(57)【要約】【課題】簡単な構造でありながらも、効率よく加熱することができる熱交換器及びその製造方法を提供する。【解決手段】燃焼排ガス６で水２を加熱して気化させる熱交換器である蒸発器１０であって、内周面側に燃焼排ガス６を流通させると共に、水２を周方向に沿って流通させる流通路１０ａを軸方向に向かって螺旋状に形成した加熱筒を備えているものであり、この加熱筒が、円筒体１１と、円筒体１１の外周面に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された外側螺旋波形管１２とを備えると共に、円筒体１１の内側に同軸をなして配設された案内筒１３を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の流体と第二の流体との間で熱交換させる熱交換器であって、
内周面側に前記第一の流体を流通させると共に、前記第二の流体を周方向に沿って流通させる流通路を軸方向に向かって螺旋状に形成した熱交換筒を備えている
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
請求項１において、
前記熱交換筒が、
軸方向に向かって螺旋状をなす溝形の流通路を外周面の周方向に沿って形成された円筒体と、
前記円筒体の前記流通路の開口部を閉鎖するように当該円筒体の外周面に同軸をなして嵌合する蓋筒体と
を備えていることを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
請求項１において、
前記熱交換筒が、
円筒体と、
前記円筒体の外周面に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された外側螺旋波形管と
を備えていることを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
請求項１において、
前記熱交換筒が、
円筒体と、
前記円筒体の内周面に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された内側螺旋波形管と
を備えていることを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
請求項１において、
前記熱交換筒が、
軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された内側螺旋波形管と、
軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成されて前記内側螺旋波形管との間に軸方向に向かって螺旋状の前記流通路を形成するように当該内側螺旋波形管の外面に同軸をなして取り付けられた外側螺旋波形管と
を備えていることを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
請求項３において、
前記熱交換筒の前記円筒体の内周面に接触するように当該熱交換筒の内側に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された案内螺旋波形管を備えている
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項７】
請求項４又は請求項５において、
前記熱交換筒の前記内側螺旋波形管に接触するように当該熱交換筒の内側に同軸をなして配設された案内筒を備えている
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項８】
請求項７において、
前記案内筒が、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成されて前記熱交換筒の前記内側螺旋波形管との間に軸方向に向かって螺旋状の流通路を形成するように当該内側螺旋波形管の内面に同軸をなして取り付けられた案内螺旋波形管である
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項９】
請求項２の熱交換器の製造方法であって、
前記流通路を形成された前記円筒体の外周面に前記蓋筒体を焼き嵌めする
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１０】
請求項２の熱交換器の製造方法であって、
前記流通路を形成された前記円筒体の外周面に板材を周方向に沿って設けて当該板材の端部同士を溶接接合することにより、当該円筒体の外周面に前記蓋筒体を取り付ける
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１１】
請求項２の熱交換器の製造方法であって、
前記流通路を形成された前記円筒体を筒材の内側に差し込んで、当該筒材に溶接ビードを形成して当該筒材の周方向の長さを収縮させることにより、当該円筒体の外周面に前記蓋筒体を取り付ける
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１２】
請求項９から請求項１１のいずれかにおいて、
円筒管の両端側を支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面にバイトを押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させて切削加工することにより、前記円筒体を作製する
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１３】
請求項３の熱交換器の製造方法であって、
前記外側螺旋波形管を前記円筒体の外周面に焼き嵌めする
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１４】
請求項３の熱交換器の製造方法であって、
前記外側螺旋波形管よりも小径の前記円筒体を当該外側螺旋波形管内に差し込んで、当該円筒体を拡径して径方向に均一に塑性変形させる
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１５】
請求項１３又は請求項１４において、
