JP2008267644A - ガス加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導入されるガスの流量にかかわらず、ガスを十分且つ効率よく加熱できるガス加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱されるガスを流通させるケース１０と、該ケース内に設けられたヒータ３０と、ケース内の該ヒータの周囲に配置され、加熱されるガスを流通させるガス流路２０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱源から熱を与えることによりガスを加熱するガス加熱装置に関する。

図２は、従来のガス加熱装置の概略的な構造を示している。このガス加熱装置は、加熱されるガスの流路となるケース９０と、ケース９０内に配置されたヒータ９１とを含んでいる。ガス導入路９２からケース９０内に導入されたガスは、ケース９０内を通過する際にヒータ９１から熱を受け取り、ガス導出路９３から導出される。
特開平８−２６１６９１号公報

このようなガス加熱装置においては、次のような問題が生じている。即ち、ガスの流量が多い場合には、ケース９０内においてガスが乱流となり、多くの量のガスがヒータ９１に接触するので、ガスの温度は容易に上昇する。ところが、ガスの流量が少ない場合には、図２の二点鎖線に示すように、ガス導入路９２から導入されたガスが、あまり広がることなく、ガス導出路９３の方に向かってしまう。そのため、ガスがあまりヒータ９１に接触することなくケース９０の外に導出されてしまうので、ガスを十分に加熱することができない。

関連する技術として、特許文献１には、冷熱媒流体の流量に応じて、冷熱媒流体の流路の接続状態を直列と並列とに切り替える熱交換器が開示されている。即ち、特許文献１においては、冷熱媒流体の流速を調節することにより、伝熱係数を維持している。しかしながら、特許文献１には、被熱交換流体側の気流の状態や、その状態に応じた熱交換効率については記載されていない。

そこで、本発明は、加熱されるガスの流量にかかわらず、ガスを十分且つ効率良く加熱できるガス加熱装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の１つの観点に係るガス加熱装置は、加熱されるガスを流通させる第１の流路と、前記第１の流路内に設けられた熱源と、前記第１の流路内の前記熱源の周囲に配置され、加熱されるガスを流通させる第２の流路とを備える。

かかる構成とすることにより、加熱されるガスの流量に応じてガスの流路を変更することができる。従って、ガス流量が少ない場合にはガスを第２の経路に流通させることにより、ガスの流速を上げて、第２の流路の内壁とガスとの熱伝導を高めることが可能になる。

ここで、前記第２の流路を、前記熱源の周囲を旋回するように螺旋状に配置することにより、第２の流路が長くなると共に、第２の流路が熱源に接近するので、熱源の熱を第２の流路に十分に伝導させることができる。

また、加熱されるガスの供給源と前記第１の流路又は前記第２の流路とを連通させる弁と、前記第１の流路又は前記第２の流路と加熱されたガスの供給先とを連通させる弁とをさらに備えても良い。それにより、ガスの流路を容易に切り替えることができる。

加えて、加熱されるガスの流量に応じて前記第１及び第２の弁の動作を制御する制御手段をさらに設けることにより、ガス流量に応じて適切な流路にガスを流通させることができる。

本発明によれば、加熱されるガスの流量が多い場合には、ガスを第１の流路に流通させることにより、効率良くガスを加熱することができ、ガスの流量が少ない場合には、ガスを第２の流路に流通させてガスの流速を上げることにより、ガスを十分に加熱することができる。従って、ガス流量にかかわらず、ガスを十分且つ効率良く加熱することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係るガス加熱装置の内部構造を示す模式図である。このガス加熱装置は、加熱されるガスの流路であるケース１０と、加熱されるガスのもう１つの流路であるガス配管２０と、ガスを加熱する熱源としてのヒータ３０とを含んでいる。ヒータ３０は、例えば、外部の電源から供給される電気により発熱する発熱体であり、ケース１０内に配設されている。

ケース１０には、加熱されるガスが導入されるガス導入路１１と、加熱されたガスが導出されるガス導出路１２とが設けられている。ケース１０に導入されたガスは、ケース１０を通過する間にヒータ３０から熱を受け取ることにより加熱され、ケース１０から導出される。

