(57)【要約】完全ガスタイトなシール機構と冷却機構とを有する、固体酸化物型等燃料電池の燃料再循環用として好適な高温ガス送風用ファンを提供することを目的とする。  回転軸に片持ち支持された耐熱性を有するインペラ（３）と、該回転軸に装着された軸受（７）と、前記インペラと該軸受との間に配置された断熱層（１６）と、該断熱層と前記軸受との間に配置された冷却部（５）とで高温ガス送風用ファンを構成する。  また、ファン軸側磁気継手（９）とモーター側磁気継手（１０）との間隙に非磁性隔壁（１１）を配置し、回転軸（６）を囲む空間を密閉して完全ガスタイトなシール機構を構成する。  また、前記冷却部（５）を受熱部（２８）とし、さらに熱輸送部（２９）と空冷熱放散部（３０）とからなる冷却機構を構成する。
2004070209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に片持ち支持された耐熱性を有するインペラと、該回転軸に装着された軸受と、前記インペラと該軸受との間に配置された断熱層と、該断熱層と前記軸受との間に配置された冷却部とで構成される高温ガス送風用ファンにおいて、前記回転軸のインペラとは反対側の軸端に磁気継手の対の第１の継手体が配設され、該第１の継手体と駆動用モーター軸の軸端に装着された前記磁気継手の対の第２の継手体との間に非磁性隔壁が配設され、前記回転軸を囲む空間が該非磁性隔壁とケーシングとで外界から遮断密閉されていることを特徴とする高温ガス送風用ファン。
【請求項２】
前記密閉空間に不活性ガスを封入する請求項１記載の高温ガス送風用ファン。
【請求項３】
回転軸に片持ち支持された耐熱性を有するインペラと、該回転軸に装着された軸受と、前記インペラと該軸受との間に配置された断熱層とで構成される高温ガス送風用ファンにおいて、前記断熱層と前記軸受との間に配設された受熱部と、ケーシングの外側に設けられた空冷熱放散部と、前記受熱部と前記空冷熱放散部を連結する熱輸送部とからなる空冷機構を備えていることを特徴とする高温ガス送風用ファン。
【請求項４】
前記受熱部と前記熱輸送部とが一体のサーモサイフォンヒートパイプである請求項３記載の高温ガス送風用ファン。
【請求項５】
前記冷却部が、前記断熱層と前記軸受との間に配設された受熱部と、前記ケーシングの外側に設けられた空冷熱放散部と、前記受熱部と前記空冷熱放散部を連結する熱輸送部とからなる空冷機構である請求項１記載の高温ガス送風用ファン。
【請求項６】
スクロールの吸い込み口に慣性集塵装置が設けられている請求項１〜５のいずれかに記載の高温ガス送風用ファン。
【請求項７】
固体酸化物型等燃料電池用である請求項１〜６のいずれかに記載の高温ガス送風用ファン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、主として固体酸化物型等燃料電池に適用する高温ガス送風用ファンに関する。
【背景技術】  各種熱処理炉や焼成炉においては、炉内ガスを循環あるいは撹拌し、炉内温度の均一化や加熱効率の向上を図る目的で高温ガス送風用ファンが用いられることがある。
固体酸化物型燃料電池においては、発電に必要な作動温度が７００〜１０００℃であるため、燃料となる水素及び一酸化炭素の供給源である天然ガスや石炭ガスなどの燃料ガスを７００〜１０００℃に加熱して燃料電池の燃料極に供給している。
この燃料ガスをそのまま燃料極に供給し反応させる方法よりも、高温の燃料ガスを水蒸気と次式のように反応させ純水素を生成する、いわゆる水蒸気改質したうえで燃料極に供給した方が、燃料ガスの反応効率が向上し、発電効率が増大すると指摘されている。
（水蒸気改質の反応式）ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２
燃料ガスをこのように水蒸気改質するためには燃料ガスを加湿する必要が生じる。しかし工業用水や家庭用の水を用いて加湿すると、それらの水に含まれる不純物が燃料電池本体を汚染あるいは腐食し、燃料電池本体の性能や耐久性に致命的な悪影響をおよぼす。また該不純物を完全に除去するための装置を供給水ラインに設置することは設置スペースや初期投資の面で問題があり現実的でなかった。
固体酸化物型燃料電池においては、燃料ガスが供給される燃料極側に水素と酸素との反応生成物である水が生成する。すなわち前記燃料極に供給される燃料ガスは燃料極で反応する際、同時に前記生成水によって加湿される。該生成水は不純物を含有していないため、前記の加湿された燃料ガスを循環再利用することができれば、燃料ガスの加湿による水蒸気改質が反応前に可能となり発電効率の増大が実現する。
また燃料極に供給される７００〜１０００℃に加熱された燃料ガスは、燃料極との１回の接触では、反応可能な水素及び一酸化炭素を全て反応させることはできない。燃料ガスを循環再利用することで、燃料ガスを効率良く使用することが可能となると共に、燃料ガスの有する顕熱も再利用可能となり、この点においても発電効率は増大する。
前述の理由から、固体酸化物型燃料電池へ高温ガス送風用ファンを適用し高温燃料ガスを循環させることが真剣に検討されてきた。
一方、高温燃料ガスの温度を熱交換器などによって１００℃程度まで下げて、１００℃以下であれば使用可能な通常のファンによって燃料ガスを昇圧し、その後該燃料ガスを再び作動温度の７００〜１０００℃に加熱する構成も一応考えられるが、熱損失と熱交換器のコストおよび設置スペースを考えると、この構成も全く現実的ではなかった。
固体酸化物型等燃料電池に高温ガス送風用ファンを適用する場合、次の条件が、満足される必要がある。
