(57)【要約】【課題】作製時等においては触媒層を均一に形成可能とし、運転時にはガスに乱流を生じさせて触媒反応を促進させる。【解決手段】波形形状を有するフィンと平板状のプレートとが交互に積層されたメタルハニカム構造で、フィン及びプレートの表面に触媒層が形成されてなる触媒反応器において、フィン１に切り込み３を設け、この切り込み３により形成される切り込み片４が、温度上昇に伴って立ち上がり変形する構造とする。これにより、製作過程においてはフィン１が平板状態を保ち、触媒層は均一に塗布形成されると共に、使用時には、フィン１に形成された切り込み片４が立ち上がり変形し、ガスの流れを効果的に乱流化させる。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波形形状を有するフィンと平板状のプレートとが交互に積層され、前記フィン及びプレートの表面に触媒層が形成されてなる触媒反応器において、
前記フィンとプレートの少なくとも一方には切り込みが設けられると共に、温度上昇に伴って前記切り込みにより形成された切り込み片が立ち上がり変形することを特徴とする触媒反応器。
【請求項２】
前記切り込みが形成されたフィン又はプレートは、熱膨張率の異なる材料の金属板を積層した金属積層板からなることを特徴とする請求項１に記載の触媒反応器。
【請求項３】
前記切り込みが形成されたフィン又はプレートは、形状記憶合金により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の触媒反応器。
【請求項４】
前記切り込みが形成されたフィン又はプレートは、前記切り込み片の基端部に他の部分よりも熱膨張率の大きな材料が埋め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の触媒反応器。
【請求項５】
前記切り込み片の基端部に触媒剥離材層が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の触媒反応器。
【請求項６】
前記切り込みは、当該触媒反応器内におけるガスの流れ方向に対して前記切り込み片が向かい合うように形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の触媒反応器。
【請求項７】
前記切り込み片の立ち上がり角度は、前記ガスの流れ方向の上流側に位置する切り込み片よりも下流側に位置する切り込み片の方が大であることを特徴とする請求項６に記載の触媒反応器。
【請求項８】
前記切り込みが形成されたフィン又はプレートは、熱膨張率の異なる材料の金属板を積層した金属積層板からなり、この金属積層板の厚み方向における熱膨張率の差が、前記ガスの流れ方向において異なることを特徴とする請求項７に記載の触媒反応器。
【請求項９】
前記フィンに形成される切り込みは、当該触媒反応器内におけるガスの流れ方向に沿って千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の触媒反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば改質反応器やＰｒＯＸ（ＣＯの選択酸化除去）反応器等に用いられる触媒反応器に関するものであり、特に、当該触媒反応器内を流れるガスに乱流を発生させて反応効率を向上させる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒の作用によって原料ガスから改質ガスを生成する改質反応器や、触媒の作用によって排ガスを浄化するＰｒＯＸ反応器等においては、触媒反応を効率的に行うために、通常、金属製のハニカム構造体に触媒が担持されてなる触媒反応器が用いられる。
【０００３】
この種の触媒反応器では、当該触媒反応器内を流れるガスに乱流を発生させることで触媒反応の反応効率が向上することが知られており、例えば、ハニカム構造体の波形のフィンや平板状のプレートに、非穴あき状の凹凸部を形成することで、ガスに乱流を発生させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２９１０４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１にて提案される技術のように、ハニカム構造体のフィンやプレートに非穴あき状の凹凸部を設けた構造では、これら凹凸部が構造体を組み付ける前に形成されるために、製作過程においてフィンやプレートに触媒を塗布する際に凹凸部が邪魔になって、触媒層を均一に形成することが困難になるという問題がある。また、非穴あき状の凹凸部では、起こせる乱流にも限度があり、またフィンで仕切られた空間の間でのガスの出入りが起こらないので、反応効率改善の点でも不満が残る。