(57)【要約】【課題】簡単な構造でありながらも、過熱によって発生する応力を抑制することができる蒸発器を提供する。【解決手段】水１を加熱して水蒸気１ａにする蒸発器１０であって、内側に配設された燃焼バーナ１２からの燃焼排ガス２を噴射する噴射口１４ａを周面に複数有する円筒状をなす噴射板１４と、噴射板１４の外周面に螺旋状に巻き付けられて一端側から他端側へ向けて内部に水１を流通させる加熱管１６とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を加熱して気化させる蒸発器であって、
一端側から他端側へ向けて内部に前記液体を流通させる加熱管と、
前記加熱管の外周面に隣接すると共に当該加熱管に対して加熱ガスの噴流を噴射する噴射口を当該加熱管の軸方向に沿って複数有する加熱ガス噴射手段と
を備えていることを特徴とする蒸発器。
【請求項２】
請求項１において、
前記加熱ガス噴射手段が、
前記噴射口を複数形成されて前記加熱管の外周面に隣接する噴射板と、
前記噴射板の前記噴射口から加熱ガスを噴射させるように当該加熱ガスを発生させる加熱ガス発生手段と
を備えていることを特徴とする蒸発器。
【請求項３】
請求項２において、
前記加熱管が、隣り合う外周面の間に隙間を有するように、螺旋状、渦状、又は、蛇行状に曲折している
ことを特徴とする蒸発器。
【請求項４】
請求項３において、
前記噴射板が、円筒型をなすと共に、
前記加熱ガス発生手段が、前記噴射板の内側に配設された燃焼バーナを備え、
前記加熱管が、前記噴射板の外周面に周方向に沿って螺旋状に巻き付けられている
ことを特徴とする蒸発器。
【請求項５】
請求項４において、
前記加熱管が、軸方向及び径方向に沿って変位できるように前記噴射板に対して固着されることなく保持されている
ことを特徴とする蒸発器。
【請求項６】
請求項４又は請求項５において、
前記加熱ガス噴射手段が、前記燃焼バーナからの火炎を囲むように配設されて当該火炎による加熱ガスを前記噴射板の前記噴射口に案内する円筒状のガイドフードを備えている
ことを特徴とする蒸発器。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかにおいて、
前記加熱管の内径Ｄに対して前記加熱ガス噴射手段の前記噴射口の開口サイズｄが０．１〜０．５倍であると共に、
単位面積における、前記加熱管の軸方向の軸線部分の断面積Ｓに対する前記加熱ガス噴射手段の前記噴射口の径方向の断面積ｓの合計Σｓの割合（Σｓ／Ｓ）が５〜５０％である
ことを特徴とする蒸発器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸発器に関し、特に、燃料電池の燃料改質装置の過熱水蒸気発生装置に適用すると極めて有効なものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池の燃料改質装置の過熱水蒸気発生装置に適用される蒸発器としては、下記の特許文献１等に記載されているものが知られている。
【０００３】
この特許文献１等に記載されている蒸発器は、フィンと平板とを複数積層した積層型熱交換器からなる蒸発部及びスーパヒート部をジャバラパイプで連絡し、蒸発部の内部へ水を送給する一方、これら積層型熱交換器の外部に燃焼ガスを流通させることにより、蒸発部（液相部）とスーパヒート部（気相部）との温度差に伴って発生する応力を緩和しながら、蒸発部の内部の水を気化させてスーパヒート部で過熱蒸気化して送出することができるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２２４６２１号公報
【特許文献２】特開２００２−０３９０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述したような特許文献１等に記載されている従来の蒸発器は、フィンと平板とを複数積層した積層型熱交換器からなる蒸発部及びスーパヒート部をジャバラパイプで連絡しているため、構造が複雑になってしまい、さらなる小型化や軽量化の要求に応えることが難しかった。
【０００６】
