(57)【要約】【課題】  ３つ以上の流体間での熱交換を高い効率で行わせることのできる熱交換器を提供する。【解決手段】  熱交換器５は、円筒形状の胴筒１０の上下端に円環形状の端環２０，３０が接続された筒状を呈している。第１管板２２，３２には、多数の第１伝熱管４０がそれぞれ嵌挿・保持されている。第２管板２３，３３には、多数の第２伝熱管５０がそれぞれ嵌挿・保持されている。第１伝熱管４０内部は、改質ガスの流通する第１流路４１となっている。また、第１伝熱管４０の外壁と第２伝熱管５０の内壁とにより画成された空間は、冷却液の流通する第２流路５１となっている。更に、胴筒１０の内壁と第２伝熱管５０の外壁とにより画成された空間は、圧縮空気の流通する第３流路１３となっている。【選択図】      図３
2005315459.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも３つの流体間で熱交換を行わせる熱交換器であって、
第１流体が流通する第１流路がその内部に形成された複数本の第１伝熱管と、
前記第１伝熱管を囲繞するように配置され、第２流体が流通する第２流路がその内壁と前記第１伝熱管の外壁との間に形成されるとともに、その外壁の周囲に第３流体が流通する第３流路が形成された複数本の第２伝熱管と、
前記第１伝熱管の両端に取り付けられた一対の第１管板と、
前記第２伝熱管の両端に取り付けられた一対の第２管板と、
前記第１管板の外周と前記第２管板の外周とを連結して前記第２流体の前記第２流路への分配に供される第２流体分配室を画成するとともに、前記第２流体の当該第２流体分配室への導入に供される第２流体導入部と、前記第２流体の当該第２流体分配室からの排出に供される第２流体排出部とが形成された端環と
を備えたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記第２伝熱管の外壁に前記第３流路に臨む伝熱フィンが取り付けられたことを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記一対の第２管板を連結して前記第３流路を画成するとともに、前記第３流体の当該第３流路への導入に供される第３流体導入部と、前記第３流体の当該第３流路からの排出に供される第３流体排出部とが形成された胴筒を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第３流路に邪魔板を設けたことを特徴とする、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第２流体の熱容量が前記第１流体の熱容量および前記第３流体の熱容量より大きいことを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第１流体の温度が前記第２流体の温度より高く、かつ、前記第３流体の温度が前記第２流体の温度より高いことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第１流体の温度が前記第２流体の温度より高く、かつ、前記第２流体の温度が前記第３流体の温度より高いことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
炭化水素系の原燃料から水素を取り出す水蒸気改質プロセスに供される燃料改質システムを構成する熱交換器であって、
前記第１流体が改質器により生成された改質ガスであり、
前記第２流体が冷却液であり、
前記第３流体がコンプレッサにより生成された圧縮空気である
ことを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
炭化水素系の原燃料から水素を取り出す水蒸気改質プロセスに供される燃料改質システムを構成する熱交換器であって、
前記第１流体が改質器により生成された改質ガスであり、
前記第２流体が水蒸気混合燃料であり、
前記第３流体がオフガスである
ことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項または請求項７に記載の熱交換器。
【請求項１０】
少なくとも３つの流体間で熱交換を行わせる熱交換器であって、
第１流体が流通する第１流路がその内部に形成された複数本の第１伝熱管と、