１）高温燃料ガスは可燃性であり、燃料電池によっては致死性であるので高温燃料ガスをシステム外に漏らしてはならない。すなわち、回転翼とディスクとからなるインペラとモーターを連結する回転軸の軸封装置が完全ガスタイトであること。
２）燃料電池が僻地での分散電源として使用される場合があることおよび燃料電池システム自体の簡素化のため、ユーティリティは燃料電池システム自体から供給される直流電源以外に使用してはならないこと。そして、この送風用ファンのための電気使用量は発電量の約５％以下であること。
３）一般家庭や小規模集合住宅に分散電源として設置されるため、送風用ファンはコンパクトであること。
４）初期投資額が小さいこと。具体的には燃料電池システムの販売価格の３％以下が望ましい。
５）高温燃料ガスの結露防止のため、高温燃料ガスに晒される部分の温度を常に露点温度以上とすること。
６）インペラの破損、変形防止のため、回転中のインペラに破損、変形の原因になり得る大きさの異物が衝突しないこと。
上述したように、固体酸化物型等燃料電池において、高温燃料ガスを外部に漏洩させないことは、安全面および経済性の観点から重要である。
従来高温ガス送風用ファンの軸封方法としては、断熱層と軸受との間に配設された冷却部と軸受との間に第一の軸封装置を回転軸に挿通して設け、且つ回転軸の低温側に装着された第二の軸受と回転軸の軸端に設けられた軸継手との間に第二の軸封装置を回転軸に挿通して配置する方法が一般的である。第一、第二の軸封装置としては、グランドパッキン、オイルシール、Ｏリング、ラビリンス、メカニカルシールなどが使用されている。
これらの軸封装置の内、グランドパッキン、オイルシール、Ｏリングについては、ゴム、合成樹脂を素材としているため、ガス性状、温度に敏感で、数年に渉る寿命は期待できない。特に固体酸化物型等燃料電池においては、燃料である高温燃料ガスが水素や一酸化炭素を含有しているため還元性が強く、これらゴム、合成樹脂系のシール技術は信頼性が乏しい。
ラビリンス、メカニカルシールについては、内部プロセスガスを外部に漏洩させないため、常時パージガスで押し返す必要があり、パージガスの内部プロセスガスへの混入が避けられない。固体酸化物型等燃料電池においてはプロセスガスの純度が燃料電池の性能上非常に重要であり、一般にはパージガスの混入は許されない。固体酸化物型等燃料電池の場合、パージガスを使用するとすれば、窒素やヘリウム等の高価な不活性ガスが用いられるものと考えられるが、ユーティリティコストが増大し、その結果発電単価が上昇する。また一般家庭や小規模集合住宅に分散電源として設置される固体酸化物型等燃料電池の場合、パージガスのボンベのスペース、安全管理、補給等の問題が発生し現実的でない。
前述の通り、電源以外のユーティリティを使用せず、コンパクトで簡便な完全ガスタイトの軸封装置は現実的に存在しなかった。
インペラを片持ち式に支持するよう回転軸に装着された軸受を長期間良好な状態で使用し得る軸受部耐熱温度は、軸受の潤滑に使用されるグリスなどの潤滑材の耐熱温度の制約により約１００℃とされており、インペラから回転軸を通じて、更にインペラと軸受との間に配置される断熱層を通じて伝熱される熱流束を抜熱し、軸受部温度を所定温度以下に冷却する必要がある。ここで言う抜熱とは熱流束を受熱し熱放散することを言う。
その手段として、従来の高温ガス送風用ファンにおいては、高温ガスと直接接触するインペラと軸受との間に、回転軸と同軸且つ非接触の状態で、更に軸受の外輪と直接接触する状態で水冷ジャケットを設け、該水冷ジャケットに例えば３０℃以下に冷却された冷却水を供給して水冷ジャケット表面温度を例えば５０℃以下に維持し回転軸を輻射冷却し、且つ軸受を水冷ジャケットと軸受外輪との間の熱伝導で冷却する方法が一般的に採用されている。また、回転軸および軸受に例えば３０℃以下に冷却された潤滑油を直接接触させることにより、潤滑しながら抜熱する方法がとられることもある。
しかしながら、これら従来の冷却方法においては、抜熱媒体である水あるいは潤滑油を循環供給させるためのポンプなどの装置と該抜熱媒体を冷却する冷却装置およびそれらの装置をつなぐ配管が必要なため全体システムが複雑となり、設置スペースのコンパクト化の妨げとなる欠点を有しており、特に一般家庭や小規模集合住宅などに分散電源として設置される固体酸化物型燃料電池においては高温ガス送風用ファン導入の大きな阻害要因であった。
天然ガスなどを燃料とする固体酸化物型燃料電池においては、燃料ガス、すなわちプロセスガスの露点は約７０℃であるため、上記のように温度の低い水や潤滑油などの抜熱媒体を利用すると、過冷却となり水冷ジャケットなどの冷却部近傍で結露が生じ、水分の凝縮から派生する腐食、汚染物質の溶出、飛散などにより燃料電池本体が劣化し、燃料電池の性能や耐久性に致命的な悪影響をおよぼす問題があった。
また抜熱媒体である水や潤滑油の劣化に対する対応や減量分の補給などの必要もあり、例えば２４時間×３６５日×３年間ノーメンテナンスでの連続運転などは実現困難と考えられていた。
更に、抜熱媒体を循環供給するポンプなどの装置の電源が停電したり、該装置自体が故障して抜熱媒体の供給が停止した場合、電気的な制御機構等により高温ガスの加熱を停止するなどの措置が取られるが、装置内部の７００〜１０００℃の高温ガスや高温に加熱された断熱材の保有熱量によって、軸封装置や軸受が致命的な損傷を受ける可能性がある。
