JP2003302177A - 二重管式熱交換器及びそれを有する改質ガス生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 二重管式熱交換器において、軸方向における
熱の移動の減少させ、且つ、フィン効率の向上を図る。 【解決手段】 略円筒状のマスキング管（１５ａ）の外
周面と略円筒状の内管（１５ｂ）の内周面との間には、
第２流路（１５）が形成されている。内管（１５ｂ）の
外周面と略円筒状のケーシング（３）の内周面との間に
は、第１流路（２３）が形成されている。内管（１５
ｂ）の内周面には第２伝熱フィン（１７ｂ）が設けられ
ている。内管（１５ｂ）の外周面には第１伝熱フィン
（１７ａ）が設けられている。第２流路（１５）内を流
れる原料ガスと第１流路（２３）内を流れる改質ガスと
が、内管（１５ｂ）及び第１及び第２伝熱フィン（１７
ａ，１７ｂ）を介して熱交換を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二重管式熱交換器
及びそれを有する改質ガス生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、特開平１１―６７２５６号公
報に示されるように、固体高分子型燃料電池が知られて
いる。この固体高分子型燃料電池は、固体高分子からな
る電解質を挟んで配置された水素極（燃料極）と酸素極
（空気極）とを有する電池本体を備えている。そして、
その水素極に水素を含む改質ガスを、酸素極に空気を供
給し、両電極間に起電力を発生させる。

【０００３】ここで、上述のような燃料電池の水素極に
供給する改質ガスは、後述する改質ガス生成装置によっ
て生成されることが多い。

【０００４】改質ガス生成装置は、一般的に、原料ガス
を改質ガスに変化させる触媒部と、この触媒部に供給す
る原料ガスと触媒部から排出される改質ガスとを熱交換
させる自己熱交換器とを有している。

【０００５】そして、改質ガス生成装置において、原料
ガスが触媒部を通過することによって、炭化水素が酸化
することにより水素及び一酸化炭素が生成される部分酸
化反応と、炭化水素が酸化することにより水蒸気及び二
酸化炭素が生成される完全酸化反応と、炭化水素と水蒸
気とが反応することにより水素及び一酸化炭素が生成さ
れる水蒸気改質反応と、一酸化炭素と水蒸気とが反応す
ることにより水素及び二酸化炭素が生成される変成反応
とが起こる。その結果、水素が豊富に含まれた改質ガス
が生成される。

【０００６】さらに、自己熱交換器において、生成され
た改質ガスが有する熱を用いて原料ガスが加熱される。
それにより、触媒部において、上記各反応を連続して起
こすことが可能となる。

【０００７】ところで、従来の自己熱交換器は、外管
と、内管と、外管と内管との間及び内管内に設けられた
フィンとを有する二重管式熱交換器で構成されていた。
そして、内管内を原料ガスが流れ、内管と外管との間に
形成された環状部を改質ガスが流れていた。これによ
り、原料ガスは内管を介して、改質ガスと熱交換を行な
っていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記自
己熱交換器には、軸方向への熱の移動が多く、自己熱交
換器の効率が十分ではないという課題があった。すなわ
ち、上記自己熱交換器において、管にフィンが設けられ
ているため、管だけでなくフィンの軸方向にも原料ガス
等の熱が移動する。特に、内管内に設けられたフィン
は、内管の軸心付近まで延びているため、フィンの根元
と先端との長さが長くなる。それにより、軸方向のフィ
ンの断面積が大きくなり、上記フィンにおいては軸方向
に上記熱が移動しやすかった。また、上記フィンの根元
と先端との長さが長いゆえに、フィン効率の低下も招い
ていた。以上より、従来の自己熱交換器においては、熱
交換を効率良く行うことができず、その結果、温度効率
の向上を図ることが困難であった。

【０００９】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、二重管式熱交換器に
おいて、軸方向における熱の移動を減少させ、且つ、フ
ィン効率の向上を図り、それにより、温度効率の向上を
図ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、外管
と、内管と、上記内管の外周面に設けられた第１フィン
とを備え、上記外管と上記内管との間に第１流路が形成
され、上記内管内に第２流路が形成された二重管式熱交
換器であって、上記内管内に設けられ、上記内管に沿っ
て延びる中央部材と、上記内管の内周面に設けられた第
２フィンとを備え、第２流路が、上記内管と上記中央部
材との間に形成されているものである。

【００１１】これにより、中央部材が内管内に設けら
れ、第２流路が内管と中央部材との間に形成されている
ため、従来の二重管式熱交換器と比較して、内管の内周
面に設けられた第２フィンの根元から先端までの長さを
短くすることができる。よって、第２フィンにおける流
路方向断面の断面積が小さくなる。それにより、第２フ
ィンにおける流路方向の熱の移動を抑制することがで
き、また、フィン効率の向上を図ることができる。した
がって、本発明によれば、二重管式熱交換器において、
第２フィンにおける流路方向の熱の移動を減少させ、且
つ、フィン効率の向上を図ることができ、それにより、
温度効率の向上を図ることができる。

【００１２】また、中央部材を単に内管内に設けた構成
であるため、本発明によれば、二重管式熱交換器を安価
に製作することができる。

【００１３】請求項２の発明は、中央部材が管状に形成
されているものである。

【００１４】これにより、中央部材が管状に形成されて
いるため、中央部材が管状に形成されていない場合と比
較して、中央部材における流路方向に直交する方向の断
面積が減少する。よって、中央部材における流路方向の
熱の移動を抑制することができる。したがって、本発明
によれば、二重管式熱交換器の温度効率の向上を更に図
ることができる。