前記第１伝熱管を囲繞するように配置され、第２流体が流通する第２流路がその内壁と前記第１伝熱管の外壁との間に形成されるとともに、その外壁の周囲に第３流体が流通する第３流路が形成された複数本の第２伝熱管と、
前記第２伝熱管を囲繞するように配置され、第３流体が流通する第３流路がその内壁と前記第２伝熱管の外壁との間に形成された複数本の第３伝熱管と、
前記第１伝熱管の両端に取り付けられた一対の第１管板と、
前記第２伝熱管の両端に取り付けられた一対の第２管板と、
前記第３伝熱管の両端に取り付けられた一対の第３管板と、
前記第１管板の外周と前記第２管板の外周とを連結して前記第２流体の前記第２流路への分配に供される第２流体分配室を画成するとともに、前記第２流体の当該第２流体分配室への導入に供される第２流体導入部と、前記第２流体の当該第２流体分配室からの排出に供される第２流体排出部とが形成された第１端環と、
前記第２管板の外周と前記第３管板の外周とを連結して前記第３流体の前記第３流路への分配に供される第３流体分配室を画成するとともに、前記第３流体の当該第３流体分配室への導入に供される第３流体導入部と、前記第３流体の当該第３流体分配室からの排出に供される第２流体排出部とが形成された第２端環と
を備えたことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３つ以上の流体間での熱交換を可能とする熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器は、高温流体と低温流体との間で熱エネルギーの交換を行わせるものであり、化学処理システムにおける種々の加熱装置や冷却装置、熱回収装置として用いられている。例えば、燃料電池に用いられる水素は天然ガス等の炭化水素系燃料(原燃料)に改質処理等を施して製造されることが多いが、改質処理を行う燃料改質システムにも種々の熱交換器が必要となる。燃料改質システムの熱交換器としては、コンプレッサから吐出された改質用の高温高圧空気を補器駆動用エアとして用いるために冷却するエアクーラを始め、改質器で生成された高温の改質ガスを冷却するガスクーラ、水蒸気に空気および天然ガスを混合した水蒸気混合燃料を過熱する過熱器等がある。
【０００３】
通常、熱交換器は、２つの流体間（ガス／ガス間、液／液間、ガス／液間等）での熱交換に供されるものであるが、複数の熱交換器を必要とするシステムや装置では、機器設置スペースの削減や製造コストの低減等を図るべく、複数のフィン・アンド・チューブ型の熱交換器を一体化したものが採用されている。例えば、エンジンヒートポンプ式冷暖房給湯システムを構成する熱交換器であって、冷媒回路の圧縮機に機械的仕事を行わせるエンジンの冷却液と冷媒との間で熱交換を行う冷却液熱交換部と、エンジンの冷却液と空気との間で熱交換を行う放熱部と、冷媒と空気との間で熱交換を行う冷媒用室外熱交換部とを一体化したもの（特許文献１参照）が公知となっている。また、産業機械を構成する熱交換器であって、圧縮空気を冷却するアフタークーラと、エンジンオイル等を冷却するオイルクーラとを一体化したもの（特許文献２参照）が公知となっている。
【０００４】
一方、ヘリウム液化／冷凍装置等を構成する熱交換器であって、複数枚の多孔伝熱板と流体通路を穿設した複数枚の断熱板を交互に積層して積層方向に２系統の流体通路を形成し、伝熱板を介して２系統の流体間で熱交換を行い、さらに断熱板により積層方向の伝熱を遮断するようにした積層板型熱交換器において、熱交換する２系統の流体を流す流体通路に加えて予冷用冷媒を流すための流体通路を積層体の中央付近に形成したもの（特許文献３参照）が公知となっている。
【特許文献１】特開平７−４７７８号公報（段落００１３、図２）
【特許文献２】特開平１０−２１３３８２号公報（段落００１８、図１）
【特許文献３】実願平４−８７０２５（実開平６−５５０７０号公報）の明細書（段落００１１，００１２、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記の特許文献１，２の熱交換器は、２つの熱交換器を単に一体化させたものであるため、熱交換体積を増加させずに３つ以上の流体間での熱交換を１つの熱交換器で行わせることができなかった。
【０００６】