円筒管の両端側を押圧支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面に球体を押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させてスピニング加工することにより、前記外側螺旋波形管を作製する
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１６】
請求項４の熱交換器の製造方法であって、
前記円筒体を前記内側螺旋波形管の外周面に焼き嵌めする
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１７】
請求項４の熱交換器の製造方法であって、
前記内側螺旋波形管の外周面に板材を周方向に沿って設けて当該板材の端部同士を溶接接合することにより、当該内側螺旋波形管の外周面に前記円筒体を取り付ける
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１８】
請求項４の熱交換器の製造方法であって、
前記内側螺旋波形管を筒材の内側に差し込んで、当該筒材に溶接ビードを形成して当該筒材の周方向の長さを収縮させることにより、当該内側螺旋波形管の外周面に前記円筒体を取り付ける
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項１９】
請求項１６から請求項１８のいずれかにおいて、
円筒管の両端側を押圧支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面に球体を押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させてスピニング加工することにより、前記内側螺旋波形管を作製する
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項２０】
請求項５の熱交換器の製造方法であって、
前記外側螺旋波形管を前記内側螺旋波形管の外周面に焼き嵌めする
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項２１】
請求項２０において、
円筒管の両端側を押圧支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面に球体を押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させてスピニング加工することにより、前記内側螺旋波形管及び前記内側螺旋波形管をそれぞれ作製する
ことを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項２２】
請求項１から請求項８のいずれかの熱交換器を利用する蒸発器であって、
前記第一の流体として加熱ガスを流通させると共に、前記第二の流体として液体を流通させることにより、当該加熱ガスで当該液体を加熱して気化させるものである
ことを特徴とする蒸発器。
【請求項２３】
請求項２２の蒸発器と、
前記蒸発器の前記熱交換筒の内周面側に加熱ガスを送給する加熱ガス送給手段と、
前記蒸発器の前記熱交換筒の前記流通路に水を供給する水供給手段と、
前記蒸発器の前記熱交換筒の前記流通路に炭化水素からなる燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記蒸発器から送出された水蒸気と共に前記燃料ガスを水蒸気改質して水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる燃料改質手段と、
前記燃料改質手段で改質された前記燃料ガスが燃料極側に送給される燃料電池本体と、
前記燃料電池本体の酸化極側に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と
を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２４】
請求項２３において、
前記加熱ガス送給手段が、
前記蒸発器の前記熱交換筒の内側に配設されて、前記燃料電池本体から排出された燃料ガスを燃焼させて燃焼排ガスを送出する燃焼バーナである
ことを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池発電システムにおいて、燃料電池本体に供給する燃料ガスを改質するために使用する水の蒸発器の従来の一例を図１４に示す。
【０００３】
図１４に示すように、従来の蒸発器２１０は、案内筒２１３を内側に同軸をなして配設した円筒体２１１の外周面にチューブ２１２を螺旋状に巻き付けたものであり、案内筒２１３と円筒体２１１との間に加熱ガス６を流通させると共に、炭化水素系ガスからなる都市ガス等の燃料ガス１及び水２をチューブ２１２内に供給することにより、円筒体２１１及びチューブ２１２を介して上記水２を加熱して水蒸気２ａとして、後流側に配設された燃料改質触媒器へ上記燃料ガス１と共に送給することが簡単な構造でできるようになっている。
【０００４】
【特許文献１】特開平８−３１３１７７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、前述したような従来の蒸発器２１０においては、加熱ガス６で水２を加熱するにあたって、円筒体２１１に対して線接触するだけのチューブ２１２を介するため、効率よく加熱することが難しかった。
【０００６】
このような問題は、燃料電池発電システムに用いられる上述したような蒸発器２１０に限らず、加熱ガスで液体を加熱して気化させる蒸発器であれば、上述の場合と同様にして起こり得るのはもちろんのこと、第一の流体と第二の流体との間で熱交換させる熱交換器であっても、上述の場合と同様にして起こり得ることである。
【０００７】
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、効率よく加熱することができる熱交換器及びその製造方法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】
【０００８】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る熱交換器は、第一の流体と第二の流体との間で熱交換させる熱交換器であって、内周面側に前記第一の流体を流通させると共に、前記第二の流体を周方向に沿って流通させる流通路を軸方向に向かって螺旋状に形成した熱交換筒を備えていることを特徴とする。