【００１５】請求項３の発明は、管状に形成された中央
部材内には断熱材が充填されているものである。

【００１６】これにより、管状に形成された中央部材内
には断熱材が充填されている。よって、中央部材内部に
おける流路方向の熱の移動を抑制することができる。し
たがって、本発明によれば、二重管式熱交換器の温度効
率の向上を更に図ることができる。

【００１７】請求項４の発明は、外管と内管と管状に形
成された中央部材とが、肉厚≦外径×０.０１の関係式
をそれぞれ満たすものである。

【００１８】これにより、外管、内管、及び中央部材の
肉厚は薄い。したがって、外管、内管、及び中央部材に
おける流路方向の熱の移動を抑制することができる。ま
た、第１流路と第２流路との間に介在する内管の肉厚が
薄いため、第１流路の流体と第２流路の流体との熱交換
を効率良く行うことができる。以上より、本発明によれ
ば、二重管式熱交換器の温度効率の向上を更に図ること
ができる。

【００１９】請求項５の発明は、外管と内管と管状に形
成された中央部材とが、円筒状に形成されているもので
ある。

【００２０】これにより、外管と内管と中央部材とが円
筒状に形成されている。そのため、円筒状に形成された
外管、内管、及び中央部材は、円筒状に形成されていな
い場合と比較して、強度が大きい。したがって、本発明
によれば、上記外管、内管、及び中央部材の肉厚を薄く
しても、二重管式熱交換器の強度を損なうことがない。

【００２１】請求項６の発明は、外管と内管と中央部材
とが、ステンレス鋼で形成されているものである。

【００２２】これにより、外管と内管と中央部材とが熱
伝導性が低いステンレス鋼で形成されているため、外
管、内管、及び中央部材における流路方向の熱の移動を
抑制することができる。したがって、本発明によれば、
二重管式熱交換器の温度効率の向上を更に図ることがで
きる。

【００２３】請求項７の発明は、第１及び第２フィンの
少なくとも一方には、上記流路方向と交わるスリットが
形成されているものである。

【００２４】これにより、フィンには流路方向と交わる
スリットが形成されている。よって、スリットによりフ
ィンにおける流路方向の熱の移動が分断される。その結
果、フィンにおける流路方向の熱の移動が抑制される。
したがって、本発明によれば、二重管式熱交換器の温度
効率の向上を更に図ることができる。

【００２５】また、流路方向と交わるスリットにより、
流路を流れる流体が攪拌される。これにより、上記流体
の流れが乱され、二重管式熱交換器における熱交換を速
やかに行うことができる。

【００２６】請求項８の発明は、第１及び第２フィンの
少なくとも一方が、流路方向に並んで配置された複数の
フィン部によって構成されているものである。

【００２７】これにより、フィンは複数のフィン部によ
って構成され、フィン部は流路方向に並んで配置されて
いる。すなわち、フィンはフィン部として流路方向に分
断されている。よって、フィン部とフィン部との間で流
路方向の熱の移動が分断される。その結果、フィンにお
ける流路方向の熱の移動が抑制される。したがって、本
発明によれば、二重管式熱交換器の温度効率の向上を更
に図ることができる。

【００２８】請求項９の発明は、少なくともフィン部に
おける隣り合うフィン部側の端部が、波形に形成され、
隣り合う一方のフィン部の山部が、他方のフィン部の谷
部と向かい合っているものである。

【００２９】これにより、フィン部の一端における山部
が隣り合うフィン部の一端における谷部に位置するた
め、上記山部及び上記谷部付近における流体が攪拌され
る。これにより、上記流体の流れが乱される。したがっ
て、本発明によれば、二重管式熱交換器における熱交換
を更に速やかに行うことができる。

【００３０】請求項１０の発明は、炭化水素を含む原料
ガスを水素を含む改質ガスに変化させる触媒部と、外管
と、内管と、該内管内に設けられ、上記内管に沿って延
びる中央部材と、上記内管の外周面に設けられた第１フ
ィンと、上記内管の内周面に設けられた第２フィンとを
備え、上記外管と上記内管との間に第１流路が形成され
る一方、上記内管と上記中央部材との間に第２流路が形
成され、上記第１流路には上記触媒部で生成された改質
ガスが流れる一方、上記第２流路には上記触媒部に供給
する原料ガスが流れる二重管式熱交換器と、上記第１流
路の一端に連続し、上記改質ガスを排出する排出部と、
上記第２流路の一端に連続し、上記原料ガスを供給する
供給部と、を備える。

【００３１】ここで、本発明に係る二重管式熱交換器は
温度効率の向上が図られている。よって、本発明によれ
ば、生成された改質ガスが有する熱を用いて原料ガスを
効率良く加熱することができる。その結果、触媒部にお
いて、原料ガスを改質ガスに変化させる過程に生じる発
熱反応と、該発熱反応に続いて生じる吸熱反応とを、活
発に起こすことが可能となる。したがって、本発明に係
る改質ガス生成装置によれば、改質ガスの生産性を上げ
ることができる。

【００３２】請求項１１の発明は、触媒部が上記内管の
軸方向に延びる柱状に形成されるとともに上記内管と軸
方向に並んでおり、一端面が上記第２流路で熱交換した
原料ガスを導く入口端を構成し、改質ガスを側面又は他
端面から上記第１流路に導くように構成され、第２流路
の上記触媒部側が、上記触媒部の上記入口端に向かって
流路面積が大きくなっているものである。