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の欠点を解消することを目的に提案されたものであり、製作過程においては触媒層を均一に形成することができると共に、使用時には効果的にガスに乱流を発生させて反応効率を向上させることができる触媒反応器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明は、波形形状を有するフィンと平板状のプレートとが交互に積層され、前記フィン及びプレートの表面に触媒層が形成されてなる触媒反応器において、前記フィンとプレートの少なくとも一方に切り込みを設け、この切り込みにより形成された切り込み片が、温度上昇に伴って立ち上がり変形するようにした。
【０００８】
以上の構成を有する触媒反応器では、製作過程においてはフィンやプレートの表面は平らな状態を保っており、例えば触媒を含んだスラリーを塗布することで、これらフィンやプレートの表面に触媒層が均一に形成されることになる。
【０００９】
一方、触媒反応器の使用時には、例えば改質反応器やＰｒＯＸ反応器等の運転に伴う発熱により触媒反応器の温度が上昇し、その熱によってフィン又はプレートに形成された切り込み片が立ち上がり変形する。したがって、この切り込み片によって触媒反応器内を流れるガスに乱流が発生し、反応効率が改善される。また、このときフィンやプレートには開口部が形成されることになり、フィンで仕切られた空間の間でもガスの出入りが起り、反応効率改善の点でさらに有利である。
【００１０】
【発明の効果】
本発明においては、触媒反応器の製作過程においてはフィンやプレートの表面が平らな状態を保つようにしているので、これらフィンやプレートの表面に触媒層を均一に形成することができ、品質の高い触媒反応器を提供することが可能である。
【００１１】
また、触媒反応器の使用時には、フィンやプレートに形成された切り込み片が立ち上がり変形するようにしているので、当該触媒反応器内を流れるガスに効果的に乱流を発生させることができ、反応効率を極めて良好なものとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した触媒反応器について、図面を参照して説明する。
【００１３】
（第１の実施形態）
本発明を適用した触媒反応器は、図１に示すように、波形形状のフィン１と平板状のプレート２とが交互に積層されてなるメタルハニカム構造体を有している。そして、このメタルハニカム構造体を構成するフィン１及びプレート２の表面には、反応触媒が塗布されて触媒層が形成されている。このような触媒反応器では、メタルハニカム構造体のフィン１とプレート２で囲まれる空間内に導入されたガスがこの空間を流れる際に触媒層と接触することで、触媒反応が引き起こされる。
【００１４】
本実施形態の触媒反応器では、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、フィン１の各斜面部分に、複数の切り込み３が、ガスの流れ方向に沿って一列に配列形成されている。これらの各切り込み３は、略方形状のパターンの３辺を切断するように形成されており、切り込み３で囲まれた切り込み片４が、残りの１辺で他の部分と連結されて、ここを基端として折り曲げ可能とされている。
【００１５】
なお、本実施形態では、各切り込み３は、これによって形成される切り込み片４の連結部である基端部がガスの流れ方向の下流側に位置し、これとは反対側の先端部がガスの流れ方向の上流側に位置するように形成されている。したがって、図２（Ｂ）に示すように、切り込み片４が立ち上がり変形した際には、この切り込み片４は、ガスの流れ方向に対して向かい合うようになる。
【００１６】
以上のような切り込み３が形成されるフィン１は、熱膨張率の異なる２種類の金属板を積層した金属積層板からなる。この金属積層板は、図３（Ａ）に示すように、図中下側に熱膨張率の高い金属板５が配置され、上側に熱膨張率の低い金属板６が配置されるように各金属板が積層されている。したがって、温度が上昇すると、いわゆるバイメタルの作用により、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示すように切り込み片４が反り返り、次第に立ち上がってフィン１に開口部７が形成された状態になる。
【００１７】
本実施形態では、メタルハニカム構造体のフィン８は、常温時（触媒反応器の製作時）には金属板５と金属板６との熱膨張差による歪みがなく、表面が平らな状態が確保されている。また、図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示すように、開口部７は切り込み片４により塞がれた状態となっている。したがって、フィン１の表面に例えば触媒を含むスラリーを均一に塗布することができ、フィン１の表面に均一に触媒層を形成することができる。