【０００９】
第二番目の発明に係る熱交換器は、第一番目の発明において、前記熱交換筒が、軸方向に向かって螺旋状をなす溝形の流通路を外周面の周方向に沿って形成された円筒体と、前記円筒体の前記流通路の開口部を閉鎖するように当該円筒体の外周面に同軸をなして嵌合する蓋筒体とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
第三番目の発明に係る熱交換器は、第一番目の発明において、前記熱交換筒が、円筒体と、前記円筒体の外周面に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された外側螺旋波形管とを備えていることを特徴とする。
【００１１】
第四番目の発明に係る熱交換器は、第一番目の発明において、前記熱交換筒が、円筒体と、前記円筒体の内周面に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された内側螺旋波形管とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
第五番目の発明に係る熱交換器は、第一番目の発明において、前記熱交換筒が、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された内側螺旋波形管と、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成されて前記内側螺旋波形管との間に軸方向に向かって螺旋状の前記流通路を形成するように当該内側螺旋波形管の外面に同軸をなして取り付けられた外側螺旋波形管とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
第六番目の発明に係る熱交換器は、第三番目の発明において、前記熱交換筒の前記円筒体の内周面に接触するように当該熱交換筒の内側に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された案内螺旋波形管を備えていることを特徴とする。
【００１４】
第七番目の発明に係る熱交換器は、第四番目又は第五番目の発明において、前記熱交換筒の前記内側螺旋波形管に接触するように当該熱交換筒の内側に同軸をなして配設された案内筒を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第八番目の発明に係る熱交換器は、第七番目の発明において、前記案内筒が、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成されて前記熱交換筒の前記内側螺旋波形管との間に軸方向に向かって螺旋状の流通路を形成するように当該内側螺旋波形管の内面に同軸をなして取り付けられた案内螺旋波形管であることを特徴とする。
【００１６】
また、前述した課題を解決するための、第九番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第二番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記流通路を形成された前記円筒体の外周面に前記蓋筒体を焼き嵌めすることを特徴とする。
【００１７】
第十番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第二番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記流通路を形成された前記円筒体の外周面に板材を周方向に沿って設けて当該板材の端部同士を溶接接合することにより、当該円筒体の外周面に前記蓋筒体を取り付けることを特徴とする。
【００１８】
第十一番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第二番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記流通路を形成された前記円筒体を筒材の内側に差し込んで、当該筒材に溶接ビードを形成して当該筒材の周方向の長さを収縮させることにより、当該円筒体の外周面に前記蓋筒体を取り付けることを特徴とする。
【００１９】
第十二番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第九番目から第十一番目の発明のいずれかにおいて、円筒管の両端側を支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面にバイトを押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させて切削加工することにより、前記円筒体を作製することを特徴とする。
【００２０】
第十三番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第三番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記外側螺旋波形管を前記円筒体の外周面に焼き嵌めすることを特徴とする。
【００２１】
第十四番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第三番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記外側螺旋波形管よりも小径の前記円筒体を当該外側螺旋波形管内に差し込んで、当該円筒体を拡径して径方向に均一に塑性変形させることを特徴とする。
【００２２】
第十五番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第十三番目又は第十四番目の発明おいて、円筒管の両端側を押圧支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面に球体を押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させてスピニング加工することにより、前記外側螺旋波形管を作製することを特徴とする。
【００２３】