【００３３】これにより、第２流路の触媒部側が、触媒
部の入口端に向かって流路面積が大きくなっているた
め、触媒部の入口端において、原料ガスの導入口として
用いることができる部分の面積が大きくなる。したがっ
て、本発明によれば、原料ガスを触媒部に効率良く供給
することができる。

【００３４】請求項１２の発明は、上記触媒部及び上記
内管を覆い、上記内管の軸方向に延びるケーシングを備
え、上記ケーシングの一部が、上記外管を構成している
ものである。

【００３５】これにより、外管がケーシングによって構
成されているため、外管を別途設ける必要がない。した
がって、本発明によれば、改質ガス生成装置の部材点数
の減少を図ることができる。

【００３６】

【発明の実施の形態】（実施形態１）以下、本発明の実
施形態を図面に基づいて説明する。

【００３７】図１に示す改質ガス生成装置（１）は、い
わゆるオートサーマルリフォーマーであり、例えば、固
体高分子型燃料電池に供給する改質ガスを生成するもの
である。

【００３８】図示は省略するが、固体高分子型燃料電池
は、固体高分子からなる電解質を挟んで配置された水素
極（燃料極）と酸素極（空気極）とを有する電池本体を
備えている。そして、水素極に水素を含む改質ガスを、
酸素極に空気を供給し、両電極間に起電力を発生させ
る。

【００３９】改質ガス生成装置（１）は、鉛直方向（図
１においては上下方向）に延びる略円筒状のケーシング
（３）を有している。ケーシング（３）は、耐熱性が高
く、熱伝導性の低いステンレス鋼で形成されている。ま
た、ケーシング（３）は薄肉管で構成されている。具体
的には、ケーシング（３）は、ケーシング（３）の肉厚
とケーシング（３）の外径とが、ケーシング（３）の肉
厚≦ケーシング（３）の外径×０.０１の関係式を満た
すものである。さらに、ケーシング（３）の内部には、
後述する発熱反応及び吸熱反応の双方を行わせることに
より原料ガスを改質ガスに変化させる触媒部（５）が配
設されている。なお、本発明で言うところの外管はケー
シング（３）によって構成されている。

【００４０】触媒部（５）は、鉛直方向に延びる円柱状
に形成された容器（７）と、この容器（７）内に充填さ
れた触媒とから構成されている。容器（７）は網状部材
から形成され、ガスが容器（７）の内外を通過自在に構
成されている。

【００４１】触媒部（５）は、ケーシング（３）内にお
ける上壁（４）の近傍に、ケーシング（３）と同心とな
るように固定されている。これにより、ケーシング
（３）の上壁（４）の内面と、容器（７）の上壁（８）
との間には、所定の隙間が形成される。一方、ケーシン
グ（３）の内周面と、容器（７）の外周面との間にも、
所定の隙間が形成されている。そして、双方の隙間は、
改質ガスを後述する第１流路（２３）へ導く導出路
（９）を構成している。

【００４２】一方、触媒部（５）の下端にあたる入口端
（１１）には、下方に延びる導入路（１３）が設けられ
ている。

【００４３】改質ガス生成装置（１）には、触媒部
（５）に原料ガスを供給する第２流路（１５）が設けら
れている。図１及び図２に示すように、第２流路（１
５）は、鉛直方向に延びる略円筒状のマスキング管（１
５ａ）の外周面と、鉛直方向に延びる略円筒状の内管
（１５ｂ）の内周面との間に、断面リング状に形成され
ている。なお、内管（１５ｂ）の外周面は、容器（７）
の外周面とほぼ同一面上にある。

【００４４】マスキング管（１５ａ）と内管（１５ｂ）
とは、耐熱性が高く、熱伝導性の低いステンレス鋼で形
成されている。また、マスキング管（１５ａ）と内管
（１５ｂ）とは薄肉管で構成されている。具体的には、
マスキング管（１５ａ）及び内管（１５ｂ）はそれぞ
れ、管（１５ａ，１５ｂ）の肉厚と管（１５ａ，１５
ｂ）の外径とが、管（１５ａ，１５ｂ）の肉厚≦管（１
５ａ，１５ｂ）の外径×０.０１の関係式を満たすもの
である。さらに、マスキング管（１５ａ）と内管（１５
ｂ）とケーシング（３）とは、同心をなしている。な
お、本発明で言うところの中央部材はマスキング管（１
５ａ）によって構成されている。

【００４５】第２流路（１５）は、一端が導入路（１
３）につながれ、導入路（１３）に連続して下方に延び
るように形成されている。第２流路（１５）の他端に
は、原料ガス及び空気を第２流路（１５）内に供給する
供給部（１６）が取り付けられている。供給部（１６）
は改質ガス生成装置（１）の下端部から下方に向かって
延び、その一端が開口している。

【００４６】マスキング管（１５ａ）の外周面と内管
（１５ｂ）の内周面との間には、波形の第２伝熱フィン
（１７ｂ）が設けられている。第２伝熱フィン（１７
ｂ）は内管（１５ｂ）の内周面に接合されている。図３
に示すように、第２伝熱フィン（１７ｂ）には鉛直方向
と直交する複数のスリット（１９）が形成されている。
なお、本発明で言うところの第２フィンは第２伝熱フィ
ン（１７ｂ）によって構成されている。

【００４７】ここで、マスキング管（１５ａ）が内管
（１５ｂ）内に設けられているため、マスキング管（１
５ａ）を設けない場合と比較して、第２流路（１５）の
流路断面積は減少する。その結果、第２伝熱フィン（１
７ｂ）の根元（２２）から先端（２０）までの長さは短
くなっている。