またシール構造は現実的でなくなるが、概念的には冷却扇を用いて回転軸及び軸受を直接空冷する方法も考えられるが、抜熱の能力を表す熱伝達率が水の場合１０００〜３０００ｗ／ｍ２Ｋであるのに対し、空気の場合１０〜３０ｗ／ｍ２Ｋと非常に小さい。水冷と同等の冷却効果を空冷で実現するには抜熱部の面積を水冷の場合の約１００〜３００倍とする必要があり、回転軸や軸受周辺の限られたスペースに該抜熱部を設置することは実現困難であった。
固体酸化物型等燃料電池に高温ガス送風用ファンを適用する場合、コスト面および設置スペースの面の制約から、大きいインペラを低速回転で回すより、小さいインペラを高速で回して風量、風圧などの仕様を満足する必要がある。しかし、高速で回転するインペラに異物などが衝突すると、インペラの破損あるいは変形の原因となる場合がある。
例えばインペラ材質に炭化珪素を使用し、インペラ外周での周速が２０５ｍ／秒で運転した場合、衝突してもインペラが破損しない、許容される異物の粒径を実験により求めると１ｍｍ以下となる。すなわち前記条件の場合１ｍｍより大きな粒径の異物をスクロールの吸い込み口から吸い込まないようにするための集塵装置が必要となる。
従来、高温送風用ファンの用途は非常に限定され、特に異物の飛来ということを考える必要のない用途であったため、耐熱性を有し、低コストで設置スペースも小さいことが要求される高温ファン用集塵装置は現実的に存在しなかった。
このような理由から、前述の固体酸化物型等燃料電池に高温ガス送風用ファンを適用するための条件を同時に満たす技術の実現は困難であった。
本発明の目的は、前述の従来技術の問題点を解決し、固体酸化物型等燃料電池に好適な高温ガス送風用ファンを提供することにある。
【発明の開示】
本発明は、上記目的を達成するためになされたもので、次の高温ガス送風用ファンを提供する。
（１）回転軸に片持ち支持された耐熱性を有するインペラと、該回転軸に装着された軸受と、前記インペラと該軸受との間に配置された断熱層と、該断熱層と前記軸受との間に配置された冷却部とで構成される高温ガス送風用ファンにおいて、前記回転軸のインペラとは反対側の軸端に磁気継手の対の第１の継手体が配設され、該第１の継手体と駆動用モーター軸の軸端に装着された前記磁気継手の対の第２の継手体との間に非磁性隔壁が配設され、前記回転軸を囲む空間が該非磁性隔壁とケーシングとで外界から遮断密閉されていることを特徴とする高温ガス送風用ファン。
（２）前記密閉空間に不活性ガスを封入する上記（１）の高温ガス送風用ファン。
（３）回転軸に片持ち支持された耐熱性を有するインペラと、該回転軸に装着された軸受と、前記インペラと該軸受との間に配置された断熱層とで構成される高温ガス送風用ファンにおいて、前記断熱層と前記軸受との間に配設された受熱部と、ケーシングの外側に設けられた空冷熱放散部と、前記受熱部と前記空冷熱放散部を連結する熱輸送部とからなる空冷機構を備えたことを特徴とする高温ガス送風用ファン。
（４）前記受熱部と前記熱輸送部とが一体のサーモサイフォンヒートパイプである上記（３）の高温ガス送風用ファン。
（５）上記（１）の冷却部が前記断熱層と前記軸受との間に配設された受熱部と、前記ケーシングの外側に設けられた空冷熱放散部と、前記受熱部と前記空冷熱放散部を連結する熱輸送部とからなる空冷機構である高温ガス送風用ファン。
（６）スクロールの吸い込み口に慣性集塵装置を設けた上記（１）〜（５）のいずれかに記載の高温ガス送風用ファン。
（７）固体酸化物型等燃料電池用である上記（１）〜（６）のいずれかに記載の高温ガス送風用ファン。
【図面の簡単な説明】図１は、本発明の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。
図２は、本発明の第二の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。
図３は、本発明の第三の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。
図４は、本発明の第四の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。
図５は、図４のＰ矢視図である。
図６は、本発明の第五の実施例を示す高温ガス送風用ファンの平面断面図である。
図７は、図６のＱ矢視図である。
図８は、図７のＸ−Ｘ断面図である。
図９は、本発明の第六の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。
図１０は、本発明の第七の実施例を示す高温ガス送風用ファンの側面断面図である。
図１１は、従来の高温ガス送風用ファンを示す側面図である。
【符号の説明】
１：スクロール、  ２：スクロール吸い込み口、  ３：インペラ、
４：スクロール吐き出し口、  ５：冷却部、  ６：回転軸、
７：軸受、  ８：外部保温層、  ９：ファン軸側磁気継手、
１０：モーター軸側磁気継手、  １１：非磁性隔壁、  １２：ケーシング、
１３：取付フランジ、  １４：冷却水入側配管、  １５：冷却水出側配管、
１６：断熱層、  １７：第二の軸受、  １８：ファン軸側磁気継手に設けられ
た永久磁石、  １９：モーター軸側磁気維手に設けられた永久磁石、
２０：Ｏリング、  ２１：背板カラー、  ２１ａ：背板、
２１ｂ：カラー、  ２２：断熱スペーサ、  ２３：モーター、
２４：背面組合せアンギュラ軸受、  ２５：パージガス入口、
２６：パージガス出口、  ２７：軸封装置、  ２８：受熱部、
２９：熱輸送部、  ３０：空冷熱放散部、  ３１：冷却扇、
３２：フィン、  ３３：蒸発部、  ３４：熱輸送パイプ、  ３５：封入水、