また、前記の燃料改質システムにおいて、円筒型の改質器で生成された改質ガスを冷却液によって冷却するための熱交換器は、改質ガスの流れの連続性を維持することやシステムレイアウトの制約を満たすことから、改質ガスが軸方向に流通する円筒型であることが望ましい。この場合、改質ガスが流通する多数本のパイプを冷却液が流通する円筒容器内に配置することになるため、熱交換器内に存在する冷却液の量が多くなって燃料改質システムの暖機に長時間を要し、燃料改質システムの運転効率が低下する問題があった。また、このような熱交換器では、円筒容器の容積が大きくなることから、熱交換性能を向上させるべく円筒容器内を流通する冷却液の流速を高めることが難しくなる。なお、円筒容器内に小さいピッチで邪魔板を設置して冷却液の流速を高める方法も採り得るが、この場合には円筒容器内での冷却液の圧損が増大し、循環ポンプの負荷や電力消費量が増加する問題があった。
【０００７】
一方、特許文献３の熱交換器では、以上述べたような問題は発生しないが、製造上および信頼性の点で以下のような問題があった。すなわち、この熱交換器の積層体（エレメント）は、多孔伝熱板と断熱板とを接着シートを介して積層することにより製造されるが、各部材に流体通路となる孔を穿設する必要があるだけではなく、各部材の角度位相も正確に合わせなければならず、加工工具や組立装置に特殊なものが要求される。また、多数枚の多孔伝熱板と断熱板とを接着シートにより交互に接着する構成を採るため、不完全な接着に起因する流体の洩れや混入を避けることが難しい他、長期間に亘り高温流体を流通させた場合に接着剤が劣化して剥離等が起こる虞があった。
【０００８】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、比較的簡便な構成を採りながら、３つ以上の流体間での熱交換を高い効率で行わせることのできる熱交換器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決すべく、請求項１に記載の熱交換器は、少なくとも３つの流体間で熱交換を行わせる熱交換器であって、第１流体が流通する第１流路がその内部に形成された複数本の第１伝熱管と、前記第１伝熱管を囲繞するように配置され、第２流体が流通する第２流路がその内壁と前記第１伝熱管の外壁との間に形成されるとともに、その外壁の周囲に第３流体が流通する第３流路が形成された複数本の第２伝熱管と、前記第１伝熱管の両端に取り付けられた一対の第１管板と、前記第２伝熱管の両端に取り付けられた一対の第２管板と、前記第１管板の外周と前記第２管板の外周とを連結して前記第２流体の前記第２流路への分配に供される第２流体分配室を画成するとともに、前記第２流体の当該第２流体分配室への導入に供される第２流体導入部と、前記第２流体の当該第２流体分配室からの排出に供される第２流体排出部とが形成された端環とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の熱交換器は、請求項１に記載の熱交換器において、前記第２伝熱管の外壁に前記第３流路に臨む伝熱フィンが取り付けられたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の熱交換器は、請求項１に記載の熱交換器において、前記一対の第２管板を連結して第３流体流通室を画成するとともに、前記第３流体の当該第３流体流通室への導入に供される第３流体導入部と、前記第３流体の当該第３流体流通室からの排出に供される第３流体排出部とが形成された胴筒を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の熱交換器は、請求項３に記載の熱交換器において、前記第３流路に邪魔板を設けたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項５に記載の熱交換器は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器において、前記第２流体の熱容量が前記第１流体の熱容量および前記第３流体の熱容量より大きいことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項６に記載の熱交換器は