JP2003089503A - 断熱容器構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、二重構造壁を有する燃料改質装置
の断熱容器の内外壁の温度による熱膨張差を原因とする
内部応力の発生を防止する。 【解決手段】 燃料改質装置は、燃料から水素ガスを発
生させる触媒６を収納した改質器２と、この改質器２の
外側に配置された、内部に空洞部１１を有する内外壁９
ａ，９ｂの二重壁構造の断熱壁９を有する断熱容器３を
備えている。断熱壁９の外壁９ａの周囲には、伸縮自在
のベローズ１６が形成されている。また、断熱壁９の空
洞部１１には、多数の薄板１２が配設され、熱を外壁９
ｂ側に伝わらないようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素等を製造させ
る燃料改質装置の改質器に用いられ、二重壁で形成され
た断熱容器の断熱容器構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料改質装置としては、例えば図
７に示すものが知られている。この燃料改質装置５０
は、断熱容器５１とこの内部に収容される改質器５３と
から形成されている。断熱容器５１は、内部にアルミナ
系断熱材（例えば商品名：カオウール、イソライト工業
製）５２を充填した二重壁構造となっている。断熱材５
２は、容器内面５１ａの温度（７００〜８００℃）が外
気へ放熱して低減するのを防ぐために使用されている。
断熱容器５１の内側には、改質器５３が配置されてい
る。ここで、改質器５３は、有底の二重管構造の筒状体
５４と、この筒状体５４内に配置された筒状の仕切り板
５５と、この仕切り板５５の内側の筒状体５４に収納さ
れた触媒５６と、筒状体５４の内側の空洞部に配置され
たバーナー５７とを具備した構成となっている。こうし
た構成の燃料改質装置においては、原料ガス５８が仕切
り板５５と筒状体５４で囲まれた触媒領域に送られ、そ
の後水素含有ガス５９として取り出される。一方、筒状
体５４の内側に位置する領域は、バーナー５７により加
熱されて加熱ガス６０として取り出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料改質装置によれば、断熱材の熱伝導率は例えば０．
１Ｗ／ｍＫ程度であり、容器内面の温度が６００〜８０
０℃であり、容器の外壁面の温度を５０℃程度に留める
には、壁部が約１５０ｍｍの厚みを要し、燃料改質装置
全体が大きくなるという問題を有していた。また、改質
器の温度が約６００℃とすると、断熱容器の内壁と外壁
との熱膨張差により、外壁より内壁の方が熱膨張する。
断熱壁の素材で変わるが断熱壁がステンレス製でその高
さが６００ｍｍである場合は、内壁と外壁との高さに５
ｍｍ程度の熱膨張差が生じる。この結果、一体的に形成
されている断熱壁に熱応力が発生して、断熱壁の破損や
寿命の低下を引き起こすことがある。本発明はこのよう
な事情に鑑みてなされたもので、装置のコンパクト化と
熱応力による断熱壁の破損等を防止する断熱容器構造を
提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の断熱容器構造
は、上記目的を達成するために、一対の内壁と外壁との
間に空洞部を有する断熱壁が設けられた断熱容器構造に
おいて、上記内壁及び外壁の少なくともいずれか一方
に、該内壁と外壁との熱膨張差を吸収する伸縮部を形成
したことにある。上記断熱容器構造は、燃料から水素ガ
スを発生させる触媒を収納した改質器が断熱容器に収容
されるとともに、該断熱容器の壁部が一対の内壁と外壁
との間に空洞部を有する断熱壁で形成され、上記内壁及
び外壁の少なくともいずれか一方に、該内壁と外壁との
熱膨張差を吸収する伸縮部を形成することができる。ま
た、上記断熱容器構造は、上記断熱容器の周壁が円筒形
状であって、上記伸縮部を円筒形状の周方向全体に亘っ
て形成するとともに、上記伸縮部がベローズにより形成
することが可能である。さらに、上記断熱容器構造は、
上記断熱壁の内壁と外壁との間に形成された空洞部に、
輻射熱を反射する効果を有する薄板を、複数枚、上記内
壁と外壁の壁面に対して平行に配置することにより、よ
り断熱効果が生じるようになる。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下、本発明における第１の実施
の形態による燃焼改質容器に採用されている断熱容器構
造について、図面を参照しながら説明する。図１は本発
明に係る断熱容器構造を採用している燃料改質装置の全
体図である。図に示すように、燃料改質装置１は、改質
器２とこの改質器２を収容する断熱容器３とを備えてい
る。これらのうち、改質器２は、有底の二重管構造の筒
状体４と、この筒状体４内に配置された筒状の仕切り板
５とを設けている。仕切り板５の内側と前記筒状体４と
の間には触媒６が充填され、筒状体４の内側に形成され
ている内部空間にはバーナー７を備えている。触媒６と
しては、可燃性ガスの燃焼を促進する例えば白金元素も
しくはパラジウム系等の触媒が挙げられるが、特にこれ
らには限定されない。