３６：遮蔽、  ３７：開口部、  ３８：遮蔽支持部材、
３９：第一の軸封装置、  ４０：第二の軸封装置、  ４１：軸継手、
４２：パージガス入り口
【発明を実施するための最良の形態】  以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。図１は本発明の実施例に係わる高温ガス送風用ファンの側面断面図であり、１はスクロール、２はスクロール吸い込み口、３はインペラ、４はスクロール吐き出し口、５は冷却部、６は回転軸、７は軸受、８は外部保温層、９はファン軸側磁気継手、１０はモーター軸側磁気継手、１１は非磁性隔壁、１２はケーシング、１３は取付フランジ、１４は冷却水入側配管、１５は冷却水出側配管、１６は断熱層、１７は第二の軸受、１８はファン軸側軸継手９に設けられた永久磁石、１９はファン軸側軸継手に設けられた永久磁石１８に相対峙してモーター軸側磁気継手１０に設けられた永久磁石、２０はＯリング、２１は背板カラー、２１ａは背板、２１ｂはカラー、２２は断熱スペーサ、２３はモーターを示す。
図１において、高温ガスはスクロール１の吸い込み口２から吸い込まれ、回転翼とディスクからなるインペラ３の回転により昇圧されて吐き出し口４から吐き出されるため、インペラ３の温度は高温ガス温度と同等の例えば７００℃以上の温度レベルに達する。そのような高温下で高速回転するため、特にインペラ３の回転翼の根元部分に大きな遠心応力が発生する。
また、固体酸化物型燃料電池の場合の高温ガスである高温燃料ガスは、体積比で３０〜５０％の水蒸気を含有するため、高温水蒸気酸化による材料強度の劣化に対する配慮も必要となる。
よって高温ガスと直接接触するインペラ３が、あるいはインペラ３及び回転軸６が、高温強度が高く高温水蒸気酸化に対する耐性に優れる材料で構成される必要がある。本実施例においてはＦｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系合金であるインコロイ（登録商標）８００Ｈをインペラ３及び回転軸６に採用しているが、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｃｏ系合金などが使用される場合もある。またより好ましくは、気孔率が１０％以下の緻密質の炭化珪素や窒化珪素やサイアロンなどのセラミックスが採用される。
冷却部５は本実施例においては水冷ジャケットであり、回転軸６と同軸且つ非接触の状態で、更に軸受７の外輪と直接接触する状態で配置される。本実施例においては該水冷ジャケットに例えば７０℃の冷却水を供給して水冷ジャケット表面温度を高温ガスの露点７０℃以上の例えば８０℃に維持して回転軸６を輻射冷却し、且つ軸受７を熱伝導で冷却しているので、内部で結露も発生せずしかも軸受７は許容温度以下に保たれるので長期に渉って安定的に使用される。供給冷却水の温度は運転時のプロセスガスの露点温度よりも高いことが好ましいが、より好ましくは供給冷却水の温度は運転時のプロセスガスの露点温度よりも５℃以上高く設定されている。また本実施例は回転軸６が鉛直でインペラ３が上方に、モーター２３が下方に設置される配置としているため、水冷ジャケットの冷却水通路の上方部に気泡が残留し、該気泡残留部における冷却能が低下する場合があるので、前記冷却水通路の上方部には図示せぬ気泡抜きを設置している。
冷却水は図示せぬポンプにより循環供給され、図示せぬ冷却装置によって７０℃まで冷却されている。
背板カラー２１は、インペラ３の回転部分の背面を覆う背板２１ａと、回転軸６と同軸且つ非接触の状態で配置されたカラー２１ｂとから構成されている。背板２１ａとカラー２１ｂはインロー接合等と図示していない中心保持機構とによって、互いに連結されかつ夫々が共通の中心を保ちつつ熱膨張できるようになっている。背板２１ａはスクロール１と共に該高温ガス送風用ファン内部の高温ガスの流路を形成する。断熱層１６の材質はセラミックスファイバーなどが使用されるが、背板カラー２１は、該セラミックスファイバーの高温ガス流路への飛散を防止する。背板カラー２１は冷却部５に固定されているが、背板カラー２１と冷却部５との間には断熱スペーサ２２が配置されている。背板２１ａは、高温ガスと直接接触するため、高温ガスと同等の温度レベルに達する。カラー２１ｂは背板２１ａと一体化されており、更に冷却部５との間に存在する断熱スペーサ２２により冷却部５からの冷却効果を遮断しているため、背板２１ａの温度に近い温度レベルとなる。これによって、背板２１ａとカラー２１ｂの温度差による熱変形が防止されると共に燃料電池システムの熱損失低減が可能となる。
背板２１ａ、カラー２１ｂの材質は、高温強度と高温水蒸気酸化に対する耐性を有するステンレス鋼や耐熱鋳鋼やセラミックスが使用されるが、本実施例においてはＳＵＳ３１６を使用している。断熱スペーサ２２の材質は、コージエライトやチタン酸アルミなどの低熱伝導セラミックスが使用される。本実施例においてはコージエライトを使用している。また、カラー２１ｂの材質を低熱伝導セラミックスとし断熱スペーサ２２の機能を併せ持たすことも可能である。