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器において、前記第１流体の温度が前記第２流体の温度より高く、かつ、前記第３流体の温度が前記第２流体の温度より高いことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項７に記載の熱交換器は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器において、前記第１流体の温度が前記第２流体の温度より高く、かつ、前記第２流体の温度が前記第３流体の温度より高いことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項８に記載の熱交換器は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器において、炭化水素系の原燃料から水素を取り出す水蒸気改質プロセスに供される燃料改質システムを構成する熱交換器であって、前記第１流体が改質器により生成された改質ガスであり、前記第２流体が冷却液であり、前記第３流体がコンプレッサにより生成された圧縮空気であることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項９に記載の熱交換器は、請求項１から請求項５のいずれか一項または請求項７に記載の熱交換器において、炭化水素系の原燃料から水素を取り出す水蒸気改質プロセスに供される燃料改質システムを構成する熱交換器であって、前記第１流体が改質器により生成された改質ガスであり、前記第２流体が水蒸気混合燃料であり、前記第３流体がオフガスであることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１０に記載の熱交換器は、少なくとも３つの流体間で熱交換を行わせる熱交換器であって、第１流体が流通する第１流路がその内部に形成された複数本の第１伝熱管と、前記第１伝熱管を囲繞するように配置され、第２流体が流通する第２流路がその内壁と前記第１伝熱管の外壁との間に形成されるとともに、その外壁の周囲に第３流体が流通する第３流路が形成された複数本の第２伝熱管と、前記第２伝熱管を囲繞するように配置され、第３流体が流通する第３流路がその内壁と前記第２伝熱管の外壁との間に形成された複数本の第３伝熱管と、前記第１伝熱管の両端に取り付けられた一対の第１管板と、前記第２伝熱管の両端に取り付けられた一対の第２管板と、前記第３伝熱管の両端に取り付けられた一対の第３管板と、前記第１管板の外周と前記第２管板の外周とを連結して前記第２流体の前記第２流路への分配に供される第２流体分配室を画成するとともに、前記第２流体の当該第２流体分配室への導入に供される第２流体導入部と、前記第２流体の当該第２流体分配室からの排出に供される第２流体排出部とが形成された第１端環と、前記第２管板の外周と前記第３管板の外周とを連結して前記第３流体の前記第３流路への分配に供される第３流体分配室を画成するとともに、前記第３流体の当該第３流体分配室への導入に供される第３流体導入部と、前記第３流体の当該第３流体分配室からの排出に供される第２流体排出部とが形成された第２端環とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の熱交換器によれば、３つ以上の流体間の熱交換を比較的体格の小さな１つの熱交換器で行わせることが可能となり、複数の熱交換器を必要とするシステムや装置における機器設置スペースの削減や製造コストの低減等が実現される。また、請求項２の熱交換器によれば、冷却風による第２流体の冷却効率が向上する。また、請求項３の熱交換器によれば、雰囲気中に漏洩させることのできないガスや液体を第３流体とすることができる。また、請求項４の熱交換器によれば、第３流体を第２伝熱管に効率よく衝突させることができる。また、請求項５から請求項７の熱交換器によれば、第１流体および第３流体を第２流体によって効果的に冷却あるいは加熱することができる。また、請求項８の熱交換器によれば、改質ガスと圧縮空気とを冷却液によって効果的に冷却することができる。また、請求項９の熱交換器によれば、改質ガスの冷却と水蒸気混合燃料の加熱とを効率よく行うことができる。また、請求項１０の熱交換器によれば、４つ以上の流体間の熱交換を比較的体格の小さな１つの熱交換器で行わせることが可能となり、複数の熱交換器を必要とするシステムや装置における機器設置スペースの削減や製造コストの低減等が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を燃料改質システムに設けられる熱交換器に適用した実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
