(57)【要約】【課題】コンパクトで伝熱性が高く且つ熱膨張を容易に吸収し得る寿命の長い改質器の提供。【解決手段】インナーフィン１を有する多数のチューブ２と、そのチューブ２間に配置したアウターフィン３とによりコア４を形成する。そしてコア４の外周をケーシング５で被嵌し、夫々のチューブ２の一端がヘッダープレート６を貫通し、そのヘッダープレート６が第１ヘッダ７の開口を閉塞する。そしてヘッダープレート６に対して、第１ヘッダ７の反対側で且つ第１ヘッダ７に隣接して第２ヘッダ８が設けられ、その第２ヘッダ８にケーシング５の一端が連結される。そしてケーシング５の他端が第３ヘッダ９に接続される。そしてコア４の一端のみがヘッダープレート６を介して第１ヘッダ７に固定され、熱膨張の際、コア４がケーシング５内および第３ヘッダ９内を自由に伸縮可能に形成される。そして燃料ガス１４が夫々のチューブ２内を流通し、第３ヘッダ９内をＵターンしチューブ２の外面側を流通し、改質ガス１５となって第２ヘッダ８から外部に導かれる。【選択図】        図３
2005001912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にインナーフィン（１）  を有する多数のチューブ（２）  が並列されると共に、隣り合うそのチューブ（２）  間にアウターフィン（３）  が位置して、それが隣り合う両チューブ（２）  の外面に接触して熱的に接合されたコア（４）  と、
前記コア（４）  の外周を被蔽するケーシング（５）  と、
前記コア（４）  の一端に設けられ、夫々の前記チューブ（２）  の一端が気密に貫通するヘッダープレート（６）  と、
そのヘッダープレート（６）  の周縁が接合固定されて、そのヘッダープレート（６）  の先端側に形成された第１ヘッダ（７）  と、
そのヘッダープレート（６）  に対して、第１ヘッダ（７）  の反対側で且つ第１ヘッダ（７）  に隣接して設けられ、前記ケーシング（５）  の一端が連結されて、その一端が内部に開口する第２ヘッダ（８）  と、
そのケーシング（５）  他端が連結されて、その他端が内部に開口すると共に、夫々のチューブ（２）  の他端が内部に開口する第３ヘッダ（９）  と、を具備し、
前記コア（４）  はその一端のみが、前記ヘッダープレート（６）  を介して第１ヘッダ（７）  に固定され、熱膨張に伴いコア（４）  が前記ケーシング（５）  内および第３ヘッダ（９）  内を伸縮できるように支持され、
燃料ガス（１４）が前記第１ヘッダ（７）  から各チューブ（２）  内を流通して第３ヘッダ（９）  に流入し、その第３ヘッダ（９）  をＵターンしてケーシング（５）  内をチューブ（２）  の外面側に流通して第２ヘッダ（８）  に導かれ、
前記チューブ（２）  内に酸化触媒（１０）が配設されると共に、チューブ（２）  外面側に改質触媒（１１）が配置され、
チューブ（２）  の壁面を介して熱の授受が行われるように構成されてなる改質器。
【請求項２】
内部にインナーフィン（１）  を有する多数のチューブ（２）  が並列されると共に、隣り合うそのチューブ（２）  間にアウターフィン（３）  が位置して、それが隣り合う両チューブ（２）  の外面に接触して熱的に接合されたコア（４）  と、
前記コア（４）  の外周を被蔽するケーシング（５）  と、
前記コア（４）  の一端に設けられ、夫々の前記チューブ（２）  の一端が気密に貫通するヘッダープレート（６）  と、
そのヘッダープレート（６）  の周縁が接合固定されて、そのヘッダープレート（６）  の先端側に形成された第１ヘッダ（７）  と、
そのヘッダープレート（６）  に対して、第１ヘッダ（７）  の反対側で且つ第１ヘッダ（７）  に隣接して設けられ、前記ケーシング（５）  の一端が連結されて、その一端が内部に開口する第２ヘッダ（８）  と、
そのケーシング（５）  他端が連結されて、その他端が内部に開口すると共に、夫々のチューブ（２）  の他端が内部に開口する第３ヘッダ（９）  と、を具備し、
前記コア（４）  はその一端のみが、前記ヘッダープレート（６）  を介して第１ヘッダ（７）  に固定され、熱膨張に伴いコア（４）  が前記ケーシング（５）  内および第３ヘッダ（９）  内を伸縮できるように支持され、
燃料ガス（１４）が前記第２ヘッダ（８）  から前記ケーシング（５）  内で各チューブ（２）  外面を流通して第３ヘッダ（９）  に流入し、その第３ヘッダ（９）  でＵターンして各チューブ（２）  内を流通して第１ヘッダ（７）  に導かれ、
前記チューブ（２）  内に改質触媒（１１）が配設されると共に、チューブ（２）  の外面側に酸化触媒（１０）が配置され、