回転軸６のインペラ３と反対側の軸端には、対をなす磁気継手の第１の継手体であるファン軸側磁気継手９が取り付けられている。モーター軸の軸端には第１の継手体と対向した形で第２の継手体であるモーター軸側磁気継手１０が取り付けられている。ファン軸側磁気継手９とモーター軸側磁気継手１０との間には、磁力と伝達トルクとの関係から定められる３〜１０ｍｍ程の間隙が設けられている。前記間隙には通気性を持たぬ、例えばプラスチック、非磁性セラミックス、ベークライト等の材料からなる非磁性隔壁１１が配置され、非磁性隔壁１１とケーシング１２との取り付け部にはＯリング２０やパッキンなどのシール材が配置されている。ここで云うケーシング１２は、第二の軸受１７と非磁性隔壁１１を支持している構造体である。しかし、本発明においてケーシングというときは、冷却部５および後述する受熱部２８（図４参照）の外側の構造体をも含んでいる。ケーシング１２と取付フランジ１３及びスクロール１と取付フランジ１３はフランジ接続されており、各々の接続面には図示せぬＯリングやパッキンなどのシール材が設けられている。冷却水入り側配管１４及び冷却水出側配管１５と取付フランジ１３との間にも図示せぬシール装置が設けられている。ファン軸側磁気継手９に使用される永久磁石１８、モーター軸側磁気継手１０に使用される永久磁石１９は熱安定性、耐食性に優れる希土類コバルト磁石が好ましい。
前述の構成により、ケーシング１２と非磁性隔壁１１とによる密閉空間が構成される。前記密閉空間の中でケーシング１２と非磁性隔壁１１におけるシール部分は、固定部品同士のシールであり温度的にも充分冷却されているので、Ｏリングやパッキンおよび液体パッキンなどの安価なシール材で完全ガスタイトのシールが可能となる。
すなわちケーシング１２と非磁性隔壁１１で密閉空間を作ることにより、常時パージガスを使用することなく、高温ガス送風用ファンは外の雰囲気に対して完全ガスタイトとなる。
高温ガスが可燃性である場合、高温可燃性ガスが該密閉空間内に侵入し、該密閉空間内の空気と混合することになる。該密閉空間の容積は例え燃焼が発生しても、発熱量が周囲への熱放散に比して十分小さいよう設計上の配慮をしてある。高温可燃性ガスの圧力が何らかの原因により前記密閉空間の圧力より低くなる場合には、該密閉空間内の空気がプロセス中に漏洩し局部燃焼を起したり、高温可燃性ガスへの若干の汚染をもたらす可能性があるが、該密閉空間の容積を最小限に抑えることで十分対処可能である。
高温ガス送風用ファンを固体酸化物型等燃料電池に適用した場合、プロセスを停止する時、操業中７００〜１０００℃に加熱されたプロセスガスである高温燃料ガスの加熱を停止して温度を下げる。その際、プロセス本体は熱容量が大きいため温度が徐々に低下し、かつ内部ガスが非凝縮性の窒素、空気等で置換されるので水分が凝縮することはない。しかし、ケーシング１２は熱容量が小さいため外気にケーシング１２が露出した設計であれば、該ケーシング全体の温度が急速に下がり、密閉空間ゆえに置換されにくい水蒸気を含有する残留プロセスガスの温度も急速に低下する。ケーシング外壁にライニングされた外部保温層８はこのような懸念をなくすために設けられている。すなわち、セラミックスファイバーなどの断熱材で構成される外部保温層８は、ケーシング１２の外周部に装着され、ケーシング外部の雰囲気による冷却を大幅に緩和するため、前記密閉空間内で水分が凝縮することはない。
図２は本発明の第二の実施例を示す側面断面図で、図１の第二の軸受１７を削除し、軸受７を背面組合せアンギュラ軸受２４に変更したものである。図１と本実施例の説明で使用しない同じ部品については符号を割愛してある。
背面組合せアンギュラ軸受２４は、１組の軸受で両方向のアキシャル荷重、ラジアル荷重、モーメント荷重を同時に受けることができるため、第二の軸受が不要となる。本実施例によれば、図２に示されるように、背面組合せアンギュラ軸受２４とファン軸側磁気継手９までの距離が短くなり、非磁性隔壁１１とケーシング１２とで構成する密閉空間の体積が大幅に小さくなる。該密閉空間の体積が小さくなることで、前記高温可燃性ガスが該密閉空間に拡散侵入し、該密閉空間内の残留空気と混合し、例え燃焼が発生したとしても、発熱量が小さいため瞬時に熱放散するため、問題となるような内部の圧力上昇は起こらない。また、固体酸化物型等燃料電池システムにとって特に重要な、コンパクト化、低コスト化も促進される。背面組合せアンギュラ軸受２４は、１個の複列アンギュラ軸受にしてもよい。
図３は本発明の第三の実施例を示す側面断面図で、図１に軸封装置２７とパージガス入口２５およびパージガス出口２６を追加したものである。図１と本実施例の説明で使用しない同じ部品については符号を割愛してある。
図３において、ケーシング１２と非磁性隔壁１１で構成する密閉空間内には、パージガス入口２５とパージガス出口２６とが設けられている。
高温ガス送風用ファンの運転開始前に、パージガス入口２５とパージガス出口２６とを用いて前記密閉空間内の空気を全て外に排出し、パージガス入口２５とパージガス出口２６をシールすることで前記密閉空間内に不活性ガスを封入することができる。軸封装置２７はパージガスである不活性ガスの使用量低下や、不活性ガスのプロセス内への混入に伴う問題回避のために有効である。
前記密閉空間内に不活性ガスを封入しておくことで、この空間内で高温可燃性ガスの燃焼あるいは爆発を起こす危険性は全くなくなる。更にケーシング１２内部における結露の可能性もなくなる。
前述の通り、ケーシング１２と非磁性隔壁１１で構成する密閉空間内に不活性ガスを封入することにより、水分を含む可燃性の高温ガスの場合でも完全ガスタイトで燃焼あるいは爆発の危険性及び結露の全くない高温ガス送風用ファンを得ることが可能となる。
図３において軸封装置２７をグランドパッキンとしているが、Ｏリング、ラビリンス、オイルシールなども使用可能である。非磁性隔壁１１の材質は渦電流発生によるトルク伝達効率の低下を防ぐため非磁性である必要がある。図１〜図３では非磁性隔壁１１の材質として例えばベークライト板を使用した。前述の不活性ガスは窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどが好ましい。