【００１８】
一方、高温時（触媒反応器の使用時）には、図２（Ｂ）及び図３（Ｂ）に示すように、金属板５と金属板６の熱膨張率の差に起因する熱歪みによってフィン１の切り込み片４が立ち上がり変形する。そして、立ち上がった切り込み片４の作用で、触媒反応器内を流れるガスに乱流が発生することになる。これにより、触媒反応器内を流れるガスに対する触媒反応の効率が良好なものとなる。また、切り込み片４が立ち上がり変形することで、フィン１には開口部７が形成されることになり、フィン１で仕切られた空間の間でもガスの出入りが起り、反応効率が更に改善されることになる。
【００１９】
また、負荷が上がって反応温度が高くなると、それに伴い、切り込み片４の立ち上がり量が大きくなり、ガスの流れにより大きな乱流が発生することになるので、負荷が大きいときほど触媒反応が促進され、性能が向上するという効果も有する。
【００２０】
なお、フィン１の構成としては、以上の例に限らず、切り込み片４が温度上昇に伴って立ち上がり変形するようなものであれば如何なるものであってもよい。例えば、熱膨張率の異なる３種類以上の金属板を積層した金属積層板を用いてフィン１を形成するようにしてもよい。また、フィン１を形状記憶合金で形成することも可能である。フィン１を形状記憶合金で形成するようにした場合には、熱膨張率の異なる金属板を積層したりする必要がなくなり、構造をさらに簡略化することができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
本実施形態は、フィン１を金属積層板によって形成するのではなく、切り込み片４の付け根の部分にのみ熱膨張率の高い材料を埋め込み形成した例である。触媒反応器の構造は、先の第１の実施形態のものと同じであるので、ここではその説明は省略する。
【００２２】
本実施形態では、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、切り込み片４の付け根部分にのみ熱膨張率の高い熱膨張材料８を埋め込んでいる。この熱膨張材料８は、フィン１を構成する他の部分の材料よりも熱膨張率が高く、温度上昇時には、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示すように、熱膨張材料８の熱膨張により切り込み片４が立ち上がり変形して、開口部７が開口される。
【００２３】
本実施形態のように、切り込み片４の付け根部分にのみ熱膨張材料８を埋め込み形成した場合、切り込み片４が立ち上がり変形するとき、大きな曲げが発生するのは根元部分のみであり、その他の部分にはほとんど曲げが発生しない。そのため、曲げ歪みによって触媒が剥がれ落ちる量を最小にすることができる。
【００２４】
（第３の実施形態）
本実施形態は、フィン１に触媒を弾く触媒剥離材層を形成した例である。触媒反応器の構造やフィン１の形状は、先の第２の実施形態のものと同じであるので、ここではその説明は省略する。
【００２５】
本実施形態の第２の実施形態との相違点は、図６に示すように、フィン１に形成された切り込み片４の基端部（根元部分）に触媒剥離材層９が形成されていることである。触媒剥離材層９を構成する材料としては、触媒を弾く性質のものであれば如何なるものであってもよく、例えばフッ素化合物からなる溶液やペースト、油類等を挙げることができる。触媒剥離材層９は、これら材料を例えば切り込み片４の基端部上に塗布することにより形成される。
【００２６】
本実施形態では、切り込み片４の変形部分である基端部に触媒剥離材層９が形成されているので、曲げ歪みによる触媒の剥がれ落ちを防止することができる。
【００２７】
（第４の実施形態）
本実施形態は、切り込み片４の立ち上がり変形量を、触媒反応器内を流れるガスの流れ方向に沿って変化させるようにした例である。触媒反応器の構造は、先の第１の実施形態のものと同じであるので、ここではその説明は省略する。
【００２８】
本実施形態では、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、切り込み片４の立ち上がり変形量が、ガスの流れ方向の下流側に向かうにしたがって次第に大きくなるように設計されている。具体的には、例えば、ガスの流れる方向における上流側では、フィン１を構成する金属積層板の厚み方向の膨張率差が小さく、下流側に向かうにしたがって、フィン１を構成する金属積層板の厚み方向の膨張率差が次第に大きくなるようにしている。このようにフィン８を構成する金属積層板の厚み方向の膨張率差を、ガスの流れ方向に沿って異ならせることにより、温度上昇した際には、図７（Ｂ）に示すように、上流側の切り込み片４の反り量は小さく、下流側の切り込み片４の反り量は大きくなる。