チューブ（２）  の壁面を介して熱の授受が行われるように構成されてなる改質器。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
夫々の前記チューブ（２）  が偏平チューブからなり、アウターフィン（３）  は偏平チューブの両端部には配置されていない改質器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原料ガスを水蒸気と酸素の存在下に自己酸化および改質を行って、水素リッチな改質ガスを生成する改質器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
メタン等の炭化水素，メタノール等の脂肪族アルコール類，ジメチルエーテル等のエーテル類，天然ガスや都市ガス等の原料ガスと、水蒸気の混合物を水蒸気改質触媒の存在下に水蒸気改質し、水素リッチな改質ガスを生成する改質器が知られている。
このような改質器として、改質触媒に酸化触媒を共存させ、原料ガスを水蒸気と酸素の存在下に触媒で自己酸化および改質を行い、水素リッチな改質ガスを生成する自己酸化型の水蒸気改質器が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１９２２０１号公報
【０００４】
この改質器は、中心側から同心円状に内筒と外筒とジャケットとが三重の筒状に形成されると共に、ジャケットおよび外筒の上下両端が閉塞され、内筒と外筒との底部および内筒内の底部に夫々通気性の触媒受けが配置されている。そして内筒内に高温シフト触媒が内装され、内筒と外筒との間に改質反応触媒と酸化反応触媒との混合物が内装される。そして、炭化水素或いは脂肪族アルコールと水蒸気の混合ガス中に、酸素を小量混合した燃料ガスをジャケットの底部から供給し、ジャケットと外筒との間隙を上昇して、それが外筒と内筒の空間内に供給され、それが改質反応触媒と酸化反応触媒との混合物を通過して、通気性の触媒受けを流通し、外筒の底部でＵターンして内筒の高温シフト触媒内を上昇し、改質ガスである水素を生成するものである。そして、燃料ガスが改質反応触媒と酸化反応触媒の混合物を通過する間に、発熱が起こり、その高温度の熱を内筒内に伝達させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の改質器は、装置が大掛かりになると共に、一つの内筒の壁面を介して熱伝達が行われるものであるため、迅速に熱伝達が行い得ないおそれがある。
そこで本発明は、改質器をコンパクトに形成すると共に、各触媒層間で熱伝達を迅速且つ効率的に行い得ると共に、熱膨張を有効に吸収し得る寿命の長い改質器を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、内部にインナーフィン（１）  を有する多数のチューブ（２）  が並列されると共に、隣り合うそのチューブ（２）  間にアウターフィン（３）  が位置して、それが隣り合う両チューブ（２）  の外面に接触して熱的に接合されたコア（４）  と、
前記コア（４）  の外周を被蔽するケーシング（５）  と、
前記コア（４）  の一端に設けられ、夫々の前記チューブ（２）  の一端が気密に貫通するヘッダープレート（６）  と、
そのヘッダープレート（６）  の周縁が接合固定されて、そのヘッダープレート（６）  の先端側に形成された第１ヘッダ（７）  と、
そのヘッダープレート（６）  に対して、第１ヘッダ（７）  の反対側で且つ第１ヘッダ（７）  に隣接して設けられ、前記ケーシング（５）  の一端が連結されて、その一端が内部に開口する第２ヘッダ（８）  と、
そのケーシング（５）  他端が連結されて、その他端が内部に開口すると共に、夫々のチューブ（２）  の他端が内部に開口する第３ヘッダ（９）  と、を具備し、
前記コア（４）  はその一端のみが、前記ヘッダープレート（６）  を介して第１ヘッダ（７）  に固定され、熱膨張に伴いコア（４）  が前記ケーシング（５）  内および第３ヘッダ（９）  内を伸縮できるように支持され、
燃料ガス（１４）が前記第１ヘッダ（７）  から各チューブ（２）  内を流通して第３ヘッダ（９）  に流入し、その第３ヘッダ（９）  をＵターンしてケーシング（５）  内をチューブ（２）  の外面側に流通して第２ヘッダ（８）  に導かれ、
前記チューブ（２）  内に酸化触媒（１０）が配設されると共に、チューブ（２）  外面側に改質触媒（１１）が配置され、
チューブ（２）  の壁面を介して熱の授受が行われるように構成されてなる改質器である。
【０００７】
請求項２に記載の本発明は、内部にインナーフィン（１）  を有する多数のチューブ（２）  が並列されると共に、隣り合うそのチューブ（２）  間にアウターフィン（３）  が位置して、それが隣り合う両チューブ（２）  の外面に接触して熱的に接合されたコア（４）  と、