【０００６】断熱容器３は、ステンレス製で有底円筒体
形状を呈しており、また内壁９ａと外壁９ｂとからなる
二重壁構造の断熱壁９であり、それらの間には所定の間
隔を開けて形成された空洞部１１が周壁側及び底壁側の
容器３全体に設けられている。断熱容器３の空洞部１１
内には、それらの壁９ａ，９ｂ面と平行に厚み０．０５
〜３ｍｍ程度の複数枚のステンレス製薄板１２が配置さ
れている。薄板１２には、図２に示すように、パンチン
グにより複数の突起（凹凸部）１３が形成されている。
この突起１３により、複数の薄板１２は一定の距離を保
持して配置することができる。なお、薄板１２は、突起
１３の代わりに、図３に示すように薄板１２に穴をあけ
て、複数枚の薄板１２を支持棒１４でその穴に貫通さ
せ、薄板１２同士の間を例えばセラミック系もしくは石
綿系の断熱性を有するスペーサー１５でその間隔を保持
する構成としてもよい。

【０００７】図１〜図３に示すように、断熱壁９の周壁
側の外壁９ｂには伸縮部としてのベローズ１６を設けて
いる。ベローズ１６は、外壁９ｂの上部側に断熱壁９の
周囲全体に亘って、溶接により接続されている。本実施
の形態では断熱容器３の高さは６００ｍｍであり、ベロ
ーズ１６の伸縮は５ｍｍ程度の伸びの余裕があるものを
用いている。ベローズ１６の取付箇所は、断熱壁９の外
壁９ｂに代えて、図４に示すように断熱壁９の内壁９ａ
側の周囲に設けてもよいし、さらには図５に示すよう
に、その内壁９ａ側と外壁９ｂの両者の周囲に各々設け
てもよい。なお、断熱容器３の形状は、図１のように有
底円筒体を使用することなく、図４及び図５のように底
のない円筒体形状を使用することができる。

【０００８】断熱容器３には、その空洞部１１内の圧力
を検出する圧力検出計１９が接続さされ、断熱容器３の
空洞部１１には、真空ポンプ１８を介装した配管２３が
接続されている。圧力検出器１９は、空洞部１１の圧力
を常に検出しており、圧力が一定圧力（例えば０．０１
ｍｍＨｇ）を上回ると、真空ポンプ１８が真空引きを
し、所定の圧力以下に減圧するようになっている。空洞
部１１が減圧されて任意の圧力に減圧された後、真空ポ
ンプ１８を停止する。もしくは、真空ポンプ１８にタイ
マー１７を設け、これにより、一定時間間隔で真空ポン
プ１８を作動させるようにしてもよい。