≪第１実施形態≫
図１は第１実施形態の熱交換器を備えた第１の燃料改質システムを示すブロック構成図であり、図２は第１実施形態の熱交換器の斜視図であり、図３は第１実施形態の熱交換器の縦断面図であり、図４は図３中のＡ部拡大図であり、図５は図３中のＢ矢視図であり、図６は図３中のＣ−Ｃ断面図であり、図７は図３中のＤ−Ｄ断面図であり、図８は図３中のＥ部拡大図であり、図９は図７中のＦ−Ｆ断面図である。
【００２２】
＜第１の燃料改質システムの構成＞
第１の燃料改質システムは、冷却液によって圧縮空気と改質ガスとを冷却するものであり、図１に示すように、コンプレッサ１と、蒸発器２と、燃焼ヒータ３と、改質器４と、熱交換器５と、これら機器を接続する配管６ａ〜６ｐとから構成されている。コンプレッサ１は、改質器４や各種補機に供給する圧縮空気を生成する。また、蒸発器２は、原燃料供給システム（図示せず）から供給された天然ガスおよび水をコンプレッサ１から供給された圧縮空気とともに加熱して水蒸気混合燃料を生成する。また、燃焼ヒータ３は、燃焼用燃料（例えば、天然ガス）を燃焼させ、その燃焼熱により蒸発器２から供給された水蒸気混合燃料を加熱する。また、改質器４は、燃焼ヒータ３から供給された水蒸気混合燃料を高温・触媒存在下で反応させ、シフト反応プロセスに供給するための改質ガス（水素リッチガス）を生成する。また、熱交換器５は、改質ガスと圧縮空気とを冷却すべく、これらと冷却液との間で熱交換を行わせる。
【００２３】
＜第１実施形態の熱交換器の構成＞
以下、図２〜図１０を参照して第１実施形態の熱交換器の構成を説明する。なお、実施形態の説明にあたっては、図３中での上方を上とし、図３中での下方を下とし、図３中での左方を左とし、図３中での右方を右とする。また、燃料改質システムに係る部材の表記については、図１での説明に拠るものとする。
【００２４】
図２に示すように、第１実施形態の熱交換器５は、円筒形状の胴筒１０の上下端に円環形状の端環２０，３０が接続された筒状を呈している。胴筒１０には、上部側面に圧縮空気（第３流体）の導入配管６ｂが接続する第３流体導入管（第３流体導入部）１１が取り付けられ、下部側面に圧縮空気の導出配管６ｃが接続する第３流体導出管（第３流体排出部）１２が取り付けられている。また、下方の端環３０の側面には、冷却液（第２流体）の導入配管６ｏが接続する第２流体導入管（第２流体導入部）３１が取り付けられ、上方の端環２０の側面には、第２流体の導出配管６ｐが接続する第２流体導出管（第２流体排出部）２１が取り付けられている。さらに、上方の端環２０の上端部には改質ガス（第１流体）の導入配管６ｇが接続し、下方の端環３０の下端部には改質ガスの導出配管６ｈが接続している。
【００２５】
図３に示すように、上部の端環２０には、その上端内側に第１管板２２が固着される一方、下端内側に第２管板２３が固着されており、端環２０とこれら管板２２，２３とにより第２流体集合室２４が画成されている。また、下部の端環３０には、その下端内側に第１管板３２が固着される一方、上端内側に第２管板３３が固着されており、端環３０とこれら管板３２，３３とにより第２流体分配室３４が画成されている。
【００２６】
図３，図４，図５に示すように、第１管板２２（３２）には、多数の保持孔２２ａ（３２ａ）が穿設されており、これら保持孔２２ａ（３２ａ）に第１伝熱管４０がそれぞれ嵌挿・保持されている。また、図３，図４，図６に示すように、第２管板２３（３３）には、保持孔２２ａ（３２ａ）と同心に多数の保持孔２３ａ（３３ａ）が穿設されており、これら保持孔２３ａ（３３ａ）に第１伝熱管４０を囲繞するように第２伝熱管５０がそれぞれ嵌挿・保持されている。
【００２７】