前記コア（４）  の外周を被蔽するケーシング（５）  と、
前記コア（４）  の一端に設けられ、夫々の前記チューブ（２）  の一端が気密に貫通するヘッダープレート（６）  と、
そのヘッダープレート（６）  の周縁が接合固定されて、そのヘッダープレート（６）  の先端側に形成された第１ヘッダ（７）  と、
そのヘッダープレート（６）  に対して、第１ヘッダ（７）  の反対側で且つ第１ヘッダ（７）  に隣接して設けられ、前記ケーシング（５）  の一端が連結されて、その一端が内部に開口する第２ヘッダ（８）  と、
そのケーシング（５）  他端が連結されて、その他端が内部に開口すると共に、夫々のチューブ（２）  の他端が内部に開口する第３ヘッダ（９）  と、を具備し、
前記コア（４）  はその一端のみが、前記ヘッダープレート（６）  を介して第１ヘッダ（７）  に固定され、熱膨張に伴いコア（４）  が前記ケーシング（５）  内および第３ヘッダ（９）  内を伸縮できるように支持され、
燃料ガス（１４）が前記第２ヘッダ（８）  から前記ケーシング（５）  内で各チューブ（２）  外面を流通して第３ヘッダ（９）  に流入し、その第３ヘッダ（９）  でＵターンして各チューブ（２）  内を流通して第１ヘッダ（７）  に導かれ、
前記チューブ（２）  内に改質触媒（１１）が配設されると共に、チューブ（２）  の外面側に酸化触媒（１０）が配置され、
チューブ（２）  の壁面を介して熱の授受が行われるように構成されてなる改質器である。
【０００８】
請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２において、
夫々の前記チューブ（２）  が偏平チューブからなり、アウターフィン（３）  は偏平チューブの両端部には配置されていない改質器である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明の改質器の要部分解斜視図であり、図２はその要部を組み立てた状態にヘッダを接続する説明図、図３は同改質器の中心線上における縦断面図である。また、図４は図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面略図である。
【００１０】
この改質器は、偏平な多数のチューブ２が並列されると共に、隣り合うそのチューブ２間にアウターフィン３が位置して、それが隣り合う両チューブ２外面に接触して熱的に接合されてコア４を構成する。夫々のチューブ２の内部にはインナーフィン１が挿入され、そのインナーフィン１に酸化触媒１０が担持されるか或いは酸化触媒１０がインナーフィン１内に収納される。
また、アウターフィン３には改質触媒１１が担持されるか或いは、そこに改質触媒１１が収納される。
なお、チューブ２内には酸化触媒１０に加えて、さらに改質触媒１１を混入してもよい。
【００１１】
この例のアウターフィン３は横断面波形に形成されたコルゲートフィンからなり、その長さはチューブ２の長さよりも短く、チューブ２の両端部を除いてアウターフィン３が図１および図２の如く配置されている。そして、コア４の図において左端にはヘッダープレート６が取付けられると共に、右端にはチューブプレート１２が取付けられる。ヘッダープレート６の外周は、後述する第１ヘッダ７の内周に整合する。チューブプレート１２の外周は、後述する第３ヘッダ９の内周よりも充分小であり、第３ヘッダ９の内面から離反されている。ヘッダープレート６およびチューブプレート１２には夫々偏平なチューブ挿通孔が挿通され、それらにチューブ２の両端部が挿通され、その挿通部がろう付けまたは溶接される。
【００１２】
このようなコア４の外周には、ケーシング５が被蔽される。この例では、ケーシング５は四枚のケーシング用プレート５ａの縁部どうしを溶接して方形管状に形成したものである。そのケーシング５の長さは、アウターフィン３の長さに等しく、そのアウターフィン３の位置にケーシング５が被嵌されている。そのケーシング５の両端部外周には、夫々フランジ枠１３が溶接等の手段により固定される。
【００１３】
次に、一端が開口した箱状に形成された第３ヘッダ９の開口が右側のフランジ枠１３の周縁に溶接により気密に接合される。また、ケーシング５の左端には第３ヘッダ９の２倍の容量をもつ箱状に形成された第１ヘッダ７兼第２ヘッダ８が接続される。この箱状に形成された共通ヘッダの内部の中間部に、ヘッダープレート６の周縁が気密に溶接手段により接合される。そして、ヘッダープレート６を境に左側に第１ヘッダ７が右側に第２ヘッダ８が形成される。そして、第２ヘッダ８の開口が左側のフランジ枠１３の周縁に溶接接合される。