第十六番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第四番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記円筒体を前記内側螺旋波形管の外周面に焼き嵌めすることを特徴とする。
【００２４】
第十七番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第四番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記内側螺旋波形管の外周面に板材を周方向に沿って設けて当該板材の端部同士を溶接接合することにより、当該内側螺旋波形管の外周面に前記円筒体を取り付けることを特徴とする。
【００２５】
第十八番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第四番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記内側螺旋波形管を筒材の内側に差し込んで、当該筒材に溶接ビードを形成して当該筒材の周方向の長さを収縮させることにより、当該内側螺旋波形管の外周面に前記円筒体を取り付けることを特徴とする。
【００２６】
第十九番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第十六番目から第十八番目の発明のいずれかにおいて、円筒管の両端側を押圧支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面に球体を押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させてスピニング加工することにより、前記内側螺旋波形管を作製することを特徴とする。
【００２７】
第二十番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第五番目の発明に係る熱交換器の製造方法であって、前記外側螺旋波形管を前記内側螺旋波形管の外周面に焼き嵌めすることを特徴とする。
【００２８】
第二十一番目の発明に係る熱交換器の製造方法は、第二十番目の発明において、円筒管の両端側を押圧支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面に球体を押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させてスピニング加工することにより、前記内側螺旋波形管及び前記内側螺旋波形管をそれぞれ作製することを特徴とする。
【００２９】
また、第二十二番目の発明は、第一番目から第八番目の発明のいずれかの熱交換器を利用する蒸発器であって、前記第一の流体として加熱ガスを流通させると共に、前記第二の流体として液体を流通させることにより、当該加熱ガスで当該液体を加熱して気化させるものであることを特徴とする。
【００３０】
また、第二十三番目の発明は、第二十二番目の発明に係る蒸発器と、前記蒸発器の前記熱交換筒の内周面側に加熱ガスを送給する加熱ガス送給手段と、前記蒸発器の前記熱交換筒の前記流通路に水を供給する水供給手段と、前記蒸発器の前記熱交換筒の前記流通路に炭化水素からなる燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記蒸発器から送出された水蒸気と共に前記燃料ガスを水蒸気改質して水素ガスを含有する燃料ガスを生成させる燃料改質手段と、前記燃料改質手段で改質された前記燃料ガスが燃料極側に送給される燃料電池本体と、前記燃料電池本体の酸化極側に酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段とを備えていることを特徴とする燃料電池発電システムである。
【００３１】
第二十四番目の発明は、第二十三番目の発明において、前記加熱ガス送給手段が、前記蒸発器の前記熱交換筒の内側に配設されて、前記燃料電池本体から排出された燃料ガスを燃焼させて燃焼排ガスを送出する燃焼バーナであることを特徴とする燃料電池発電システムである。
【発明の効果】
【００３２】
本発明に係る熱交換器によれば、熱交換筒を介して加熱ガスと液体とが面接触するようになるので、簡単な構造でありながらも、効率よく加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明に係る熱交換器及びその製造方法の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、図面に基づいて以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。
【００３４】
［第一番目の実施形態］
本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の第一番目の実施形態を図１，２に基づいて説明する。図１は、蒸発器の要部の概略構成図、図２は、図１の蒸発器を利用した燃料電池発電システムの概略構成図である。
【００３５】
本実施形態に係る蒸発器は、図１に示すように、加熱ガスである燃焼排ガス６で液体である水２を加熱して気化させる蒸発器１０であって、内周面側に第一の流体である燃焼排ガス６を流通させると共に、第二の流体である水２を周方向に沿って流通させる流通路１０ａを軸方向に向かって螺旋状に形成した熱交換筒である加熱筒を備えているものであり、この加熱筒が、円筒体１１と、円筒体１１の外周面に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された外側螺旋波形管１２とを備えてなるものである。さらに、この蒸発器１０は、円筒体１１の内側に同軸をなして配設された案内筒１３を備えている。
【００３６】
このような本実施形態に係る蒸発器１０において、上記外側螺旋波形管１２は、円筒管の両端側を押圧支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面に球体の押圧ローラを押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させてスピニング加工することにより、容易に作製することができる。
【００３７】