【００４８】また、図１及び図２に示すように、マスキ
ング管（１５ａ）内には断熱材（２１）が充填されてい
る。さらに、マスキング管（１５ａ）の上端部は略円錐
形状の部材によって塞がれる一方、マスキング管（１５
ａ）の下端部は円盤状の部材によって塞がれている。

【００４９】また、改質ガス生成装置（１）には、触媒
部（５）で生成された改質ガスを排出する第１流路（２
３）が設けられている。第１流路（２３）は、第２流路
（１５）の内管（１５ｂ）の外周面と、ケーシング
（３）の内周面との間に、断面リング状に形成されてい
る。そして、第１流路（２３）の一端が導出路（９）に
つながっている。第１流路（２３）の他端には、改質ガ
スを外部へ排出する排出部（２６）が取り付けられてい
る。排出部（２６）は改質ガス生成装置（１）の下端部
から側方に向かって延び、その一端が開口している。

【００５０】図１、図２及び図３に示すように、内管
（１５ｂ）の外周面とケーシング（３）の内周面との間
には、第２伝熱フィン（１７ｂ）とほぼ同様の構成をと
る第１伝熱フィン（１７ａ）が設けられている。第１伝
熱フィン（１７ａ）は内管（１５ｂ）の外周面に接合さ
れている。なお、本発明で言うところの第１フィンは第
１伝熱フィン（１７ａ）によって構成されている。

【００５１】内管（１５ｂ）と、第１及び第２流路（２
３，１５）と、第１及び第２伝熱フィン（１７ａ，１７
ｂ）とは、自己熱交換器（２５）を構成している。すな
わち、改質ガス生成装置（１）には、第２流路（１５）
を流通する原料ガスと、第１流路（２３）を流通する改
質ガスとの間で熱交換を行わせる自己熱交換器（２５）
が設けられている。そして、第２流路（１５）内を流れ
る原料ガスと第１流路（２３）内を流れる改質ガスと
が、内管（１５ｂ）及び第１及び第２伝熱フィン（１７
ａ，１７ｂ）を介して熱交換を行う。なお、本発明で言
うところの二重管式熱交換器は自己熱交換器（２５）に
よって構成されている。

【００５２】次に、本実施形態に係る改質ガス生成装置
（１）の動作について説明する。

【００５３】まず、原料ガス及び空気を、供給部（１
６）を介して第２流路（１５）内へ供給する。原料ガス
及び空気は、自己熱交換器（２５）によって第１流路
（２３）内を流れる改質ガスとの間で熱交換を行いなが
ら、第２流路（１５）内を流れる。

【００５４】次に、第２流路（１５）を通過した原料ガ
ス及び空気は、導入路（１３）内へ流入する。導入路
（１３）内に流入した原料ガス及び空気は、触媒部
（５）の入口端（１１）を通って、容器（７）内部の触
媒層（つまり、触媒部（５）の内部）へ流入する。

【００５５】ここで、触媒部（５）の入口端（１１）側
では、入口端（１１）側を原料ガスが通過することによ
り、主に、炭化水素が酸化することにより水素及び一酸
化炭素が生成される部分酸化反応と、炭化水素が酸化す
ることにより水蒸気及び二酸化炭素が生成される完全酸
化反応とが起こる。

【００５６】部分酸化反応の反応式は、次の式に示す
通りである。この反応は発熱反応であり、その反応熱Δ
Ｈは、ｎ＝１の場合、ΔＨ＝４９．０６ｋＪ／ｍｏｌで
ある。

【００５７】 Ｃ_nＨ_2n+2＋（ｎ／２）Ｏ₂ → ｎＣＯ＋（ｎ＋１）Ｈ₂ ・・・ 完全酸化反応の反応式は、次の式に示す通りである。
この反応も発熱反応であり、その反応熱ΔＨは、ｎ＝１
の場合、ΔＨ＝８２６．１ｋＪ／ｍｏｌである。

【００５８】 Ｃ_nＨ_2n+2＋((３ｎ＋１)／２)Ｏ₂ → ｎＣＯ₂＋（ｎ＋１）Ｈ₂Ｏ・・・ 一方、原料ガスの流れ方向の下流側における触媒部
（５）では、上記下流側を原料ガスが通過することによ
り、主に、炭化水素と水蒸気とが反応して水素及び一酸
化炭素が生成される水蒸気改質反応と、一酸化炭素と水
蒸気とが反応して水素及び二酸化炭素が生成される変成
反応とが行われる。

【００５９】水蒸気改質反応の反応式は、次の式に示
す通りである。この反応は吸熱反応であって、その反応
熱ΔＨは、ｎ＝１の場合、ΔＨ＝１８８．４ｋＪ／ｍｏ
ｌである。

【００６０】 Ｃ_nＨ_2n+2＋ｎＨ₂Ｏ → ｎＣＯ＋（２ｎ＋１）Ｈ₂ ・・・ 変成反応は、次の式に示す通りである。この反応は発
熱反応であって、その反応熱ΔＨは、ΔＨ＝５５．７０
ｋＪ／ｍｏｌである。

【００６１】 ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋Ｈ₂ ・・・ すなわち、触媒部（５）の入口端（１１）側で上記式
及び式の各反応が起こり、炭化水素及び酸素から、水
素、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気がそれぞれ生成
されるとともに、所定の熱量が発生する。そして、これ
ら生成物は、触媒部（５）内の原料ガスの流れに伴い、
下流側の触媒部（５）へ流れる。これにより、上記発生
した熱を吸収して式の反応が起こるとともに、式の
反応が起こる。この反応により、炭化水素、一酸化炭素
及び水蒸気から、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素が生
成される。そして、水素が豊富に含まれた改質ガスは、
触媒部（５）の外周壁面の貫通孔を介して導出路（９）
へ排出される。