このようなことから、本発明は、簡単な構造でありながらも、過熱によって発生する応力を抑制することができる蒸発器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明による蒸発器は、液体を加熱して気化させる蒸発器であって、一端側から他端側へ向けて内部に前記液体を流通させる加熱管と、前記加熱管の外周面に隣接すると共に当該加熱管に対して加熱ガスの噴流を噴射する噴射口を当該加熱管の軸方向に沿って複数有する加熱ガス噴射手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
第二番目の発明による蒸発器は、第一番目の発明において、前記加熱ガス噴射手段が、前記噴射口を複数形成されて前記加熱管の外周面に隣接する噴射板と、前記噴射板の前記噴射口から加熱ガスを噴射させるように当該加熱ガスを発生させる加熱ガス発生手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
第三番目の発明による蒸発器は、第二番目の発明において、前記加熱管が、隣り合う外周面の間に隙間を有するように、螺旋状、渦状、又は、蛇行状に曲折していることを特徴とする。
【００１０】
第四番目の発明による蒸発器は、第三番目の発明において、前記噴射板が、円筒型をなすと共に、前記加熱ガス発生手段が、前記噴射板の内側に配設された燃焼バーナを備え、前記加熱管が、前記噴射板の外周面に周方向に沿って螺旋状に巻き付けられていることを特徴とする。
【００１１】
第五番目の発明による蒸発器は、第四番目の発明において、前記加熱管が、軸方向及び径方向に沿って変位できるように前記噴射板に対して固着されることなく保持されていることを特徴とする。
【００１２】
第六番目の発明による蒸発器は、第四番目又は第五番目の発明において、前記加熱ガス噴射手段が、前記燃焼バーナからの火炎を囲むように配設されて当該火炎による加熱ガスを前記噴射板の前記噴射口に案内する円筒状のガイドフードを備えていることを特徴とする。
【００１３】
第七番目の発明による蒸発器は、第一番目から第六番目の発明のいずれかにおいて、前記加熱管の内径Ｄに対して前記加熱ガス噴射手段の前記噴射口の開口サイズｄが０．１〜０．５倍であると共に、単位面積における、前記加熱管の軸方向の軸線部分の断面積Ｓに対する前記加熱ガス噴射手段の前記噴射口の径方向の断面積ｓの合計Σｓの割合（Σｓ／Ｓ）が５〜５０％であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る蒸発器によれば、加熱管の一端側から他端側へ向けて内部に液体を流通させ、当該加熱管の外周面に隣接する加熱ガス噴射手段から当該加熱管の軸方向に沿って燃焼排ガス２を噴出させることにより、温度勾配に発生に伴う熱応力を集中させることなく気体を得ることができるので、簡単な構造でありながらも、過熱によって発生する応力を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る蒸発器の実施形態を図１，２に基づいて説明する。図１は、蒸発器の概略構成図、図２は、図１の要部の抽出拡大図である。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１６】
図１に示すように、支持板１１には、燃焼バーナ１２の基端側が支持されている。燃焼バーナ１２の先端側には、円筒状のガイドフード１３の基端側が当該燃焼バーナ１２からの火炎を包囲するように当該燃焼バーナ１２と同軸をなして取り付けられている。前記支持板１１には、周面に噴射口１４ａを複数形成した円筒状をなす噴射板１４の基端側が前記燃焼バーナ１２及び前記ガイドフード１３を包囲するように当該燃焼バーナ１２及び当該ガイドフード１３と同軸をなして取り付けられている。噴射板１４の先端側は、セラミックスファイバ等からなる断熱性を有する蓋板１５で閉塞されている。
【００１７】
前記噴射板１４の外周面には、液体である水１を内部に流通させる加熱管１６が当該噴射板１４に隣接するように周方向に沿って螺旋状に曲折して巻き付けられており、当該加熱管１６は、軸方向及び径方向に沿って変位できるように、隣り合う外周面の間に隙間を有しながら当該噴射板１４に対して固着されることなく、その一端側と他端側とが前記支持板１１に対して固定保持されている。前記支持板１１には、先端側を閉塞された円筒状のカバー１７の基端側が前記部材１２〜１６を包囲するように前記部材１２〜１４と同軸をなして取り付けられている。カバー１７には、加熱ガスである燃焼排ガス２の排出口１７ａが設けられている。