第１伝熱管４０内部は、改質ガス（第１流体）の流通する第１流路４１となっている。また、第１伝熱管４０の外壁と第２伝熱管５０の内壁とにより画成された空間は、冷却液（第２流体）の流通する第２流路５１となっている。更に、胴筒１０の内壁と第２伝熱管５０の外壁とにより画成された空間は、圧縮空気（第３流体）の流通する第３流路１３となっている。なお、図８，図９に示すように、第２伝熱管５０には内側に突出した３つのビード５２が所定の間隔で形成されており、これらビード５２の先端が第１伝熱管４０に当接することにより第１伝熱管４０と第２伝熱管５０との同心度が保たれている。
【００２８】
図３に示すように、胴筒１０の内壁には５枚の邪魔板１４が上部から下部に向けて所定の間隔で取り付けられている。図７に示すように、邪魔板１４は、胴筒１０の内径と略等しい外径の円板形状を呈するとともに、一部に切欠き１４ａを有している。図３に示すように、邪魔板１４は、切欠き１４が右方または左方に位置するように胴筒１０に取り付けられており、これにより、第３流路１３は左右に蛇行する蛇行路になっている。
【００２９】
＜第１の燃料改質システムの作用＞
次に、図１〜図９を適宜参照して、第１の燃料改質システムの作用を述べる。
燃料改質システムが運転（改質）を開始すると、コンプレッサ１により生成された比較的高温（例えば、１２０℃）の圧縮空気が導入配管６ｂおよび第３流体導入管１１を介して熱交換器５の上部から第３流路１３に流入する。また、図示しない冷却システムからの冷却液（不凍液）が導入配管６ｏおよび第２流体導入管３１を介して熱交換器５の下部に設けられた第２流体分配室３４に流入する。
【００３０】
第３流路１３に流入した圧縮空気は、邪魔板１４に案内されて、胴筒１０内を蛇行しながら下方に進み、第２伝熱管５０に左右方向から衝突する。また、第２流体分配室３４に流入した冷却液は、第１伝熱管４０と第２伝熱管５０との間に画成された多数の第２流路５１に分配され、第２伝熱管５０の内壁に接しながら熱交換器５内を上方に進む。これにより、圧縮空気と冷却液とは薄肉の第２伝熱管５０を介して熱交換を行うことになり、圧縮空気の温度が速やかに所定の値（例えば、７０℃）まで低下する。その結果、エア配管６ｉから空気駆動の補機等に圧縮空気が供給された場合にも、補機や流量制御弁等に熱害が起こり難くなる。
【００３１】
熱交換器５で冷却された圧縮空気は、第３流体導出管１２から導出配管６ｃ，エア配管６ｄに流入し、原燃料供給配管６ｊから供給された天然ガスおよび水とともに蒸発器２に流入する。蒸発器２では、オフガス供給配管６ｋから供給されたオフガスが触媒燃焼し、その燃焼エネルギーにより圧縮空気、天然ガスおよび水が加熱されて比較的高温の水蒸気混合燃料が生成される。
【００３２】
蒸発器２で生成された水蒸気混合燃料は、燃料配管６ｅを介して燃焼ヒータ３に流入する。燃焼ヒータ３では、燃焼燃料供給配管６ｍから供給された燃料が燃焼し、その燃焼エネルギーにより水蒸気混合燃料が更に高い温度（例えば、５００℃）に加熱される。
【００３３】
燃焼ヒータ３で加熱された水蒸気混合燃料は、燃料配管６ｆを介して改質器４に流入する。改質器４では、前記燃焼ヒータにより加熱された水蒸気混合燃料が改質触媒と接触し、触媒反応によって高温（例えば、６５０℃）の改質ガス（水素リッチガス）が生成される。
【００３４】
改質器４で生成された高温の改質ガスは、導入配管６ｇを介して熱交換器５の上部に流入した後、第１管板２２に開口した第１流路４１に流入し、第１伝熱管４０の内壁に接触しながら熱交換器５内を下方に進む。これにより、改質ガスと冷却液とが薄肉の第１伝熱管４０を介して熱交換を行うことになり、改質ガスの温度が速やかに所定の値（例えば、１５０℃）に低下する。熱交換器５で冷却された改質ガスは、導出配管６ｈを介してシフト反応プロセス等．に供給される。
【００３５】
第１の燃料改質システムの熱交換器５は、このように、比較的小型、簡便かつ製造容易な構造でありながら、従来は２つの熱交換器で冷却されていた圧縮空気と改質ガスとを高い効率で冷却できるようになった。また、熱交換器５内に存在する冷却液が比較的少量であるため、燃料改質システムの暖機が短時間で完了するようになった。更に、冷却液の流通する第２流路５１が直線的であるため、熱交換器５内での冷却液の圧損が減少し、冷却システムの循環ポンプの負荷や電力消費量を小さくすることができた。
【００３６】