【００６２】なお、上記各式〜は、左辺から右辺へ
向かう正方向の反応だけでなく、右辺から左辺へ向かう
逆方向の反応も同時に起こっていると考えられる。しか
し、逆方向の反応に比較して正方向の反応が多いため、
正方向の反応が起こっているとみなすことができる。

【００６３】次に、導出路（９）を通過した改質ガス
は、第１流路（２３）内に流入する。そして、第１流路
（２３）において、改質ガスは、自己熱交換器（２５）
により、第２流路（１５）内を流れる原料ガスとの間で
熱交換を行う。

【００６４】その後、改質ガスは、排出部（２６）を介
して排出され、上述の燃料電池の水素極へ供給される。
一方、燃料電池の酸素極には、空気が供給される。それ
により、両電極間に起電力が発生する。

【００６５】本実施形態によれば、マスキング管（１５
ａ）が内管（１５ｂ）内に設けられ、第２流路（１５）
がマスキング管（１５ａ）の外周面と内管（１５ｂ）の
内周面との間に形成されているため、第２流路（１５）
の流路断面積が減少する。その結果、第２伝熱フィン
（１７ｂ）の根元（２２）から先端（２０）までの長さ
を短くすることができる。よって、第２伝熱フィン（１
７ｂ）の軸方向断面の断面積を小さくすることができ
る。それにより、第２伝熱フィン（１７ｂ）における流
路方向の熱の移動を抑制し、且つ、フィン効率の向上を
図ることができる。したがって、自己熱交換器（２５）
において、温度効率の向上を図ることができる。

【００６６】なお、参考までに、対向流式熱交換器にお
いて、両流体の熱量比が１の場合、流路方向の熱の移動
によるΨ（ＮＴＵ（熱移動単位数））の低下は、以下の
Ｋｒｏｅｇｅｒの式で示される（文献名「Kroeger,P.G,
Performance Detrioration in High Effectiveness Hea
t Exchangers Due to Axial Heat Conductions Effect
s,Adv.Cryogen.Eng.,12(1967),363」）。

【００６７】Ψ＝Ψ₀（１＋αＳＱＲＴ（αΨ₀／（１＋
αΨ₀）））／（１＋αΨ₀） α＝λＡ／（ＬｍＣｐ） ε＝１／（１＋Ψ） ここで、Ａは熱交換壁の流れ方向の断面積、Ｌは流れ方
向の熱交換器の長さ、λは熱交換壁材料の熱伝導率、Ｃ
ｐは流体の定圧比熱、ｍは流体の質量流量、Ψ ₀は流路
方向の熱伝導がない場合の熱移動単位数、εは熱交換率
を表す。なお、本実施形態において、Ａは、内管（１５
ｂ）の流路方向断面の断面積と第１及び第２伝導フィン
（１７ａ，１７ｂ）における流路方向断面の断面積との
和に対応する。

【００６８】図５はαと熱移動単位数Ψとの関係を、図
６はαと熱交換率εとの関係を、Ψ ₀をパラメータとし
て示す。図５及び図６より明らかなように、Ａの値が小
さくなるに伴い、熱移動単位数Ψ及び熱交換率εの値が
大きくなる。したがって、本実施形態により、自己熱交
換器（２５）の温度効率が向上することが分かる。

【００６９】また、マスキング管（１５ａ）を単に内管
（１５ｂ）内に設けた構成であるため、自己熱交換器
（２５）を安価に製作することができる。

【００７０】また、マスキング管（１５ａ）内には断熱
材（２１）が充填されているため、マスキング管（１５
ａ）の内部における軸方向の熱の移動を抑制することが
できる。よって、自己熱交換器（２５）における熱の損
失が減少する。したがって、自己熱交換器（２５）の温
度効率の向上を更に図ることができる。

【００７１】また、ケーシング（３）、マスキング管
（１５ａ）、及び内管（１５ｂ）はそれぞれ、管（３，
１５ａ，１５ｂ）の肉厚と管（３，１５ａ，１５ｂ）の
外径とが、管（３，１５ａ，１５ｂ）の肉厚≦管（３，
１５ａ，１５ｂ）の外径×０.０１の関係式を満たすも
のである。つまり、ケーシング（３）、マスキング管
（１５ａ）、及び内管（１５ｂ）の肉厚は薄い。したが
って、ケーシング（３）、マスキング管（１５ａ）、及
び内管（１５ｂ）における流路方向の熱の移動を抑制す
ることができる。また、第１流路（２３）と第２流路
（１５）との間に介在する内管（１５ｂ）の肉厚が薄い
ため、第１流路（２３）を流れる改質ガスと第２流路
（１５）を流れる原料ガスとの熱交換を効率良く行うこ
とができる。以上より、自己熱交換器（２５）の温度効
率の向上を更に図ることができる。

【００７２】また、ケーシング（３）と内管（１５ｂ）
とマスキング管（１５ａ）とが略円筒状に形成されてい
るため、円筒状に形成されていない場合と比較して、強
度が大きい。よって、ケーシング（３）、内管（１５
ｂ）、及びマスキング管（１５ａ）の肉厚を薄くして
も、自己熱交換器（２５）の強度を損なうことがない。

【００７３】また、ケーシング（３）と内管（１５ｂ）
とマスキング管（１５ａ）とが熱伝導性の低いステンレ
ス鋼で形成されているため、ケーシング（３）と内管
（１５ｂ）とマスキング管（１５ａ）における流路方向
の熱の移動を抑制することができる。したがって、自己
熱交換器（２５）の温度効率の向上を更に図ることがで
きる。