そして、上記外側螺旋波形管１２を円筒体１１の外周面に焼き嵌めすることや、上記外側螺旋波形管１２よりも小径の円筒体１１を当該外側螺旋波形管１２内に差し込んだ後、当該円筒体１１の内部に径方向に拡縮可能な拡径治具を差し込んで円筒体１１を拡径して径方向に均一に塑性変形させることや、上記外側螺旋波形管１２よりも小径の円筒体１１を当該外側螺旋波形管１２内に差し込んだ後、当該外側螺旋波形管１２の内径と同等の外径を有するプラグを円筒体１１の内側に嵌め込んで引き抜き、径方向に均一に塑性変形させること等により、本実施形態に係る蒸発器１０を容易に作製することができる。
【００３８】
このようにして作製可能な本実施形態に係る蒸発器１０においては、円筒体１１の外周面と外側螺旋波形管１２との間に形成される螺旋状の前記流通路１０ａに上方から水２を供給すると共に、円筒体１１の内周面、すなわち、円筒体１１と前記案内筒１３との間に下方から燃焼排ガス６を流通させると、燃焼排ガス６の熱が上記円筒体１１を介して上記流通路１０ａ内を流通する水２に伝達し、当該水２が加熱されて水蒸気２ａとなって下方から送出される。
【００３９】
このとき、燃焼排ガス６が円筒体１１に対して面接触すると共に、水２も円筒体１１に対して面接触しているので、加熱効率が高まるようになる。
【００４０】
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、効率よく加熱することができる。
【００４１】
次に、上述した本実施形態に係る蒸発器１０を利用した燃料電池発電システムを図２に基づいて説明する。
【００４２】
本実施形態にかかる燃料電池発電システムは、図２に示すように、上述した蒸発器１０と、蒸発器１０の円筒体１１の内周面側に加熱ガスである燃焼ガス６を送給する加熱ガス送給手段である燃焼バーナ１１１と、蒸発器１０の前記流通路１０ａに水２を供給する水供給手段である水供給源１２２と、蒸発器１０の前記流通路１０ａに炭化水素系ガスからなる都市ガス等の燃料ガス１を供給する燃料ガス供給手段である燃料ガス供給源１２１と、蒸発器１０から送出された水蒸気２ａと共に前記燃料ガス１を水蒸気改質して水素ガスを含有する燃料ガス１を生成させる燃料改質手段である、燃料改質触媒器１３１，ＣＯ変成触媒器１３２，ＰＲＯＸ触媒器１３３と、これら燃料改質手段１３１〜１３３で改質された前記燃料ガス１が燃料極側に送給される燃料電池本体１４１と、燃料電池本体１４１の酸化極側に酸素を含有する酸化ガスである空気３を供給する酸化ガス供給手段である送風ファン１２３とを備えている。
【００４３】
前記蒸発器１０は、円筒体１１及び外側螺旋波形管１２並びに案内筒１３の基端側が、支持板１４に支持されると共に、円筒体１１の先端側が蓋板１５で閉塞される。案内筒１３の先端側と蓋板１５との間には、隙間が形成される。
【００４４】
前記燃焼バーナ１１１は、蒸発器１０の円筒体１１の内側に同軸をなすように前記支持板１４に支持され、送給ファン１１２からの燃焼用の空気４及び燃料ガス供給源１１３からの燃焼用の都市ガス等の燃料ガス５と共に、前記燃料電池本体１４１から排出された燃料ガス１を燃焼させることにより、前記案内筒１３の先端側と前記蓋板１５との間の隙間を介して、燃焼排ガス６を蒸発器１０の円筒体１１と前記案内筒１３との間に流通させることができるようになっている。
【００４５】
前記燃料改質触媒器１３１は、蒸発器１０の前記流通路１０ａから送出された燃料ガス１及び水蒸気２ａとを反応させて一酸化炭素と水素とに改質する水蒸気改質反応（ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2）を行うものであり、前記蒸発器１０を構成する前記円筒体１１の外周面の一部に周方向にわたって配設され、上記水蒸気改質反応を行うに際して、前記燃焼バーナ１１１からの燃焼排ガス６の熱を利用するようにしている。
【００４６】
前記ＣＯ変成触媒器１３２は、前記燃料改質器１３１から送給された一酸化炭素と水蒸気２ａとを反応させて二酸化炭素と水素とに変成するＣＯ変成（ＣＯシフト）反応（ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2）を行うものである。
【００４７】
前記ＰＲＯＸ触媒器１３３は、前記ＣＯ変成触媒器１３２から送出された一酸化炭素と酸素とを反応させて二酸化炭素に選択酸化反応（ＣＯ＋１／２Ｏ2→ＣＯ2）を行うものである。
【００４８】
前記燃料電池本体１４１は、前記ＰＲＯＸ触媒器１３３からの改質された燃料ガス１中の水素ガスと、送風ファン１２３からの空気３とを電気化学的に反応させて発電することができるものである。
【００４９】
このような本実施形態に係る燃料電池発電システムにおいては、送給ファン１１２及び燃料ガス供給源１１３から燃焼用の空気４及び燃料ガス５を燃焼バーナ１１１に供給し、燃焼バーナ１１１から火炎を生じさせて燃焼排ガス６を発生させると共に、燃料供給源１２１及び水供給源１２２から燃料ガス１及び水２を蒸発器１０の前記流通路１０ａに上方から供給すると、上記燃焼排ガス６は、蒸発器１０の案内筒１３の内部を下方に流れて、当該案内筒１３の先端側と蓋板１５との間の隙間から円筒体１１と案内筒１３との間に流入して当該間を上昇する一方、燃料ガス１及び水２は、蒸発器１０の円筒体１１の外周面に沿って軸方向に向かって螺旋状に流下し、上記間を流通する燃焼排ガス６からの熱により加熱され、水２が水蒸気２ａとなって燃料ガス１と共に燃料改質触媒器１３１に送給される。上記間を流通した燃焼排ガス６は、図示しない排気口から外部へ排出される。
【００５０】
燃料改質触媒器１３１に送給された燃料ガス１及び水蒸気２ａは、先に説明したように、一酸化炭素と水素とに改質された後、ＣＯ変成触媒器１３２に送給されて一酸化炭素と水蒸気２ａとが二酸化炭素と水素とに変成されてから、ＰＲＯＸ触媒器１３３に送給されて一酸化炭素と酸素とが二酸化炭素に選択酸化された後に燃料電池本体１４１の燃料極側に送給され、上記改質反応によって生成した水素ガスが、前記送風ファン１２３から燃料電池本体１４１の酸化極側に送給された空気３の酸素と電気化学的に反応することにより、発電する。
【００５１】
燃料電池本体１４１で発電に使用された燃料ガス１は、前記燃焼バーナ１１１に送給され、前記送給ファン１１２及び前記燃料ガス供給源１１３からの燃焼用の空気４及び燃料ガス５と共に燃焼される一方、燃料電池本体１４１で発電に使用された空気３は、外部へ排出される。