図４は本発明の第四の実施例を示す側面断面図であり、１はスクロール、３はインペラ、６は回転軸、７は軸受、２７は軸封装置、９はファン軸側磁気継手、１０はモーター軸側磁気継手、１１は非磁性隔壁、１２はケーシング、１６は断熱層、２８は受熱部、２９は熱輸送部、３０は空冷熱放散部、３１は冷却扇を示している。図５は図４のＰ矢視図で、受熱部２８、断熱層１６、フィン３２を断面で示している。２９は熱輸送部、３０は空冷熱放散部、３１は冷却扇を示している。
受熱部２８は高温ガスと直接接触するインペラ３と軸受７との中間領域に、回転軸６と同軸且つ非接触の状態で配置され、回転軸６を通じて熱伝導される熱流束を輻射伝熱と対流熱伝達で回転軸６から直接受熱するとともに、軸封装置２７及び軸受７を通じて熱伝導にて受熱する。更にインペラ３と軸受７との間に配置される断熱層１６を通じて熱伝導される熱流束を受熱する。受熱部２８の材質は熱伝導率の高い銅もしくは銅合金、アルミもしくはアルミ合金であることが好ましい。熱輸送部２９の機能は受熱部２８で受熱した熱量を効率良く空冷熱放散部３０に熱輸送することである。よって熱輸送部として、熱伝導率の高い銅もしくは銅合金、アルミもしくはアルミ合金の無垢棒が使用される場合もあるが、本実施例では等価熱伝導率が銅の熱伝導率の数１０〜数１０００倍であり高い熱輸送力を有するヒートパイプを採用した。
ヒートパイプの容器材質は銅、鉄、ステンレス鋼、アルミニウムなどがあり、容器に封入される作動液体は、水、ナフタリン、ダウサム−Ａ、メタノール、アンモニア、アセトン、フロン−１２などがあり、数々の組合せが適用できるが、本実施例では容器材質として銅を使用し、封入される作動液体は水を使用している。前述の銅と水との組合せからなるヒートパイプの使用温度領域は２０〜２５０℃であり、軸受温度を１００℃以下に冷却することを目的とした本実施例においては好ましく使用できる。ヒートパイプによる抜熱は減圧下で封入された作動液体の蒸発潜熱を利用している。該作動液体として採用した水の蒸発潜熱は２．２Ｊ／ｋｇと前述した他の作動液体の中では最大であることから、非常に高い熱輸送能力を発揮する。
ヒートパイプの本数は必要抜熱量とヒートパイプの最大熱輸送量とから算出し決定する。受熱部２８と熱輸送部２９を構成するヒートパイプとの接合部は、受熱部２８で受熱した熱量を効率良くヒートパイプに伝熱するため接合面積は極力大きくとることが好ましい。また該接合部における接触熱抵抗を減らすため、ヒートパイプを受熱部２８に設けられたヒートパイプ取り付け穴に圧入して有効接触面積を大きくすることが好ましい。また圧入の際、高熱伝導グリスをヒートパイプ表面に塗布することも好ましい。またヒートパイプのパイプ材を予め受熱部２８にロウ付けもしくは溶接し、その後該パイプ中に水などの作動流体を封入すればさらに好ましい。
空冷熱放散部３０は多数のフィン３２からなるヒートシンクで構成されている。ヒートパイプにおいては、ヒートパイプ内の作動液体である水が受熱部２８において蒸発し、これが水蒸気分圧の差で空冷熱放散部３０に移送され、空冷熱放散部３０で凝縮した水がウィック等による毛細管現象や重力によって再び受熱部２８に還流するので、ウィック等の有無に関らず空冷熱放散部３０は受熱部２８よりも上方に配置されることが好ましい。
水冷の熱伝達率は空冷の場合の１００〜３００倍であるため、水冷と同等の冷却能力を得るために、フィン３２の総表面積は従来技術である水冷式の水冷ジャケット部抜熱部面積の１００〜３００倍以上であることが望ましい。またヒートパイプは曲げ加工も可能であるので、受熱部２８の直上に空冷熱放散部３０を配置できぬ場合でも、ヒートパイプを任意に曲げることで空冷熱放散部３０を、受熱部２８よりも相対位置が上方で、且つ充分な放熱面積を得られる適切な位置に配置することが可能である。
フィン３２とヒートパイプとは、ヒートパイプによって輸送された熱が全てのフィンに均一に熱伝導で伝わるように該フィンの略中央部をヒートパイプが貫通して接合されている。空冷熱放散部３０を構成するフィン３２の表面から空気による対流熱伝達で、受熱部２８で受熱し熱輸送部２９にて輸送された熱流束が大気に放散される。空冷熱放散部３０に冷却扇３１を取り付け、フィン３２を強制空気冷却、すなわち空冷すれば対流熱伝達率が増大し冷却能力が向上するのでフィン３２の総表面積を減少させることができる。
空冷熱放散部３０を形成するフィン３２の材質は熱伝導率の高い銅もしくは銅合金、アルミもしくはアルミ合金であることが望ましい。
本実施例においては、高温ガス温度が８５０℃である。これに対しフィンの総表面積を０．２ｍ２とし、冷却扇を用いて２０℃の空気を流速５ｍ／ｓｅｃでフィンの間を通したところフィン表面の対流熱伝達率は１２ｗ／ｍ２Ｋとなった。その結果、フィンの平均温度は６０℃、受熱部平均温度は８０℃となり初期の目標温度である１００℃以下を達成した。本実施例における抜熱量は９６ｗと算出されるが、受熱部２８の温度分布をより均一化するため、最大熱輸送量１００ｗのヒートパイプを２本使用した。
前述の通り、冷却扇３１の使用により冷却能力は向上するが、冷却扇による強制空冷なしでも、周囲の大気の自然対流による冷却が可能である。前述の本実施例において冷却扇を使用しない場合、フィン表面の自然対流熱伝達率は８ｗ／ｍ２Ｋとなった。その結果、フィンの平均温度は８０℃、受熱部平均温度は１００℃となった。