【００７４】また、第１及び第２伝熱フィン（１７ａ，
１７ｂ）には流路方向と交わるスリット（１９）が形成
されているため、第１及び第２伝熱フィン（１７ａ，１
７ｂ）における流路方向の熱の移動がスリット（１９）
により分断される。よって、第１及び第２伝熱フィン
（１７ａ，１７ｂ）における流路方向の熱の移動が抑制
される。したがって、自己熱交換器（２５）の温度効率
の向上を更に図ることができる。

【００７５】また、スリット（１９）により、第１及び
第２流路（２３，１５）内のそれぞれを流れる原料ガス
及び改質ガスが攪拌される。これにより、上記原料ガス
及び改質ガスの流れが乱され、自己熱交換器（２５）に
おける熱交換を速やかに行うことができる。

【００７６】また、本実施形態に係る自己熱交換器（２
５）は温度効率の向上が図られている。よって、生成さ
れた改質ガスが有する熱を用いて原料ガスを効率良く加
熱することができる。その結果、触媒部（５）におい
て、原料ガスを改質ガスに変化させる過程に生じる発熱
反応と、該発熱反応に続いて生じる吸熱反応とを、活発
に起こすことが可能となる。したがって、本実施形態に
係る改質ガス生成装置（１）によれば、改質ガスの生産
性を上げることができる。

【００７７】また、第２流路（１５）の触媒部（５）側
が、触媒部（５）の入口端（１１）に向かって流路面積
が大きくなっているため、触媒部（５）の入口端（１
１）において、原料ガスの導入口として用いることがで
きる部分の面積が大きくなる。したがって、原料ガスを
触媒部（５）に効率良く供給することができる。

【００７８】また、ケーシング（３）は自己熱交換器
（２５）の一部を構成するため、本発明で言うところの
外管を別途設ける必要はない。したがって、改質ガス生
成装置（１）の部材点数の減少を図ることができる。

【００７９】（実施形態２）本実施形態に係る改質ガス
生成装置（１）は、第１及び第２伝熱フィン（１７ａ，
１７ｂ）に変更を加えたものであり、実施形態１の改質
ガス生成装置とほぼ同様の構成をとる。以下、実施形態
１と異なる構成について説明する。

【００８０】図４に示すように、第１及び第２伝熱フィ
ン（１７ａ，１７ｂ）は複数のフィン部（１８，１８，
…）によって構成されている。フィン部（１８，１８，
…）は流路方向に並んで配置されている。そして、フィ
ン部（１８）の一端における山部（２７）が、隣り合う
フィン部（１８）の一端における谷部（２９）に位置し
ている。

【００８１】本実施形態によれば、第１及び第２伝熱フ
ィン（１７ａ，１７ｂ）は複数のフィン部（１８，１
８，…）によって構成され、フィン部（１８，１８，
…）は流路方向に並んで配置されているため、フィン部
（１８）とフィン部（１８）との間で流路方向の熱の移
動が分断される。その結果、第１及び第２伝熱フィン
（１７ａ，１７ｂ）における流路方向の熱の移動が抑制
される。したがって、自己熱交換器（２５）の温度効率
の向上を図ることができる。

【００８２】また、フィン部（１８）の一端における山
部（２７）が隣り合うフィン部（１８）の一端における
谷部（２９）に位置するため、上記山部（２７）及び上
記谷部（２９）付近で原料ガス及び改質ガスが攪拌され
る。したがって、原料ガス及び改質ガスの流れは乱さ
れ、自己熱交換器（２５）における熱交換を速やかに行
うことができる。

【００８３】なお、本実施形態において、フィン部（１
８，１８，…）にはスリットが形成されていないが、勿
論形成されても良い。

【００８４】また、本実施形態において、フィン部（１
８）の一端における山部（２７）が隣り合うフィン部
（１８）の一端における谷部（２９）に位置している
が、これに限らず、フィン部（１８）の一端における山
部（２７）が隣り合うフィン部（１８）の一端における
山部（２７）に位置しなければ良い。

【００８５】また、本実施形態において、フィン部（１
８，１８，…）はほとんど間を置かず流路方向に並んで
配置されているが、間を空けて配置されても良い。

【００８６】また、上記各実施形態において、改質ガス
生成装置（１）は上述のような構成をとっているが、こ
れに限らず、上述以外の他の構成をとっても良い。

【００８７】また、上記各実施形態において、触媒部
（５）は上述のような構成をとっているが、これに限ら
ず、上述以外の他の構成をとっても良い。

【００８８】また、上記各実施形態において、ケーシン
グ（３）と内管（１５ｂ）とマスキング管（１５ａ）と
は略円筒状に形成されているが、これに限らず、断面略
矩形状又は断面略だ円形状の円筒以外の筒状であっても
良い。

【００８９】また、上記各実施形態において、第１及び
第２伝熱フィン（１７ａ，１７ｂ）には流路方向と直交
する複数のスリット（１９）が形成されているが、これ
に限らず、例えば、流路方向に対して斜行するスリット
（１９）が形成されても良い。

【００９０】また、上記各実施形態において、第１及び
第２伝熱フィン（１７ａ，１７ｂ）は波形に形成されて
いるが、これに限らず、例えば、らせんフィンで形成さ
れても良い。

【００９１】また、上記各実施形態において、自己熱交
換器（２５）が改質ガス生成装置（１）に設けられてい
るが、これに限らず、改質ガス生成装置（１）以外の他
の装置に設けられていも良い。