【００５２】
このような本実施形態に係る燃料電池発電システムにおいては、簡単な構造でありながらも、効率よく加熱することができる蒸発器１０を利用していることから、燃焼バーナ１１１からの燃焼排ガス６の熱量を小さくすることができるので、燃焼用の燃料ガス５の消費量を削減することができる。
【００５３】
したがって、本実施形態に係る燃料電池発電システムによれば、ランニングコストを低減することができる。
【００５４】
なお、例えば、前記蒸発器１０を１ｋＷ級の燃料電池発電システムに適用する場合、蒸発器１０の入口側での温度が、燃焼排ガス６で４００〜６００℃、水２と燃料ガス１との混合体で常温〜２００℃、蒸発器１０内を流れる流体の流量が、燃焼排ガス６で５〜３０ＮＬ／分、水２で１〜２０ｇ／分、燃料ガス１で０〜５ＮＬ／分となり、当該条件から、前記蒸発器１０の加熱筒の外側螺旋波形管１２の管径Ｄ、管長Ｌ、伝熱面積Ａ（＝πＤＬ）を設定する。
【００５５】
また、伝熱効率を高めるために、外側螺旋波形管１２の波形のピッチＰをできるだけ小さくする、すなわち、流通路１０ａの断面積Ｓをできるだけ小さく設定する。他方、水２が水蒸気２ａとなる相変化を生じることから、相変化に十分に対応できるように、流通路１０ａの断面積Ｓの下限値を設定する。このような各種条件を十分に考慮して上述した各種値が設定される。このため、条件によっては、例えば、上記ピッチＰを上方から下方へ順次小さくすることや、上記ピッチＰを上方から下方へ順次大きくすると、より好ましい場合もある。
【００５６】
［第二番目の実施形態］
本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の第二番目の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、蒸発器の要部の概略構成図である。なお、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を本実施形態でも用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００５７】
本実施形態に係る蒸発器は、図３に示すように、加熱ガスである燃焼排ガス６で液体である水２を加熱して気化させる蒸発器２０であって、内周面側に第一の流体である燃焼排ガス６を流通させると共に、第二の流体である水２を周方向に沿って流通させる流通路２０ａを軸方向に向かって螺旋状に形成した熱交換筒である加熱筒を備えているものであり、この加熱筒が、円筒体２２と、円筒体２２の内周面に同軸をなして取り付けられて軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された内側螺旋波形管２１とを備えてなるものである。さらに、この蒸発器２０は、円筒体２２の内側に同軸をなして配設された案内筒１３を備えている。
【００５８】
このような本実施形態に係る蒸発器２０において、上記内側螺旋波形管２１は、前述した第一番目の実施形態の前記外側螺旋波形管１２の場合と同様にして、円筒管から容易に作製することができる。
【００５９】
そして、前述した第一番目の実施形態の場合と同様にして、円筒体２２を上記内側螺旋波形管２１の外周面に焼き嵌めすることにより、本実施形態に係る蒸発器２０を容易に作製することができる。
【００６０】
また、例えば、図４に示すように、上記内側螺旋波形管２１の外周面に板材２２ａを周方向に沿うように湾曲させて設けて、当該板材２２ａの端部同士を溶接接合すると共に、当該板材２２ａの縁端を当該内側螺旋波形管２１に溶接接合することにより、当該内側螺旋波形管２１の外周面に円筒体２２を周方向に締め付けるようにして取り付けることによっても、本実施形態に係る蒸発器２０を容易に作製することができる。
【００６１】
このような図４に示したような方法によれば、板材２２ａの上記周方向の長さと内側螺旋波形管２１の径方向のサイズとに誤差が多少ある場合や、内側螺旋波形管２１の真円度が高くない場合であっても、内側螺旋波形管２１に対して円筒体２２を密着させることが容易にできるので、非常に好ましい。
【００６２】
また、例えば、図５に示すように、上記内側螺旋波形管２１の外周面に複数（図４では２枚）の板材２２ｂを湾曲させて設けて、当該板材２２ｂの端部同士を溶接接合すると共に、当該板材２２ｂの縁端を当該内側螺旋波形管２１に溶接接合することにより、当該内側螺旋波形管２１の外周面に円筒体２２を周方向に締め付けるようにして取り付けることによっても、本実施形態に係る蒸発器２０を容易に作製することができる。
【００６３】
このような図５に示したような方法によれば、上述した図４に示した場合と同様に、当該板材２２ｂの上記周方向の長さと内側螺旋波形管２１の径方向のサイズとに誤差が多少ある場合や、内側螺旋波形管２１の真円度が高くない場合であっても、内側螺旋波形管２１に対して円筒体２２を密着させることが容易にできるのはもちろんのこと、板材２２ｂの溶接接合する端部同士の箇所が複数（図４では２箇所）あるので、内側螺旋波形管２１に対する円筒体２２の密着性（締め付け具合）を周方向に均一にすることが容易にできるので、さらに好ましい。
【００６４】
なお、例えば、図６に示すように、上記内側螺旋波形管２１を筒材２２ｃの内側に差し込んで、当該筒材２２ｃに溶接ビード２２ｃａを形成して当該筒材２２ｃの周方向の長さを収縮させると共に、当該筒材２２ｃの縁端を当該内側螺旋波形管２１に溶接接合することにより、当該内側螺旋波形管２１の外周面に円筒体２２を周方向に締め付けるようにして取り付けることによっても、本実施形態に係る蒸発器２０を容易に作製することが可能である。
【００６５】
このようにして作製可能な本実施形態に係る蒸発器２０においては、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、円筒体２２の内周面と内側螺旋波形管２１との間に形成される螺旋状の前記流通路２０ａに上方から水２を供給すると共に、内側螺旋波形管２１の内周面、すなわち、内側螺旋波形管２１と前記案内筒１３との間に下方から燃焼排ガス６を流通させると、燃焼排ガス６の熱が上記内側螺旋波形管２１を介して上記流通路２０ａ内を流通する水２に伝達し、当該水２が加熱されて水蒸気２ａとなって下方から送出される。