次に、第１実施形態の熱交換器を備えた第２の燃料改質システムについて説明する。
＜第２の燃料改質システムの構成＞
図１０に示すように、第２の燃料改質システムは、改質ガスにより水蒸気混合燃料を加熱させる一方、オフガスと水蒸気混合燃料とによって改質ガスとを冷却するものであり、蒸発器２と、改質器４と、熱交換器５と、これら機器を接続する配管７ａ〜７ｈから構成されている。蒸発器２は、オフガスタンクに溜められた水素等の可燃物質を含むオフガスを燃焼させ、その燃焼熱により原燃料供給システム（図示せず）から供給される天然ガスと水と空気とを加熱して水蒸気混合燃料を生成する。また、改質器４は、水蒸気混合燃料を高温・触媒存在下で反応させ、シフト反応プロセス等に送るための改質ガス（水素リッチガス）を生成する。また、熱交換器５は、改質ガスとオフガスと水蒸気混合燃料との間で熱交換を行わせるものであり、前記の第１の燃料改質システムに備えられたものと同一品である。
【００３７】
＜第２の燃料改質システムの作用＞
次に、図２〜図１０を適宜参照して、第２の燃料改質システムの作用を述べる。
燃料改質システムが運転（改質）を開始すると、図示しない原燃料供給配管７ａから供給された天然ガス、水および空気が蒸発器２に流入する。蒸発器２では、オフガス供給配管７ｇから供給されたオフガスが触媒燃焼し、その燃焼エネルギーにより圧縮空気、天然ガスおよび水が加熱されて比較的高温（例えば、１５０℃）の水蒸気混合燃料が生成される。
【００３８】
蒸発器２で生成された水蒸気混合燃料は、導入配管７ｂおよび第２流体導入管３１を介して熱交換器５の下部に設けられた第２流体分配室３４に流入する。また、図示しないオフガスタンクからの比較的低温（例えば、２０〜３０℃）のオフガスは、導入配管７ｂおよび第３流体導入管１１を介して熱交換器５の上部から第３流路１３に流入する。更に、改質器４で生成された高温（例えば、６５０℃）の改質ガスは、導入配管７ｄを介して熱交換器５の上部に流入した後、第１管板２２に開口した第１流路４１に流入する。
【００３９】
第２流体分配室３４に流入した比較的高温の水蒸気混合燃料は、第１伝熱管４０と第２伝熱管５０との間に画成された多数の第２流路５１に分配され、第２伝熱管５０の内壁に接しながら熱交換器５内を上方に進む。また、第３流路１３に流入した比較的低温のオフガスは、邪魔板１４に案内されて、胴筒１０内を蛇行しながら下方に進み、第２伝熱管５０に左右方向から衝突する。更に、第１流路４１に流入した高温の改質ガスは、第１伝熱管４０の内壁に接触しながら熱交換器５内を下方に進む。
【００４０】
これにより、改質ガスと水蒸気混合燃料とが薄肉の第１伝熱管４０を介して熱交換を行う一方、水蒸気混合燃料とオフガスとがこれも薄肉の第２伝熱管５０を介して熱交換を行うことになる。これにより、熱交換器５内では、改質ガスの温度が速やかに所定の値（例えば、２００℃）に低下する一方で、水蒸気混合燃料の温度が速やかに所定の値（例えば、５００℃）に上昇する。
【００４１】
熱交換器５で加熱された水蒸気混合燃料は、燃料配管７ｃを介して改質器４に流入する。改質器４では、加熱された水蒸気混合燃料が改質触媒と接触し、触媒反応によって高温（例えば、６５０℃）の改質ガス（水素リッチガス）が生成される。
【００４２】
改質器４で生成された高温の改質ガスは、導入配管７ｄを介して熱交換器５の上部に流入し、前記のように熱交換器５内で冷却された後、導出配管７ｅを介してシフト反応プロセス等に供給される。
【００４３】
第２の燃料改質システムの熱交換器５は、このように、比較的小型、簡便かつ製造容易な構造でありながら、従来は個別の熱交換器で加熱あるいは冷却されていた水蒸気混合燃料と改質ガスとを高い効率で加熱あるいは冷却できるようになった。
【００４４】
≪第２実施形態≫
図１１は第２実施形態の熱交換器の縦断面図である。第２実施形態の熱交換器５は、第１実施形態で外殻を形成していた胴筒を備えていないとことを除き、前記の第１実施形態のものと同一の構成を採っているため、構造についての説明は省略する。
第２実施形態の熱交換器５は、例えば、第１流路４１に流通する高温ガス（第１流体）を第２流路５１に流通する冷却液（第２流体）で冷却し、更に第２流路５１に流通する冷却液を第２伝熱管５０の周囲を流れる空気（第３流体）で冷却するような用途に適する。すなわち、この熱交換器５は、燃料改質システムにおいて、改質ガスを冷却液と冷却風とによって強力に冷却する小型の冷却器として用いてもよいし、自動車において、自動変速機油とエンジン冷却水とを走行風により冷却するサブラジエタ等として用いてもよい。