第１ヘッダ７には入口パイプ１６が設けられ、第２ヘッダ８には出口パイプ１７が設けられている。
【００１４】
このようにしてなる改質器には、一例として炭化水素あるいは脂肪族アルコールと水蒸気と酸素との混合体からなる燃料ガス１４が入口パイプ１６から供給される。その燃料ガス１４は各チューブ２内を流通し、その内部の酸化触媒１０によって酸化されチューブ２が高熱になる。すると、その熱がチューブ２外周からアウターフィン３に伝熱され改質触媒１１を加熱する。燃料ガス１４は各チューブ２内を左方から右方に流通し、第３ヘッダ９内でＵタンーンし、ケーシング５内をチューブ２の外周およびアウターフィン３を流通する。そして燃料ガス１４はアウターフィン３の改質触媒１１によって改質され、水素リッチな改質ガス１５として第２ヘッダ８から出口パイプ１７を介し外部に導かれる。
【００１５】
なお、図３の例では第１ヘッダ７から燃料ガス１４を供給し、第２ヘッダ８からそれを改質ガス１５として排出したが、それに代えて図５の如く、燃料ガス１４を第２ヘッダ８から流入させ、第１ヘッダ７から改質ガス１５として排出してもよい。
その場合、アウターフィン３に酸化触媒１０が担持または収納され、チューブ２内に改質触媒１１が担持または収納される。
なお、燃料ガス１４の酸化および改質中に、チューブ２およびアウターフィン３よりなるコア４は熱膨張により伸張する。このとき、コア４はその左端のみがヘッダープレート６を介して第１ヘッダ７に固定され、その右端は自由に伸張できるように形成されている。即ち、アウターフィン３の外周とケーシング５の内周とは極めて僅かな隙間を介して両者間に相対移動ができるように形成されている。
【００１６】
なお、チューブプレート１２は第３ヘッダ９に固定されておらずフリーである。
そのため、ケーシング５の熱膨張とコア４の熱膨張とが異なっていても、それらの差はコア４がケーシング５内および第３ヘッダ９内を伸長して、両者間に熱応力が生じることはない。
なお、酸化触媒１０および改質触媒１１は各種公知のものを使用することができる。例えば、酸化触媒１０としては高温で劣化し難いＰｔ，Ｐｄを使用することができる。改質触媒１１としては、白金パラジューム等を使用することができる。
【００１７】
【発明の作用・効果】
請求項１の本発明の改質器は、そのコア４が多数の並列されたチューブ２と隣り合う夫々のチューブ２間に接触配置されたアウターフィン３とからなり、燃料ガス１４が第１ヘッダ７から各チューブ２内を流通して第３ヘッダ９に流入し、その第３ヘッダ９をＵターンしてケーシング５内をチューブ２の外面側に流通して第２ヘッダ８に導かれる。そしてチューブ２内に酸化触媒１０が配設されると共に、チューブ２の外面側に改質触媒１１が配置され、チューブ２の壁面を介して熱の授受が行われるように構成されたものである。従って、コンパクトで製造し易い改質器となり得る。
それと共に、チューブ２の壁面を介して改質熱の授受が行われるとき、隣り合うチューブ２間に配置されたアウターフィン３が夫々のチューブ２に接触しているため、その改質熱の授受をより効果的に行うことができる。
【００１８】
また、本改質器のコア４は、その一端のみでヘッダープレート６を介して第１ヘッダ７に固定され、熱膨張に伴いコア４がケーシング５内および第３ヘッダ９内を伸縮できるように支持されているから、熱膨張に伴う接続部の亀裂を防止し、耐久性の高い改質器となり得る。
さらに請求項２に記載の本発明は、前記請求項１の発明と燃料ガス１４の供給方向が逆であり、その作用効果は同一である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の改質器の要部分解斜視図。
【図２】同改質器の一部を組み立てた状態の分解斜視図。
【図３】同改質器の組立状態の中心線上における縦断面図。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図。
【図５】本発明の他の改質器の縦断面図。
【符号の説明】
１  インナーフィン
２  チューブ
３  アウターフィン
４  コア
５  ケーシング
５ａ  ケーシング用プレート
６  ヘッダープレート
７  第１ヘッダ
８  第２ヘッダ
９  第３ヘッダ
１０    酸化触媒
１１    改質触媒
１２    チューブプレート
１３    フランジ枠
１４  燃料ガス
１５  改質ガス
１６  入口パイプ
１７  出口パイプ
【図１】
2005001912.tif 000003
【図２】
2005001912.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005001912.tif 000006
【図５】
2005001912.tif 000007