【００６６】
このとき、燃焼排ガス６が内側螺旋波形管２１に対して面接触すると共に、水２も内側螺旋波形管２１に対して面接触しているので、加熱効率が高まるようになる。
【００６７】
つまり、前述した第一番目の実施形態では、円筒体１１の外周面に外側螺旋波形管１２を取り付けて加熱筒を構成するようにしたが、本実施形態では、円筒体２２の内周面に内側螺旋波形管２１を取り付けて加熱筒を構成するようにしたのである。
【００６８】
したがって、本実施形態に係る蒸発器２０によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、簡単な構造でありながらも、効率よく加熱することができるのはもちろんのこと、内側螺旋波形管２１を介して燃焼排ガス６の熱を水２に伝達するようにしたので、前述した第一番目の実施形態の場合よりも伝熱面積をさらに増やすことができ、前述した第一番目の実施形態の場合よりもさらに効率よく加熱することができる。加えて、前記螺旋波形管２１が、内周面側よりも外周面側で高い精度を有するため、外周面に円筒体２２を取り付けることにより、前述した第一番目の実施形態の場合よりも流通路２０ａの精度を高めることができる。
【００６９】
また、前述した第一番目の実施形態の蒸発器１０の場合と同様にして、本実施形態に係る蒸発器２０も燃料電池発電システムに利用することができ、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００７０】
［第三番目の実施形態］
本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の第三番目の実施形態を図７に基づいて説明する。図７は、蒸発器の要部の概略構成図である。なお、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一，二番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を本実施形態でも用いることにより、前述した第一，二番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
【００７１】
本実施形態に係る蒸発器は、図７に示すように、加熱ガスである燃焼排ガス６で液体である水２を加熱して気化させる蒸発器３０であって、内周面側に第一の流体である燃焼排ガス６を流通させると共に、第二の流体である水２を周方向に沿って流通させる流通路３０ａを軸方向に向かって螺旋状に形成した熱交換筒である加熱筒を備えているものであり、この加熱筒が、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された内側螺旋波形管２１と、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成されて内側螺旋波形管２１との間に軸方向に向かって螺旋状の前記流通路３０ａを形成するように内側螺旋波形管２１の外面に同軸をなして取り付けられた外側螺旋波形管１２とを備えてなるものである。さらに、この蒸発器３０は、円筒体１１の内側に同軸をなして配設された案内筒１３を備えている。
【００７２】
このような本実施形態に係る蒸発器３０は、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様にして円筒管から上記螺旋波形管１２，２１をそれぞれ容易に作製することができ、前述した第一番目の実施形態の場合と同様にして、外側螺旋波形管１２を内側螺旋波形管２１の外周面に焼き嵌めすること等により、容易に作製することができる。
【００７３】
このようにして作製可能な本実施形態に係る蒸発器３０においては、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、外側螺旋波形管１２の内周面と内側螺旋波形管２１の外周面との間に形成される螺旋状の前記流通路３０ａに上方から水２を供給すると共に、内側螺旋波形管２１の内周面、すなわち、内側螺旋波形管２１と前記案内筒１３との間に下方から燃焼排ガス６を流通させると、燃焼排ガス６の熱が上記内側螺旋波形管２１を介して上記流通路３０ａ内を流通する水２に伝達し、当該水２が加熱されて水蒸気２ａとなって下方から送出される。
【００７４】
このとき、燃焼排ガス６が内側螺旋波形管２１に対して面接触すると共に、水２も内側螺旋波形管２１に対して面接触しているので、加熱効率が高まるようになる。
【００７５】
つまり、前述した第一番目の実施形態では、円筒体１１の外周面に外側螺旋波形管１２を取り付けて加熱筒を構成し、前述した第二番目の実施形態では、円筒体２２の内周面に内側螺旋波形管２１を取り付けて加熱筒を構成するようにしたが、本実施形態では、内側螺旋波形管２１の外周面に外側螺旋波形管１２を取り付けて加熱筒を構成するようにしたのである。
【００７６】
したがって、本実施形態に係る蒸発器３０によれば、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、簡単な構造でありながらも、効率よく加熱することができる。
【００７７】
また、前述した第一，二番目の実施形態の蒸発器１０，２０の場合と同様にして、本実施形態に係る蒸発器３０も燃料電池発電システムに利用することができ、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００７８】
［他の実施形態］
なお、前述した第二，三番目の実施形態では、図３，７に示したように、内側螺旋波形管２１と前記案内筒１３との間に隙間をあけるように当該案内筒１３を配設するようにしたが、他の実施形態として、例えば、図８，９に示すように、内側螺旋波形管２１に接触するように当該内側螺旋波形管２１の内側に同軸をなして案内筒４３を配設して、内側螺旋波形管２１と案内筒４３との間に軸方向に向かって螺旋状をなす流通路４０ｂを形成した熱交換器である蒸発器４０，５０とし、燃焼排ガス６を上記流通路４０ｂに流通させて下方から軸方向に向かって螺旋状に流すことにより、燃焼排ガス６による水２の加熱効率をさらに高めるようにすることも可能である。
【００７９】