【００９２】また、上記各実施形態において、第１及び
第２伝熱フィン（１７ａ，１７ｂ）は波形であるが、波
形以外の他の形状であっても良い。

【００９３】また、上記各実施形態において、第１流路
（２３）を改質ガスが流れる一方、第２流路（１５）を
原料ガスが流れているが、第１流路（２３）を原料ガス
が流れ、第２流路（１５）を改質ガスが流れても良い。

【００９４】また、上記各実施形態において、マスキン
グ管（１５ａ）内に断熱材（２１）が充填されている
が、内管（１５ｂ）内にマスキング管（１５）を設ける
代わりに、断熱材（２１）を設けても良い。さらに、マ
スキング管（１５ａ）内に断熱材（２１）を充填しなく
ても良い。

【００９５】また、上記各実施形態において、ケーシン
グ（３）と内管（１５ｂ）とマスキング管（１５ａ）と
はステンレス鋼で形成されているが、ステンレス鋼以外
の他の熱伝導性の低い物質で形成されても良い。

【００９６】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、中央部材が内
管内に設けられ、第２流路が内管と中央部材との間に形
成されているため、従来の二重管式熱交換器と比較し
て、第２フィンにおける流路方向断面の断面積が小さく
なる。よって、第２フィンにおける流路方向の熱の移動
を抑制することができ、また、フィン効率の向上を図る
ことができる。したがって、二重管式熱交換器の温度効
率の向上を図ることができる。

【００９７】また、中央部材を単に内管内に設けた構成
であるため、本発明によれば、二重管式熱交換器を安価
に製作することができる。

【００９８】請求項２の発明によれば、中央部材が管状
に形成されているため、中央部材における流路方向に直
交する方向の断面積が減少する。よって、中央部材にお
ける流路方向の熱の移動を抑制することができる。した
がって、二重管式熱交換器の温度効率の向上を更に図る
ことができる。

【００９９】請求項３の発明によれば、管状に形成され
た中央部材内には断熱材が充填されている。よって、中
央部材の内部における流路方向の熱の移動を抑制するこ
とができる。したがって、二重管式熱交換器の温度効率
の向上を更に図ることができる。

【０１００】請求項４の発明によれば、外管、内管、及
び中央部材の肉厚が薄いため、外管、内管、及び中央部
材における流路方向の熱の移動を抑制することができ
る。また、第１流路と第２流路との間に介在する内管の
肉厚が薄いため、第１流路の流体と第２流路の流体との
熱交換を効率良く行うことができる。以上より、二重管
式熱交換器の温度効率の向上を更に図ることができる。

【０１０１】請求項５の発明によれば、外管と内管と中
央部材とが円筒状に形成されているため、上記外管、内
管、及び中央部材の強度が大きい。したがって、上記外
管、内管、及び中央部材の肉厚を薄くしても、二重管式
熱交換器の強度を損なうことがない。

【０１０２】請求項６の発明によれば、外管と内管と中
央部材とがステンレス鋼で形成されているため、外管、
内管、及び中央部材における流路方向の熱の移動を抑制
することができる。したがって、本発明によれば、二重
管式熱交換器の温度効率の向上を更に図ることができ
る。

【０１０３】請求項７の発明によれば、フィンには流路
方向と交わるスリットが形成されているため、スリット
によりフィンにおける流路方向の熱の移動が分断され
る。したがって、フィンにおける流路方向の熱の移動が
抑制され、二重管式熱交換器の温度効率の向上を更に図
ることができる。

【０１０４】また、流路方向と交わるスリットにより、
流路を流れる流体が攪拌されるため、二重管式熱交換器
における熱交換を速やかに行うことができる。

【０１０５】請求項８の発明によれば、フィンは複数の
フィン部によって構成され、フィン部は流路方向に並ん
で配置されているため、フィン部とフィン部との間で流
路方向の熱の移動が分断される。したがって、フィンに
おける流路方向の熱の移動が抑制されるため、二重管式
熱交換器の温度効率の向上を更に図ることができる。

【０１０６】請求項９の発明によれば、フィン部の一端
の山部が隣り合うフィン部の一端の谷部に位置するた
め、上記山部及び上記谷部付近における流体が攪拌され
る。したがって、二重管式熱交換器における熱交換を更
に速やかに行うことができる。

【０１０７】請求項１０の発明によれば、本発明に係る
二重管式熱交換器が温度効率の向上を図っているため、
生成された改質ガスが有する熱を用いて原料ガスを効率
良く加熱することができる。その結果、触媒部におい
て、原料ガスを改質ガスに変化させる過程に生じる発熱
反応と、該発熱反応に続いて生じる吸熱反応とを、活発
に起こすことが可能となる。したがって、本発明に係る
改質ガス生成装置によれば、改質ガスの生産性を上げる
ことができる。

【０１０８】請求項１１の発明によれば、第２流路の触
媒部側が、触媒部の入口端に向かって流路面積が大きく
なっているため、触媒部の入口端において、原料ガスの
導入口として用いることができる部分の面積が大きくな
る。したがって、原料ガスを触媒部に効率良く供給する
ことができる。

【０１０９】請求項１２の発明によれば、外管がケーシ
ングによって構成されているため、外管を別途設ける必
要がない。したがって、改質ガス生成装置の部材点数の
減少を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係る改質ガス生成装置の横断面図で
ある。