固体酸化物型燃料電池の場合、高温ガス送風用ファンの駆動用モーター２３及び冷却扇３１の電源は該燃料電池自体で発電する直流電源が使用される。何らかの理由で該燃料電池の運転が急停止し、ファン駆動用モーター及び冷却扇の運転が停止しても前述の通り、自然対流熱伝達による冷却は継続するため、軸受７や軸封装置２７の過熱を防ぐことが容易にできる。
本実施例における高温ガスの露点は７０℃である。本実施例においては受熱部平均温度が８０℃と露点より高いため、受熱部２８近傍での結露はない。
しかし、空冷熱放散部３０にて空冷する外気温度が著しく低い場合、受熱部２８の温度が露点より低くなり受熱部２８近傍で結露する可能性がある。その場合、結露した水滴が断熱層１６に浸透し断熱性能が劣化したり、水滴が高温状態の回転軸６あるいはインペラ３に接触し、インペラ３から回転軸６に至る温度勾配を変化せしめ、インペラ３や回転軸６に過度の熱応力が発生し、インペラ３や回転軸６の破断や熱変形の原因となる可能性がある。
しかし、ヒートパイプを適切に設計・製作することにより、この問題は好ましく回避できる。すなわち、ヒートパイプは、容器内に所定の減圧下で密封された作動液体が蒸発する際の蒸発潜熱で抜熱する機能であるため、所定の減圧下における作動液体の沸点よりも低温には冷却できない。したがって、作動液体の沸点が露点よりも高くなるように、作動液体を封入する際の圧力を調整しておけば、受熱部２８近傍における結露を防止することが可能となる。
本実施例は、ファン軸側磁気継手９とモーター軸側磁気継手１０との間隙に非磁性隔壁１１を配置し、回転軸６を囲む空間を非磁性隔壁１１とケーシング１２とで外界から遮断密閉すると共に、受熱部２８と熱輸送部２９と空冷熱放散部３０からなる空冷機構を有している。
すなわち本実施例によれば、固体酸化物型燃料電池で使用する高温可燃性ガスを完全にシールすることができ、且つ、空冷により軸受などの冷却が可能となり、燃料電池システム自体で発電する電源のみで運転可能となると共に、冷却水ポンプや冷却水用冷却機構などが不要となり、固体酸化物型燃料電池に適用するための条件を満足する高温ガス送風用ファンを得ることが可能となる。
本発明において高温ガス送風用ファンの回転軸および軸受などは、このように受熱部２８と熱輸送部２９と空冷熱放散部３０からなる空冷機構で好ましく冷却できる。この空冷機構は、図１に例示した高温ガス送風用ファンの冷却部５に対しても適用可能であり、水冷ジャケットによる水冷機構を該空冷機構で代替することができる。
図６は本発明の第五の実施例を示す平面図であり、スクロール１、蒸発部３３、熱輸送パイプ３４、軸受７、軸封装置２７、断熱層１６、前記蒸発部３３よりも上方に配置された空冷熱放散部３０、フィン３２を断面で示している。図７は図６のＱ矢視図で、スクロール１、蒸発部３３、軸受７、軸封装置２７、断熱層１６、ケーシング１２、封入水３５を断面で示している。３４は熱輸送パイプを、３１は冷却扇を示す。図８は図７のＸ−Ｘ断面図である。
蒸発部３３の内部には二重円筒状の空間が設けられている。熱輸送パイプ３４は中空のパイプであり、空冷熱放散部３０側の端部は密閉され、蒸発部３３側の端部は開放で蒸発部３３内部の前記空間に連通され、熱輸送パイプ３４と蒸発部３３との接合部は密閉シールされている。すなわち蒸発部３３内部の空間と熱輸送パイプ３４内部とは一体化された空間を形成している。該一体化された空間には所定の減圧下で前記二重円筒の内筒部分全体が没する程度に水３５が封入され、所謂ウィックのない２相流サーモサイフォンヒートパイプを形成している。
蒸発部３３が高温ガスからの熱流束を受熱し温度上昇すると、減圧下の水３５が例えば５０℃で蒸発し、その際の蒸発潜熱により蒸発部３３で受熱した熱流束を抜熱する。水蒸気は蒸発部内部の空隙と熱輸送パイプ内部とで一体化された空隙の中を上昇し空冷熱放散部３０に到達し冷却され凝縮する。凝縮する際に輸送した熱量を空冷熱放散部３０に受け渡す。空冷熱放散部３０にて冷却され凝縮した水は重力によって元の蒸発部３３に戻る。空冷熱放散部３０の機能、構成は第四の実施例のものと同じである。
蒸発部３３は二重円筒の内筒部分が軸受７及び軸封装置２７を保持するハウジングとなっている。上述したように該内筒部分は蒸発部３３に封入する水中に没しているため、この部分の温度は極力均一に保たれ、熱歪が発生することはなく、正常な回転、軸封機能が確保されている。
第四の実施例は、ヒートパイプによる熱輸送部２９と受熱部２８が一体化されておらず、受熱部２８と熱輸送部２９との間に熱抵抗が存在するのに対し、第五の実施例は蒸発部３３と熱輸送パイプ３４が一体化されサーモサイフォンヒートパイプが形成されており両者間に熱抵抗が存在しないため、蒸発部温度は第四の実施例の受熱部温度よりも低温となる。
第四の実施例と同じ条件下で第五の実施例による蒸発部温度を実測したところ、第四の実施例では８０℃であった受熱部平均温度が、第五の実施例の蒸発部平均温度は７５℃であった。
図９は本発明の第六の実施例を示す側面断面図であり、１はスクロール、２はスクロール吸い込み口、３６は遮蔽、３７は開口部、３８は遮蔽を支える支持部材を示す。
固体酸化物型等燃料電池に高温ガス送風用ファンを適用する場合、コスト面および設置スペースの面の制約から、大径のインペラを低速回転で回すより、小径のインペラを高速で回して風量、風圧などの仕様を満足する必要がある。しかし、高速で回転するインペラに異物などが衝突すると、インペラの破損あるいは変形の原因となる場合がある。
よってインペラの破損や変形の原因となり得る大きさの異物をスクロールの吸い込み口２から吸い込まないようにするための集塵装置が必要となる。