【０００９】次に、本発明の断熱容器構造を採用した燃
焼改質装置１の作用について説明する。こうした燃料改
質装置１においては、メタン等の燃料（原料ガス）２０
が仕切り板５と筒状体４で囲まれた触媒領域に送られ、
その後触媒反応を経て水素含有ガス２１として取り出さ
れる。一方、筒状体４の内側に位置する領域は燃料の改
質を促進するためバーナー７により加熱され、加熱ガス
２２として排出される。

【００１０】断熱容器３の空洞部１１には複数枚のステ
ンレス製薄板１２を内外壁９ａ，９ｂの壁面と平行に配
置した構成であるため、容器３の内壁９ａからの輻射を
徐々に遮ることができ、内壁９ａから外壁９ｂへの放射
伝熱を一層低減することができる。図２に示すように、
薄板１２には複数の突起１３が設けられているため、隣
接する薄板１２同士は点接触で配置されることになり、
薄板１２同士の積極的な熱伝導を防止できる。また、空
洞部の真空度を検出する検出器と、空洞部に接続された
真空ポンプとを更に備えた構成にすることが好ましい。
つまり、真空容器では、容器内壁の加熱による壁面から
の脱ガス、容器を透過してくるガスの影響により、時間
とともにその内部圧力が高くなり、その結果容器内のガ
スの熱伝導率が増加して、断熱能力が低下するからであ
る。本実施形態では、断熱容器３の空洞部１１を０．０
１ｍｍＨｇ以下程度の真空に保持した構成になっている
ため、空洞部１１の空気の熱伝導を低下させている。

【００１１】本実施の形態では、図１の燃料改質装置１
を用いた場合、従来（図５）の燃料改質装置に比べて、
約十分の１の熱伝導率になることが確認できた。これ
は、断熱材（商品名：カオウール）の十分の１の厚みで
同等の断熱性能を示すことになり、従来約１５０ｍｍで
あった断熱層が１５ｍｍ程度になることを意味する。こ
の結果、断熱部を含めた改質装置のサイズが、従来は例
えば改質部本体（改質器）の直径が３００ｍｍとすれ
ば、断熱材を含めて６００ｍｍの直径を持っていたもの
が、この真空容器で合計３３０ｍｍの直径ですむことに
なり、大幅なサイズ低下が可能となる。ところで、装置
のサイズ低下は装置表面積の低下につながり、同じ表面
温度とした時の放熱量合計量を低減できて、装置の熱ロ
スを減らし、改質装置の熱効率を向上することができ
る。

【００１２】しかしながら、断熱容器３は、内部に改質
器２を設置しているので、改質器２からの放熱で、内壁
９ａの温度が６００℃程度まで昇温され、断熱壁９の断
熱効果により外壁９ｂの温度が５０℃程度になる。断熱
容器３の内外壁９ａ，９ｂがステンレス製であり、その
高さが６００ｍｍである場合は、内壁９ａの長さが外壁
９ｂの長さよりも５ｍｍ程度余計に、熱膨張して伸び
る。断熱壁９の厚さは、上述したように１５ｍｍであ
り、内壁９ａと外壁９ｂが接近しているので、内壁９ａ
の伸びにより、従来よりも外壁９が大きな変形力を受け
ることになる。すなわち、内壁９ａは熱膨張により伸び
ようとするが、外壁９ｂはそれを阻止しようとする。す
ると、内外壁９ａ，９ｂやその接合部などに応力が発生
することになり、断熱壁９の破損の原因となることがあ
る。この際、外壁９ｂには、ベローズ１６を設けている
ことから、内壁９ａの高さ方向の伸びを外壁９ｂのベロ
ーズ１６が伸びることにより、内外壁９ａ，９ｂの熱膨
張差を吸収することができ、内外壁９ａ，９ｂに生じる
べき熱応力が吸収されて内外壁９ａ，９ｂの破損が防止
される。なお、ベローズ１６を外壁９ｂに設けた場合
は、外壁９ｂの温度が低いので、高温に耐えうるベロー
ズ１６を使用しないですむ利点がある。

