旋回させ、それは２つの流体の混合を付加的に支援する。第２の管路内の圧力低下を最適化するために、第３の管路はまた長さを制限される、すなわち第２の管路の全幅Ｗに亘って延在していない可能性がある。第２の管路内の高温ガスは、次いで、注入および混合領域を迂回する。
【００６６】
排出流体は熱伝導性平板２’を通過する必要がないので、そこには開口部が設けられていない。
【００６７】
冷流体出口４８および冷流体出口コレクタ５９は、装置の一方の端部（図５の右側）に配置されている。それにより、冷流体が導き入れられる第１の管路４４’の長さは、熱伝導性平板２’の全長まで拡張されており、熱交換プロセスの効率性を高めている。
【００６８】
第２の管路のより中心の位置で高温ガスを導く第２の管路内に第３の管路を配置することにより、高温ガス入口での温度より低い温度を有する装置の位置に、排出流体の注入および混合の装置が可能になる。高温ガス入口での温度が非常に高い場合、排出流体の急速な酸化が、第２の管路の高温の壁で既に起こっており、そのためさらに温度を上昇させる可能性がある。高温ガス入口のさらに下流に第３の管路を配置することにより、本発明による装置の対応する用途に対して酸化温度が選択され、適合されていてもよい。特に、本発明による装置は、高温ガスのより高い開始温度などの、より極端な条件で使用されてもよい。
【００６９】
排出流体入口が、熱伝導性平板２’の一方の端部にすなわち最大長手方向伸展部２２の一方の端部にある高温ガス入口とは異なり、第２の管路内の同一の長手方向位置に配置されていてもよいことが分かる。そのような装置では、排出流体を第２の管路内に導入する２つ以上の開口部は、排出流体入口と同一であってもよい。
【００７０】
図６では、装置は複数積層として示されている。さらなる熱伝導性平板２００とさらなる側板３００とが、例えば図１に示されているように、基本積層の平板２’、３の積層の最上部（最下側板１は図示されていない）に積み重ねられている。対応するさらなる第１の間隙およびさらなる第２の間隙が形成されている。開口部２１’が設けられているさらなる第３の管路４５０’が、さらなる第３の管路４５’内に配置されている。
【００７１】
また、図１〜図３に示されている装置は、熱交換および流体混合装置の複数積層に拡張されてもよい。そこでは、開口部を有するさらなる熱交換平板が設けられており、さらなるスペーサが各位置に配置されている。
【００７２】
図７では、熱交換要素、好ましくは平板の開口部２１を通して高温ガス中に導入される流体のシミュレーションが示されている。シミュレーションは、水素、ならびにＣＯ、ＣＯ２および水などの他の成分を含有するアノードガスの例を示す。アノードガスは、摂氏７００度の温度のカソードガス中に導入される。カソードガスは酸素、Ｎ２、および水を含む。水は、蒸気（steamまたはvapour）の形でもたらされる。これらの温度で、かつシミュレーションに使用される水素および酸素の所与の濃度で、カソードガス中へのアノードガスの導入後５ミリ秒後に、ガス混合物の点火が開始する。図では、ガス流を示す流線６６が灰色の陰影で示されており、該陰影は、注入２１の時点から経時的に変化する（注入２１時点の暗色、５ミリ秒後の暗色）。流線６６は、注入後５ミリ秒後に終了する。その注入および攪乱後のガス流の拡散の種類に応じて、流動がさらに下流に進み、流線６６の異なる長さで示されているように装置に内に入る。流動方向が矢印６９で示されている。
【００７３】
線６４が、開口部２１の下流の位置での、かつカソードガスとは異なり熱交換要素の反対側での、冷たい管路の配置を示す。すなわち、線６４は、今はアノードガスと混合されている高温カソードガスが熱交換要素により冷え始める、装置の区分を示す。したがって、冷たい管路の位置は、例えばその温度で最適化されかつ反応の他のパラメータが装置内で実施されるように選択されてもよい。本例では、冷たい管路は、アノードガスの注入時にまたは好ましくはその５ミリ秒後に、例えば導入された流動が到達する距離に対応するように配置されている。このことにより、冷却することなく燃焼は起こらない。また、線６４は、高温管路内の触媒活性被覆の上流端部を示していることが好ましい。触媒活性被覆は、好ましくは点火がもっぱら触媒活性熱交換器領域で開始するように配置されている。
【００７４】
図７では、注入時後５ミリ秒が経過した時にまたはその少し前に、ほとんどの流線６６が線６４に到達することが分かる。この瞬間に、ガスは、ガスが冷却流体により冷却される部分に到達する。ガスが燃焼を開始するであろうと同時に、その燃焼反応が、この領域で開始する触媒活性被覆により付加的に支援されるかまたは誘発される。しかし、冷却作用に因り、化学プロセスは、燃焼よりもむしろ全くの酸化反応になる。このことにより、酸化反応に起因する過剰な熱が、熱交換器内で使用され連れ去られる。装置を損傷する可能性があると考えられる制御されていない反応は生じない。被覆は、ガス混合物の制御された燃焼を付加的に支援する。
【００７５】
本発明を図面に示されている実施形態を参照して記載したが、本発明の範囲を逸脱することなく、多数の変形形態、修正形態、または変更形態が可能であることは、当業者に明らかである。単に例として、入口および出口の配置は変化する可能性がある。例えば、入口、出口、およびコレクタは、異なって、やはり例えば側板に対して垂直に、配置されていてもよい。また、管路が具体化される方法は、実際に図面に示されている管路と異なっていてもよい。全てのそのような変形形態、修正形態、または変更形態は、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の範囲内に入るものとする。
【符号の説明】
【００７６】
１、３  平板
２、２’、２００  平板、熱伝導性平板
４、５  間隙
２１、２１’  開口部
２２  最大長手方向伸展部
４１、４３、５１  スペーサ
４２  スペーサ、排ガス、小矢印、排出流体流
４４、４４’  第１の管路
４５、４５’、４５０’  第３の管路
４６  排出流体入口
４７  冷流体入口
４８  冷流体出口
４９  淡色矢印、冷流体の流動方向、細い暗色矢印
５２  高温ガス入口
５３  高温ガス出口
５４  触媒活性部
５５、５５’  第２の管路
５６  暗色矢印、高温ガスの流動方向
５７  高温ガス出口コレクタ
５８  高温ガス入口コレクタ
５９  冷流体入口コレクタ
６０、６０’  冷流体出口コレクタ
６１、６１’  排出流体入口コレクタ
６４  線、冷たい管路の配置
６６  流線、ガス流
６９  矢印、流動方向
３００  側板
Ａ−Ａ  線
Ｂ  詳細
Ｌ  熱伝導性平板の長さ、第３の管路の数
Ｍ  第１の管路の数
Ｎ  複数、第２の管路の数
Ｗ  熱伝導性平板の全幅
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
2014076445000001.pdf