さらに、円筒管からなる前記案内筒４３に代えて、例えば、図１０〜１２に示すように、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成されて円筒体１１や内側螺旋波形管２１との間に軸方向に向かって螺旋状の流通路６０ｂ，７０ｂを形成するように当該円筒体１１や当該内側螺旋波形管２１の内面に同軸をなして案内螺旋波形管６３を配設することにより、熱交換器である蒸発器６０，７０，８０を構成することも可能である。
【００８０】
また、前述した各実施形態では、軸方向に向かって螺旋状をなす凹凸を形成された前記螺旋波形管を利用して軸方向に向かって螺旋状の流通路を形成するようにしたが、他の実施形態として、例えば、図１３に示すように、熱交換筒である加熱筒が、軸方向に向かって螺旋状をなす溝形の流通路９０ａを外周面の周方向に沿って形成された円筒体９１と、円筒体９１の前記流通路９０ａの開口部を閉鎖するように当該円筒体９１の外周面に同軸をなして嵌合する蓋筒体９２とを備えて熱交換器である蒸発器９０を構成することも可能である。
【００８１】
この蒸発器９０は、円筒管の両端側を支持しながら回転させ、当該円筒管の外周面にバイトを押し付けながら当該円筒管の軸方向に送り運動させて切削加工することにより、上記円筒体９１を容易に作製することができ、前述した第二番目の実施形態の場合と同様に、蓋筒体９２を円筒体９１の外周面に焼き嵌めすることや、上記円筒体９１の外周面に板材を周方向に沿うように湾曲させて設けて、当該板材の端部同士を溶接接合すると共に、当該板材の縁端を当該円筒体９１に溶接接合することにより、当該円筒体９１の外周面に蓋筒体９２を周方向に締め付けるようにして取り付けることや、上記円筒体９１を筒材の内側に差し込んで、当該筒材に溶接ビードを形成して当該筒材の周方向の長さを収縮させると共に、当該筒材の縁端を当該円筒体９１に溶接接合することにより、当該円筒体９１の外周面に蓋筒体９２を周方向に締め付けるようにして取り付けること等により、容易に作製することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係る熱交換器は、簡単な構造でありながらも、効率よく加熱することができることから、例えば、燃料電池発電システムの蒸発器に利用すれば、ランニングコストを低減することができるので、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】
【００８３】
【図１】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の第一番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図２】図１の蒸発器を利用した燃料電池発電システムの概略構成図である。
【図３】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の第二番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図４】図３の蒸発器の製造方法の一例の説明図である。
【図５】図３の蒸発器の製造方法の他の例の説明図である。
【図６】図３の蒸発器の製造方法のさらに他の例の説明図である。
【図７】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の第三番目の実施形態の要部の概略構成図である。
【図８】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の他の実施形態の要部の概略構成図である。
【図９】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の他の実施形態の要部の概略構成図である。
【図１０】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の他の実施形態の要部の概略構成図である。
【図１１】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の他の実施形態の要部の概略構成図である。
【図１２】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の他の実施形態の要部の概略構成図である。
【図１３】本発明に係る熱交換器を蒸発器に利用した場合の他の実施形態の要部の概略構成図である。
【図１４】従来の蒸発器の一例の要部の概略構成図である。
【符号の説明】
【００８４】
１  燃料ガス
２  水
２ａ  水蒸気
３  空気
４  空気（燃焼用）
５  燃料ガス（燃焼用）
６  燃焼排ガス
１０  蒸発器
１０ａ  流通路
１１  円筒体
１２  外側螺旋波形管
１３  案内筒
１４  支持板
１５  蓋板
２０  蒸発器
２０ａ  流通路
２１  内側螺旋波形管
２２  円筒体
２２ａ〜２２ｃ  板材
２２ｃａ  溶接ビード
３０  蒸発器
３０ａ  流通路
４０，５０，６０，７０，８０  蒸発器
４０ｂ，６０ｂ，７０ｂ  流通路
９０  蒸発器
９０ａ  流通路
９１  円筒体
９２  蓋筒体
１１１  燃焼バーナ
１１２  送風ファン（燃焼用）
１１３  燃料ガス供給源（燃焼用）
１２１  燃料ガス供給源
１２２  水供給源
１２３  送風ファン
１３１  燃料改質触媒器
１３２  ＣＯ変成触媒器
１３３  ＰＲＯＸ触媒器
１４１  燃料電池本体
【図１】
2007139404.tif 000003
【図２】
2007139404.tif 000004
【図３】
2007139404.tif 000005
【図４】
2007139404.tif 000006
【図５】
2007139404.tif 000007
【図６】
2007139404.tif 000008
【図７】
2007139404.tif 000009
【図８】
2007139404.tif 000010
【図９】
2007139404.tif 000011
【図１０】
2007139404.tif 000012
【図１１】
2007139404.tif 000013
【図１２】
2007139404.tif 000014
【図１３】
2007139404.tif 000015
【図１４】
2007139404.tif 000016