【００１３】図４に示すように、内壁９ａ側にベローズ
１６を設けている場合は、内壁９ａが熱膨張すると、ベ
ローズ１６がその熱膨張分だけ縮み、内外壁９ａ，９ｂ
の熱膨張差を吸収することができ、内外壁９ａ，９ｂの
破損が防止される。また、図５に示すように、内外壁９
ａ，９ｂの両側にベローズ１６を設けている場合は、内
壁９ａが熱膨張すると内外壁９ａ，９ｂに設けられてい
るベローズ１６が釣り合い状態となり、内外壁９ａ，９
ｂの各々に発生する応力を吸収するようになる。こうし
て、断熱壁９の破損が防止される。

【００１４】次に、本発明における第２の実施の形態に
よる断熱容器構造について、図６を参照しながら説明す
る。なお、上記第１の実施の形態と同部材は同符号を付
して説明を省略する。上記第１の実施の形態では、断熱
容器が二重壁構造の容器により形成されたが、改質器に
は、改質器の外壁面が断熱容器の内周壁として形成され
ているものがある。すなわち、図６に示す燃焼改質装置
１は、改質器２４の外側にこの改質器２４と気密に連結
された断熱容器２５を設けている。断熱容器２５の内側
には改質器２５の外壁であるとともに、断熱容器２５の
内壁でもある内壁２６が、断熱容器２４の内周側上縁部
に溶接で固着されている。この内壁２６の周囲には外壁
２７が設けられ、内外壁２６，２７の間には空洞部２８
が形成されている。断熱容器２５の外壁２７の上部側に
は、断熱容器２５の外周部全体に亘ってベローズ１６が
設けられている。また、内外壁２６，２７間に形成した
空洞部２８に輻射熱を反射する効果を有する薄板１２
を、複数枚、内外壁２６，２７間に平行に配置してい
る。このような燃焼改質容器の構成によっても、上記実
施の形態と同様な効果を有する。すなわち、ベローズ１
６が釣り合い状態となり、内外壁２６，２７の各々に発
生する応力を吸収するようになり、断熱壁の破損が防止
される。

【００１５】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、勿論、本発明は本発明の技術的思想に基づいて
種々の変形または変更が可能である。例えば、上記実施
の形態では、伸縮部としてベローズを用いたが、ベロー
ズの断面形状については、コ字形状のものを連続的に形
成したものであってもよいし、ベローズ以外のものを使
用してもよい。本発明において、断熱壁の内外壁の材質
及び薄板の材質、厚み、枚数等は特に限定されないが、
薄板の厚みについては二重壁構成の真空容器の空洞部
（又は改質器の外壁面と容器で形成される空洞部）の厚
みを考慮して適宜設定することが好ましい。また、薄板
の枚数については、容器内面の温度からの熱輻射を徐々
に遮るために２枚以上を適宜設定することが好ましい。
更に、薄板の材質としては、輻射熱を反射する効果を有
するものであれば、ステンレス、アルミニウム等の金属
に限定されず、例えばセラミックス等でもよい。また、
上記実施の形態では、突起を薄板の一方の面に設けた場
合について述べたが、これに限らず、反対側の面に設け
てもよいし、あるいは薄板の両面に設けてもよい。断熱
容器３は、燃焼改質装置１の断熱容器３として用いた
が、燃焼改質容器１以外の断熱容器、すなわち、内外壁
の熱膨張差が大きい断熱容器であれば、勿論適用が可能
である。