ガス配管２０は、ケース１０内の熱源３０の周囲に、例えば螺旋状となるように配設されている。また、ガス配管２０へのガス導入路２１、及び、ガス配管２０からのガス導出路２２は、ケース１０の壁部に取り付けられており、それにより、ガス配管２０は、ケース１０の外側に連通する。

ガス導入路１１及びガス導入路２１の上流には、三方弁４１が設けられている。三方弁４１は、その上流に設けられた流路１をガス導入路１１又はガス導入路２１に連通させることにより、ガス供給源から供給されるガスをケース１０又はガス配管２０に導入する。一方、ガス導出路１２及びガス導出路２２の下流には、三方弁４２が設けられている。三方弁４２は、その下流に設けられた流路２にガス導出路１２又はガス導出路２２を連通させることにより、ケース１０又はガス配管２０を通過したガスをガス供給先に送り出す。

三方弁４１及び４２の動作は、図示しない制御装置により、加熱されるガス（ガス供給源から供給されるガス）の流量に応じて制御されている。即ち、制御装置は、ガス流量が多い場合には、ガスがケース１０内を通過するように、三方弁４１及び４２を切り替える。一方、制御装置は、ガス流量が少ない場合には、ガスがガス配管２０内を通過するように、三方弁４１及び４２を切り替える。

このようにガスの流路を変更する理由は、次の通りである。
ガス配管２０をヒータ３０の周囲を旋回するように螺旋状に配置することにより、ガス配管２０は、熱伝導によって、より多くの熱をヒータ３０から受け取るようになる。また、ガス配管２０の内径はケース１０の内径（幅）よりも小さいので、ガス配管２０内においてはガスの流速が上がる。それにより、ガス配管２０の内壁と、そこを通過するガスとの間の熱伝導効率が向上する。従って、ガス流量が小さい場合には、ガスをガス配管２０に導入することにより、ガスを十分に加熱することができる。

一方、ガス流量が大きい場合には、ガスをケース１０内に導入する。すると、ガスはケース１０内に広がって乱流となり、ヒータ３０に広く接触する。それにより、ガスを十分且つ効率良く加熱してすることができる。

以上説明したガス加熱装置は、例えば、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される水素ガスや空気を適切な温度まで加温する装置として用いられる。

また、以上説明した本実施形態においては、自ら発熱するヒータによってガスを加熱したが、ヒータの代わりに、外部に設けられた熱源の熱を伝達する熱媒を循環させる媒体循環流路を配置しても良い。その場合には、熱媒とガスとの間で熱交換させることにより、ガスを所望の温度に制御することが可能になる。また、熱媒の代わりに冷媒を配置することにより、ガス冷却装置（ガス温度制御装置）を構成することも可能である。

本発明の一実施形態に係るガス加熱装置の内部の構造を示す模式図である。 従来のガス加熱装置の内部の構造を示す模式図である。

符号の説明

１０…ケース、１１、２１…ガス導入路、１２、２２…ガス導出路、２０…ガス配管、３０…ヒータ、４１、４２…三方弁

Claims (4)

1. 加熱されるガスを流通させる第１の流路と、
   前記第１の流路内に設けられた熱源と、
   前記第１の流路内の前記熱源の周囲に配置され、加熱されるガスを流通させる第２の流路と、
   を備えるガス加熱装置。
2. 前記第２の流路が、前記熱源の周囲を旋回するように螺旋状に配置されている、請求項１記載のガス加熱装置。
3. 加熱されるガスの供給源と、前記第１の流路又は前記第２の流路とを連通させる第１の弁と、
   前記第１の流路又は前記第２の流路と、加熱されたガスの供給先とを連通させる第２の弁と、
   をさらに備える請求項１又は２記載のガス加熱装置。
4. 加熱されるガスの流量に応じて、前記第１及び第２の弁の動作を制御する制御手段をさらに備える請求項３記載のガス加熱装置。

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