【００２９】
この種の触媒反応器による触媒反応は、通常、図８（Ａ）に示すように、触媒反応器の上流側で大部分の反応が行なわれる。本実施形態では、切り込み片４の立ち上がり量を変化させることで、ガスの乱れ度合いを触媒反応器内の位置に応じて調整（上流側を小さく、下流側を大きく）するようにしている。これにより、図８（Ｂ）に示すように、触媒反応器内における触媒反応の度合いが均一化されることになり、触媒の部分的な経時劣化を防いで、長寿命化を図ることができる。
【００３０】
なお、以上の例では、フィン１として用いる金属積層板の厚み方向の膨張率差を異ならせることで、切り込み片４の立ち上がり変形量を制御しているが、これに限らず、例えば第２の実施形態と同様、各切り込み片４の根元部分に熱膨張率の高い熱膨張材料を埋め込み、その埋め込み量や埋め込み材料の種類を変更することで切り込み片４の立ち上がり変形量を制御するようにしてもよい。
【００３１】
（第５の実施形態）
本実施形態は、フィン１に形成される切り込み３を、触媒反応器内を流れるガスの流れ方向に沿って千鳥状に配置するようにした例である。触媒反応器の構造は、先の第１の実施形態のものと同じであるので、ここではその説明は省略する。
【００３２】
本実施形態では、図９に示すように、フィン１に対する切り込み３の形成位置が、ガスの流れ方向に沿って千鳥状となるように設計されている。すなわち、フィン１で仕切られた空間から左右両側に位置するフィン１の斜面部分を見たときに、左右の斜面部分に交互に切り込み３が形成されるようになっている。したがって、温度上昇時には、ガスが流れる空間を仕切るフィン１に千鳥状に開口部７が形成されることになり、フィン１で仕切られた隣接する空間の間でのガスの出入りが、より自由に行われることになる。これにより、触媒反応器の反応効率を更に改善することができる。
【００３３】
なお、以上の各実施形態では、メタルハニカム構造体を構成するフィン１に切り込み３を設けて、温度上昇時にこの切り込み３により形成される切り込み片４が立ち上がり変形することで、フィン１に開口部７が形成されるようになっているが、メタルハニカム構造体を構成するプレート２に切り込み３を設け、温度上昇時にはプレート２に開口部７が形成されるようにしても同様の効果を得ることができる。また、フィン１とプレート２の双方に切り込み３を設け、温度上昇時にはフィン１とプレート２の双方に開口部７が形成されるようにしても同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した触媒反応器の概略構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態のフィンの形状を示す斜視図であり、（Ａ）は平面状態、（Ｂ）は切り込み片立ち上がり状態を示す。
【図３】第１の実施形態のフィンの形状を示す断面図であり、（Ａ）は平面状態、（Ｂ）は切り込み片立ち上がり状態を示す。
【図４】第２の実施形態のフィンの常温時の形状を示すものであり、（Ａ）はこのフィンの斜視図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図５】第２の実施形態のフィンの高温時の形状を示すものであり、（Ａ）はこのフィンの斜視図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】第３の実施形態のフィンを示す図であり、触媒剥離材層が形成された状態を示す斜視図である。
【図７】第４の実施形態におけるフィンの形状を示す斜視図であり、（Ａ）は平面状態、（Ｂ）は切り込み片立ち上がり状態を示す。
【図８】触媒反応器のガスの流れ方向における位置での反応度合いの変化の様子を示すものであり、（Ａ）は切り込み片による乱流の発生がない場合の特性を示し、（Ｂ）はガスの流れ方向の下流に向かうにしたがって切り込み片により大きな乱流が発生した場合の特性を示す。
【図９】第５の実施形態におけるフィンの形状を示す平面図である。
【符号の説明】
１　フィン
２　プレート
３　切り込み
４　切り込み片
７　開口部
８　熱膨張材料
【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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【図８】
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【図９】
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