高速回転するインペラ３に対して、どの程度の大きさの異物が衝突すると折損や変形などの悪影響を与えるかについては、インペラ外径の周速すなわち最大衝突速度と異物の粒径との関係を実験などによって明らかにすることで求められる。
上記実験などにより、ファンの使用最高回転数に対応する異物の許容粒径が判明すれば、該許容粒径を有する異物の終末沈降速度が算出される。
高温ガス送風用ファンが、天井から炉内に鉛直下向きに設置される場合は、スクロール吸い込み口２の内径寸法を、該吸い込み口を通過する高温ガスの流速が前記終末沈降速度より小さくなるように設定しておけば、インペラ３の破損や変形の原因となり得る異物を吸い込むことは無い。
一方、高温ガス送風用ファンが炉底より鉛直上向きに設置される場合や、側壁から炉内に水平に設置される場合は、前記吸い込み口を通過する高温ガスの流速を前記終末沈降速度より小さくなるように設定すると共に、上方からインペラ３への異物の落下に対しても対策する必要がある。
図９は、高温ガス送風用ファンが炉底より鉛直上向きに設置される場合を示しており、高温ガスは開口部３７を通過してスクロール吸い込み口２から吸い込まれる。高温ガスが開口部３７を通過する際の通過流速Ｖｓは、ファンの吸い込み風量と開口部面積とから決まる。
前記許容粒径を有する異物が上方から前記終末沈降速度Ｗｓで、遮蔽３６の外径ぎりぎりをかすめて通過した場合、開口部３７の高さＨを通過する際、前記高温ガスの通過流速Ｖｓによって開口部方向に流される距離Ｌは次式で表される。
Ｌ＝Ｈ×Ｖｓ／Ｗｓ
遮蔽３６の外径寸法Ｄはスクロール吸い込み口２のｄ１寸法に対して、次式を満たすように大きくしているので、前記許容粒径よりも大きな粒径の異物は吸い込まない。またスクロール吸い込み口２の真上から落下する異物も、スクロール吸い込み口２に侵入することもない。
（Ｄ−ｄ１）／２＞Ｌ
前述の通り、遮蔽３６と遮蔽３６を支える支持部材３８からなる非常に簡単な慣性集塵装置をスクロール吸い込み口２に設置することで、異物の吸い込みや侵入によるインペラの破損や変形を防ぐことが可能となる。
本実施例においてインペラ外径の周速は２０５ｍ／秒であり、実験によりインペラ材質である炭化珪素の破損原因となり得る異物の重量は０．００１ｇである。本実施例で想定される異物は比重２．３ｇ／ｃｍ３の不定形耐火物であるので、許容粒径は１ｍｍと算出される。
終末沈降速度Ｗｓを算出する式は次式で表される。（出展：１９７９年日本機械学会発行「管路・ダクトの流体抵抗」１７０頁  式（１１・４）、式（１１・７）より）
Ｗｓ＝｛４×｛（ρｓ／ρａ）−１｝×ｇ×ｄｓ／３／Ｃｄ｝＾０．５
Ｃｄ＝１１／Ｒｅ＾０．５
ここでρｓは異物の密度、ρａは高温ガス密度、ｄｓは許容粒径、Ｒｅはレイノルズ数を示す。上式に諸数値を代入して終末沈降速度Ｗｓ＝８．１ｍ／秒を得た。本実施例における吸い込み風量は１５ｍ３／分であり、スクロール吸い込み口２のｄ１寸法は０．２ｍ、開口部３７の高さＨは０．１ｍとした。
前記ｄ１、Ｈの値から高温ガスの通過流速はＶｓ＝４ｍ／秒と算出され、前記Ｌは０．０５ｍと算出される。よって遮蔽３６の外形寸法Ｄは０．３ｍ以上の外径寸法が必要となるためＤ＝０．３５ｍとした。
高温ガス送風用ファンが固体酸化物型等燃料電池に適用された場合、プロセス制御の異常などにより、高温可燃性ガスがプロセス内で局部燃焼する場合がある。そのような場合、局部燃焼による火炎が直接インペラに接触したり、火炎からの輝炎輻射によりインペラが過熱されることで、インペラに過大な熱応力が発生し、破損や変形の不具合が生じる可能性がある。
そのような場合でも、スクロール吸い込み口２に遮蔽３６を設置しておくことで、インペラへの火炎の接触や、輝炎輻射による過熱を防ぐことが可能となる。遮蔽３６は、板構造ばかりではなく、パイプ等によるグリッド構造、耐熱金網のように熱容量の大きいものがより好ましく使用される。
このように前記遮蔽３６を熱応力対策に使用する場合は、高温ガス送風用ファンが鉛直下向きに設置された場合も、水平に設置された場合にも有効である。
図１０は本発明の第七の実施例を示す側面断面図であり、１はスクロール、２はスクロール吸い込み口を示す。
図１０は、高温ガス送風用ファンが側壁から炉内に水平に設置される場合を示している。スクロール吸い込み口２の内径寸法ｄ２を、高温ガスがスクロール吸い込み口２を通過する際の通過流速Ｖｃが前記許容終末沈降速度Ｗｓより小さくなるように設定し、且つ、スクロール吸い込み口２の上辺部分の長さと下辺部分の長さの差であるＫ寸法と、前記ｄ２との関係を次式とすると、前記許容粒径よりも大きな粒径の異物はスクロール吸い込み口２に吸い込まれることはない。
Ｋ＞ｄ２×Ｖｃ／Ｗｓ
【産業上の利用可能性】  以上説明したように、本発明によれば電源以外のユーティリティを用いずに簡便で完全ガスタイトなシール機構と、空冷による冷却機構を得ることが可能となる。本発明による高温ガス送風用ファンを固体酸化物型等燃料電池に用いれば、長期間安定性の高い高効率操業が可能となる。また、一般工業用の各種熱処理炉や焼成炉への高温ガス送風用ファン導入を促進し、熱効率、品質向上に寄与する。
【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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【国際調査報告】
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