【００１８】
なお、本実施形態では、燃焼バーナ１２等により加熱ガス発生手段を構成し、当該加熱ガス発生手段、ガイドフード１３、噴射板１４、蓋板１５等により加熱ガス噴射手段を構成している。
【００１９】
このような本実施形態に係る蒸発器１０の作用を次に説明する。
【００２０】
加熱管１６の一端側から水１を送給すると共に、燃焼バーナ１２から火炎を生じさて燃焼排ガス２を発生させると、ガイドフード１３が、燃焼排ガス２を内側で基端側から先端側に向かって流すように案内した後に、先端側で外周面と噴射板１４との間に流入させるように切り返して、当該間を基端側へ向かって流すように当該燃焼排ガス２を案内する。
【００２１】
ガイドフード１３と噴射板１４との間を流通した燃焼排ガス２は、噴射板１４を加熱すると同時に、当該燃焼排ガス２を噴射板１４の前記噴射口１４ａから当該噴射板１４の外側へ噴出し、加熱管１６の隣り合う外周面の間の隙間を通るように当該加熱管１６に接触して当該加熱管１６を加熱しながらカバー１７内を流通して排出口１７ａから排出する。
【００２２】
このため、加熱管１６の内部を流通する水１は、噴射板１４からの輻射熱及び前記噴射口１４ａから噴出して前記隙間を流通する燃焼排ガス２の対流熱伝達により、加熱管１６を介して加熱されて気化し、水蒸気１ａとなってそのまま加熱管１６の内部を流通して他端側から送出する。
【００２３】
このとき、加熱管１６は、ドライアウト点（水１が過熱されて水蒸気１ａとなる位置）の発生による温度勾配が軸方向に生じるだけなので、亀裂等の損傷を発生させるような応力が集中することはない。
【００２４】
つまり、本実施形態に係る蒸発器１０は、加熱管１６の一端側から他端側へ向けて内部に水１を流通させ、当該加熱管１６の外周面に隣接する噴射板１４の、当該加熱管１６の軸方向に沿って複数有する噴射口１４ａから燃焼排ガス２を噴出させることにより、温度勾配に発生に伴う熱応力を集中させることなく水蒸気１ａを得るようにしたのである。
【００２５】
したがって、本実施形態に係る蒸発器１０によれば、簡単な構造でありながらも、過熱によって発生する応力を抑制することができる。
【００２６】
また、加熱管１６が、軸方向及び径方向に沿って変位できるように噴射板１４に対して固着されることなく保持されているので、温度変化に伴う伸び差を緩衝することができ、損傷等の発生をより確実に防止することができる。
【００２７】
また、加熱管１６が、螺旋状をなすように曲折しているので、温度変化に伴う全体としての変化量を抑えることができ、損傷等の発生をより確実に防止することができる。
【００２８】
また、前述した特許文献１等に記載されている従来の蒸発器においては、燃焼ガスをそのまま利用すると、温度が高すぎて（約１２００℃）損傷してしまう可能性があることから、燃焼ガスに空気を混合してガス温度を低下（約６００℃）させて使用する必要があるため、混合用の空気を送給するための動力源が必要になると共に、加熱用のガスの送給量が増加して配管径が大きくなってしまい、装置の大型化を招いてしまうものの、本実施形態に係る蒸発器１０においては、高温（約１２００℃）の燃焼排ガス２をそのまま利用しても損傷することはないので、混合用の空気を使用する必要がなく、混合用の空気を送給するための動力源が不要であると共に、加熱用のガスの送給用の配管径の拡大化を抑制することができ、装置の小型化を図ることができる。
【００２９】
さらに、噴射板１４は、加熱管１６の外周面に隣接していることから、加熱管１６内を流通する水１等との熱交換により結果的に常に冷却されるようになるので、燃焼排ガス２が非常に高温（例えば１２００℃）であっても、上昇温度を大幅に抑えることができ（約４００℃程度）、温度上昇に伴う変形や損傷等を大幅に抑制することができる。
【００３０】