【００１６】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の請求項１
によれば、一対の内壁と外壁との間に空洞部を有する断
熱壁が設けられた断熱容器構造において、上記内壁及び
外壁の少なくともいずれか一方に、該内壁と外壁との熱
膨張差を吸収する伸縮部を形成したので、内外壁の熱膨
張差を伸縮部が吸収することができ、断熱容器の内外壁
やその接続部の破損を防止することができる。本発明の
請求項２によれば、燃料から水素ガスを発生させる触媒
を収納した改質器が断熱容器に収容されるとともに、該
断熱容器の壁部が一対の内壁と外壁との間に空洞部を有
する断熱壁で形成され、上記内壁及び外壁の少なくとも
いずれか一方に、該内壁と外壁との熱膨張差を吸収する
伸縮部を形成したので、内外壁の熱膨張差の大きな改質
器の容器として断熱容器を用いることができる。本発明
の請求項３によれば、上記断熱容器の周壁が円筒形状で
あって、上記伸縮部を円筒形状の周方向全体に亘って形
成するとともに、上記伸縮部をベローズにより形成した
ので、ベローズの伸縮効果を発揮させることができ、ベ
ローズを容易に断熱容器の内外壁に組み込むことができ
る。本発明の請求項４によれば、上記断熱壁の内壁と外
壁との間に形成された空洞部に、輻射熱を反射する効果
を有する薄板を、複数枚、上記内壁と外壁の壁面に平行
に配置したので、改質部から断熱容器外部への放熱を低
減させるとともに、装置サイズを小型化して熱効率を向
上しえる燃料改質装置を提供できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における燃焼改質装
置の概略全体図である（なお、薄板については、右側部
分にて一部省略している）。

【図２】図１の燃料改質装置における断熱容器の壁部に
ベローズが形成されている部分の拡大断面図である。

【図３】図２の断熱容器の壁部の変形例を示す拡大断面
図である。

【図４】図１の燃料改質装置におけるベローズの取付箇
所の変形例を示す燃焼改質装置の概略全体図である。

【図５】図１の燃料改質装置におけるベローズの取付箇
所の他の変形例を示す燃焼改質装置の概略全体図であ
る。

【図６】本発明の第２の実施の形態における燃焼改質装
置の概略全体図である（なお、薄板については、右側部
分にて一部省略している）。

【図７】従来の燃料改質装置の概略全体図である。

【符号の説明】 １ 燃料改質装置 ２，２４ 改質器 ３ 断熱容器 ４ 筒状体 ５ 仕切板 ６ 触媒 ７ バーナ ９ 断熱壁 ９ａ，２６ 内壁 ９ｂ，２７ 外壁 １１，２８ 空洞部 １２ 薄板 １３ 突起 １４ 支持棒 １５ スペーサ １６ ベローズ １７ タイマー １８ 真空ポンプ １９ 圧力検出計 ２０ 燃料 ２１ 水素含有ガス ２２ 加熱ガス ２３ 配管 ２５ 箱状容器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の内壁と外壁との間に空洞部を有す
   る断熱壁が設けられた断熱容器構造において、上記内壁
   及び外壁の少なくともいずれか一方に、該内壁と外壁と
   の熱膨張差を吸収する伸縮部を形成したことを特徴とす
   る断熱容器構造。
2. 【請求項２】 燃料から水素ガスを発生させる触媒を収
   納した改質器が断熱容器に収容されるとともに、該断熱
   容器の壁部が一対の内壁と外壁との間に空洞部を有する
   断熱壁で形成され、上記内壁及び外壁の少なくともいず
   れか一方に、該内壁と外壁との熱膨張差を吸収する伸縮
   部を形成したことを特徴とする断熱容器構造。
3. 【請求項３】 上記断熱容器の周壁が円筒形状であっ
   て、上記伸縮部を円筒形状の周方向全体に亘って形成す
   るとともに、上記伸縮部をベローズにより形成したこと
   を特徴とする請求項１又は２に記載の断熱容器構造。
4. 【請求項４】 上記断熱壁の内壁と外壁との間に形成さ
   れた空洞部に、輻射熱を反射する効果を有する薄板を、
   複数枚、上記内壁と外壁の壁面に対して平行に配置した
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の断熱
   容器構造。