【００４５】
≪第３実施形態≫
図１２は第３実施形態の熱交換器の縦断面図である。第３実施形態の熱交換器５は、第３流路１３に多数枚の冷却フィン１５を設けたことを除き、前記の第２実施形態のものと同一の構成を採っている。第３実施形態の熱交換器５も、第２実施形態と同様の用途に適する。
【００４６】
≪第４実施形態≫
図１３は第４実施形態の熱交換器の縦断面図である。第４実施形態は、４つの流体間で熱交換を行わせるべく、第１実施形態の熱交換器に第４流路等を追加したものである。
図１３に示すように、第４実施形態の熱交換器５では、端環２０には第２管板２３の下方に第３流体分配室２７を画成する第３管板２６が固着され、端環３０には第２管板３３の上方に第３流体集合室３７を画成する第３管板３６が固着されている。また、第３管板２６，３６には、第２伝熱管５０を囲繞するように第３伝熱管６０がそれぞれ嵌挿・保持されており、第２伝熱管５０の外壁と第３伝熱管６０の内壁とにより画成された空間は、第３流体の流通する第３流路６１となっている。そして、胴筒１０の内壁と第３伝熱管６０の外壁とにより画成された空間は、第４流体の流通する第４流路１６となっている。なお、第４実施形態では、端環２０，３０が第１端環と第２端環とを兼ねている。
【００４７】
第４実施形態では、このような構成を採ったため、第１〜第４流路４１，５１，６１，１６にそれぞれ流通させることで、４つの流体間で熱交換を行わせることができる。
【００４８】
本発明は、前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、前記の各実施形態は円筒形状の端環や胴筒を備えたものであるが、矩形断面の端環や胴筒を備えていてもよい。また、第１管板の上下部に第１流体集合室や第１流体分配室を形成し、第１流体の導入や導出を熱交換器の側面から行うようにしてもよい。また、第４実施形態の熱交換器に伝熱管や管板を更に追加し、５つ以上の流体間での熱交換を行わせることができるようにしてもよい。その他、熱交換器が設けられる燃料改質システムの構成を始め、熱交換器を構成する各部材の形状や接合方法等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の燃料改質システムを示すブロック構成図である。
【図２】第１実施形態の熱交換器を示す斜視図である。
【図３】第１実施形態の熱交換器を示す縦断面図である。
【図４】図３中のＡ部拡大図である。
【図５】図３中のＢ矢視図である。
【図６】図３中のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】図３中のＤ−Ｄ断面図である。
【図８】図３中のＥ部拡大図である。
【図９】図７中のＦ−Ｆ断面図である。
【図１０】第２の燃料改質システムを示すブロック構成図である。
【図１１】第２実施形態の熱交換器を示す縦断面図である。
【図１２】第３実施形態の熱交換器を示す縦断面図である。
【図１３】第４実施形態の熱交換器を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
５      熱交換器
１０    胴筒
１１    第３流体導入管（第３流体導入部）
１２    第３流体導出管（第３流体導出部）
１３    第３流路
１４    邪魔板
１５    冷却フィン
１６    第４流路
２０    端環
２１    第２流体導出管（第２流体導出部）
２２    第１管板
２３    第２管板
２４    第２流体集合室
２６    第３管板
２７    第２流体分配室
３０    端環
３１    第２流体導入管（第２流体導入部）
４０    第１伝熱管
４１    第１流路
５０    第２伝熱管
５１    第２流路
６０    第３伝熱管
６１    第３流路
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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