このため、燃焼バーナ１２からの燃焼排ガス２の温度を低くする必要がなくなり、燃焼バーナ１２に供給する空気を必要十分な量で済ますことができ、単位熱量当たりの燃焼排ガス２の体積量を必要最小限に抑える、すなわち、少量の燃焼排ガス２でも損傷等を発生させることなく過熱することができるので、装置の小型化や軽量化をさらに図ることができると共に、熱回収効率（ボイラ効率）を向上させることができる。
【００３１】
具体的には、例えば、加熱管１６の一端側から常温の水１を供給すると共に（２２５ｇ／分）、燃焼バーナ１２から約１３００℃の火炎（空気比２．０、空気量５００リットル／分、熱量１７ｋＷ）を生じさせて燃焼排ガス２を発生させると、カバー１７の排出口１７ａから約３００℃の燃焼排ガス２が排出されると共に、加熱管１６の他端側から約４００℃に過熱された水蒸気１ａ（熱量１１ｋＷ）を得ることができ、装置に亀裂等の損傷を発生させることなく熱回収効率（ボイラ効率）を約７０％（＝１１ｋＷ／１７ｋＷ）とすることができる。
【００３２】
また、噴射板１４が円筒状をなしているので、温度上昇に伴う変形や損傷等をより確実に抑制することができる。
【００３３】
くわえて、燃焼バーナ１２からの火炎を包囲するように円筒状のガイドフード１３を設けたことから、燃焼バーナ１２からの燃焼排ガス２が噴射板１４に直ちに接触することや、噴射板１４の噴射口１４ａから直ちに噴出して加熱管１６に接触することを抑えることができるので、燃焼バーナ１２からの燃焼排ガス２を十分に燃焼させてから熱交換に利用することができ、燃焼排ガス２中に燃料やＣＯが高濃度で残存してしまうことを防止することができる。
【００３４】
ここで、図２に示すように、加熱管１６の内径Ｄに対して噴射板１４の噴射口１４ａの開口サイズｄが０．１〜０．５倍（より好ましくは０．３〜０．４倍）であると共に、単位面積における、加熱管１６の軸方向の軸線部分の断面積Ｓに対する噴射板１４の噴射口１４ａの径方向の断面積ｓの合計Σｓの割合（Σｓ／Ｓ：開口面積比率）が５〜５０％（より好ましくは１０〜３０％）であると、上述した効果を非常に効率よく発現できるため、好ましい。
【００３５】
なお、本実施形態では、円筒状をなす噴射板１４の外周面に加熱管１６を螺旋状に巻き付けると共に、噴射板１４の内側に燃焼バーナ１２を配設するようにしたが、他の実施形態として、例えば、円筒状の噴射板１４の内周面に螺旋状に巻かれた加熱管１６を隣接するように内装すると共に、噴射板１４の外周面側に環状のノズルを有する燃焼バーナを配設することにより、径方向外側から内側へ向けて燃焼排ガス２を流通させるようにすることや、平板状をなす噴射板の上面に渦状又は蛇行状に曲折された加熱管の外周面を隣接させるように配設すると共に、当該噴射板の下面側に燃焼バーナ１２を配設することも可能である。
【００３６】
また、本実施形態では、燃焼バーナ１２を用いて高温（１２００℃）の燃焼排ガス２（加熱ガス）を発生させるようにしたが、高温の加熱ガスを発生できるものであれば、本実施形態の場合と同様に適用することができる。
【００３７】
また、本実施形態では、水１を加熱して水蒸気１ａを生成させる場合について説明したが、本発明は、これに限らず、液体を加熱して気体を生成させる場合であれば、本実施形態の場合と同様にして実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明に係る蒸発器は、簡単な構造でありながらも、過熱によって発生する応力を抑制することができるので、特に、燃料電池の燃料改質装置の過熱水蒸気発生装置に適用すると極めて有効であり、産業上、極めて有益に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る蒸発器の実施形態の概略構成図である。
【図２】図１の要部の抽出拡大図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  水
１ａ  水蒸気
２  燃焼排ガス
１０  蒸発器
１１  支持板
１２  燃焼バーナ
１３  ガイドフード
１４  噴射板
１４ａ  噴射口
１５  蓋板
１６  加熱管
１７  カバー
１７ａ  排出口
【図１】
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【図２】
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