【図２】実施形態に係る改質ガス生成装置の縦断面図で
ある。

【図３】実施形態に係る伝熱フィンの一部の斜視図であ
る。

【図４】実施形態に係る伝熱フィンの一部の斜視図であ
る。

【図５】αと熱移動単位数Ψとの関係を示す図である。

【図６】αと熱交換率εとの関係を示す図である。

【符号の説明】

（１） 改質ガス生成装置 （３） ケーシング（外管） （１５） 第２流路 （１５ａ） マスキング管（中央部材） （１５ｂ） 内管 （１７） 伝熱フィン（フィン） （１９） スリット （２１） 断熱材 （２３） 第１流路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大久保 英作 大阪府堺市築港新町３丁12番地 ダイキン 工業株式会社堺製作所臨海工場内 Ｆターム(参考） 3L103 AA35 AA36 AA37 BB50 CC26 CC27 DD08 DD10 DD34 DD38 5H027 AA06 BA01 CC15 DD00

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外管（３）と、内管（１５ｂ）と、上記
   内管（１５ｂ）の外周面に設けられた第１フィン（１７
   ａ）とを備え、上記外管（３）と上記内管（１５ｂ）と
   の間に第１流路（２３）が形成され、上記内管（１５
   ｂ）内に第２流路（１５）が形成された二重管式熱交換
   器であって、 上記内管（１５ｂ）内に設けられ、上記内管（１５ｂ）
   に沿って延びる中央部材（１５ａ）と、 上記内管（１５ｂ）の内周面に設けられた第２フィン
   （１７ｂ）とを備え、 上記第２流路（１５）は、上記内管（１５ｂ）と上記中
   央部材（１５ａ）との間に形成されている二重管式熱交
   換器。
2. 【請求項２】 中央部材（１５ａ）は管状に形成されて
   いる請求項１記載の二重管式熱交換器。
3. 【請求項３】 管状に形成された中央部材（１５ａ）内
   には断熱材（２１）が充填されている請求項２記載の二
   重管式熱交換器。
4. 【請求項４】 外管（３）と内管（１５ｂ）と管状に形
   成された中央部材（１５ａ）とは、肉厚≦外径×０.０
   １の関係式をそれぞれ満たす請求項２又は３記載の二重
   管式熱交換器。
5. 【請求項５】 外管（３）と内管（１５ｂ）と管状に形
   成された中央部材（１５ａ）とは、円筒状に形成されて
   いる請求項２〜４のいずれか１つに記載の二重管式熱交
   換器。
6. 【請求項６】 外管（３）と内管（１５ｂ）と中央部材
   （１５ａ）とは、ステンレス鋼で形成されている請求項
   １〜５のいずれか１つに記載の二重管式熱交換器。
7. 【請求項７】 第１及び第２フィン（１７ａ，１７ｂ）
   の少なくとも一方には、上記流路方向と交わるスリット
   （１９）が形成されている請求項１〜６のいずれか１つ
   に記載の二重管式熱交換器。
8. 【請求項８】 第１及び第２フィン（１７ａ，１７ｂ）
   の少なくとも一方は、流路方向に並んで配置された複数
   のフィン部（１８，１８，…）によって構成されている
   請求項１〜７のいずれか１つに記載の二重管式熱交換
   器。
9. 【請求項９】 少なくともフィン部（１８）における隣
   り合うフィン部（１８）側の端部は、波形に形成され、 隣り合う一方のフィン部（１８）の山部（２７）が、他
   方のフィン部（１８）の谷部（２９）と向かい合ってい
   る請求項８記載の二重管式熱交換器。
10. 【請求項１０】 炭化水素を含む原料ガスを水素を含む
    改質ガスに変化させる触媒部（５）と、 外管（３）と、内管（１５ｂ）と、該内管（１５ｂ）内
    に設けられ、上記内管（１５ｂ）に沿って延びる中央部
    材（１５ａ）と、上記内管（１５ｂ）の外周面に設けら
    れた第１フィン（１７ａ）と、上記内管（１５ｂ）の内
    周面に設けられた第２フィン（１７ｂ）とを備え、上記
    外管（３）と上記内管（１５ｂ）との間に第１流路（２
    ３）が形成される一方、上記内管（１５ｂ）と上記中央
    部材（１５ａ）との間に第２流路（１５）が形成され、
    上記第１流路（２３）には上記触媒部（５）で生成され
    た改質ガスが流れる一方、上記第２流路（１５）には上
    記触媒部（５）に供給する原料ガスが流れる二重管式熱
    交換器（２５）と、 上記第１流路（２３）の一端に連続し、上記第１流路
    （２３）から上記改質ガスを排出する排出部（２６）
    と、 上記第２流路（１５）の一端に連続し、上記第２流路
    （１５）に上記原料ガスを供給する供給部（１６）と、
    を備える改質ガス生成装置。
11. 【請求項１１】 触媒部（５）は上記内管（１５ｂ）の
    軸方向に延びる柱状に形成されるとともに上記内管（１
    ５ｂ）と軸方向に並んでおり、一端面が上記第２流路
    （１５）で熱交換した原料ガスを導く入口端（１１）を
    構成し、改質ガスを側面又は他端面から上記第１流路
    （２３）に導くように構成され、 第２流路（１５）の上記触媒部（５）側は、上記触媒部
    （５）の上記入口端（１１）に向かって流路面積が大き
    くなっている請求項１０記載の改質ガス生成装置。
12. 【請求項１２】 上記触媒部（５）及び上記内管（１５
    ｂ）を覆い、上記内管（１５ｂ）の軸方向に延びるケー
    シング（３）を備え、 上記ケーシング（３）の一部は、上記外管を構成してい
    る請求項１１記載の改質ガス生成装置。