JP2009532656A - ヒートパイプ、該様式のヒートパイプを有するヒートパイプ改質装置、及び該様式のヒートパイプの操作方法 - Google Patents

Abstract

ヒートパイプ、及び該様式のヒートパイプの操作方法を提供すること。該ヒートパイプは、特に圧縮ガス雰囲気、つまり水素リッチの環境において使用される際、比較的長時間経過しても活性化し続ける。また、前記様式のヒートパイプを有するヒートパイプ改質装置を提供すること。ヒートパイプの熱放散端部の領域に水素抽出器が備えられ、ヒートパイプ中へ侵入し蓄積された水素は、再びヒートパイプの外に導かれ、ヒートパイプの熱交換能力が保たれる。水素抽出器は、パイプケーシングの内部と外部との間に、水素濃度勾配又は水素分圧勾配を発生させ、ヒートパイプの内部に侵入した水素は、水素抽出器中へ拡散し、そこから抽出できる。水素濃度勾配又は水素分圧勾配は、また、ヒートパイプの周囲の雰囲気、例えば改質流動層ガス化室における雰囲気と、水素抽出器との間に形成され、そして周囲の雰囲気由来の水素は、再び水素抽出器中へ拡散し、そこから抽出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、請求項１の前提部分のヒートパイプ、該様式のヒートパイプを有する請求項１１のヒートパイプ改質装置、及び該様式のヒートパイプ改質装置の操作に関する請求項１２の方法に関する。

ヒートパイプは、非常に有効な熱伝達装置として広く知られている。それらは、密閉系における蒸発及び凝縮による熱移動の原理に基づいている。天然の循環における大きな循環系とは異なり、前記の蒸発及び凝縮は、堅くガス栓で閉じられた一本のパイプで生じる。該パイプは、空にされており、所望の温度範囲で蒸発する液体のみを含む。蒸発の際、該液体が熱リザーバからの熱を吸収し、そして凝縮工程の際、該熱を冷却リザーバに放散する。前記蒸発及び凝縮がヒートパイプ内で同じ圧力及び同じ温度で生じることに意味がある。熱伝達効率がとても高いため、ヒートパイプを用いた熱伝達は、ほとんど損失がなく、つまり、付随する駆動温度勾配が無い。

ヒートパイプに関連して、それぞれ異なる温度範囲で好適である多数の液体が、熱キャリア媒体として試験されている。環境温度領域内で、例えば、マイクロエレクトロニクス分野における高性能プロセッサの冷却のために、特に有機熱キャリア（ペンタン、メタノール、アセトン等）が使用されているが、高温領域においては、アルカリ金属が最も好適である。

特許文献１は、流動層における熱変化水蒸気ガス化法（allothermic water vapour gasification）により、炭素含有原材料から燃料ガスを発生させるための加圧式改質装置を開示する。ヒートパイプは熱を改質流動層に導入するために使用されている。

熱変化ガス化反応器においては、ナトリウム及びカリウムがヒートパイプの熱キャリア媒体として最も好適である。この点に関し、ナトリウムが特に適当であり、なぜならば、すべての可能な液体において、凝縮熱が最も高く（３９１３ ｋＪ／ｋｇ ９００℃条件下）、それ故に循環する流体の量が少ないからである。カリウムの場合、蒸気圧が高いため、幾分高いエネルギー密度が発生する（９００℃条件下、カリウム約２５００ｋＪ／ｍ^３、ナトリウム約１２００ｋＪ／ｍ^３）。熱キャリア媒体である液体の総合的な適性は、その良度示数によって表される。ナトリウムは、カリウムと比べて二倍以上高く、そのためナトリウムがカリウムよりも総合的により適当なものである。

特許文献１で知られている改質装置を操作する間、ガス化の圧縮操作において、非圧縮操作とは対照的に、ヒートパイプが数時間の内に熱交換性能のかなりの低下がみられることが観察されている。

国際公開第００／７７１２８号パンフレット

したがって、本発明の目的は、圧縮ガス雰囲気中で使用した際、とりわけ比較的長時間、熱交換能力がほとんど低下しないヒートパイプを特定することである。更なる本発明の目的は、前記様式のヒートパイプを有するヒートパイプ改質装置、及び該様式のヒートパイプ改質装置の操作方法を特定することである。

これらの目的は、請求項１、１１及び１２の特徴事項により成し遂げられる。

ヒートパイプの不活性化の原因が、８００〜９００℃の作業温度領域で、ヒートパイプの壁部材が水素分子を透過させ、水素がヒートパイプの内部へ拡散するためであることが確認されている。水素は、ヒートパイプ中の熱キャリア媒体の蒸気の流れによって、主としてヒートパイプの凝縮領域に運ばれ、終端部で不活性ガスとして濃度が高まる。その結果、熱キャリア媒体の分圧がそこで低下し、その凝縮温度が低下する。凝縮温度が反応器の操作温度より下に低くなり、凝縮が対応する領域で発生する。ヒートパイプ中の凝縮部分の終端部における水素の圧力は、おおよそ、ヒートパイプの蒸発及び凝縮行程の全圧と一致し、対応する温度で、熱キャリア媒体の蒸気圧と交互に一致する。

雰囲気の操作において、第一に、前述の濃度の高まりは、重大な影響を及ぼさない。なぜならば、ナトリウム又はカリウムの蒸気圧は十分高く、水素が拡散によって再びヒートパイプから離れるからである。

カリウムの蒸気圧が８５０℃で約２．３バールであるのに対し、ナトリウムの蒸気圧は８５０℃で約０．８バールである。生成ガスに対し、水素比率を３０％と推定すると、これに対応する生成ガスにおける分圧は、０．３バールである。その結果、空気改質装置において、作動圧力差は常に高くなっており、ヒートパイプから水素を十分追い出せる。

加圧操作において、ヒートパイプ内の全圧が、ガス化器（改質器）における水素の分圧と近接、又は分圧より低くなるため、水素がヒートパイプを再び離れる原因となる駆動圧力勾配が無いという問題がある。５バールの圧力の加圧ガス化器において、３０％の水素は、１．５バールの水素の分圧と等しい。したがって、ナトリウム（蒸気圧０．８バール）を使用する場合、駆動圧力勾配が無いのに対し、カリウム（蒸気圧２．３バール）を使用する場合は、水素をヒートパイプの外側に生成ガスの方へ追い出すための、約０．８バールの駆動圧力勾配がまだ存在する。

ヒートパイプの熱放散端部の領域において、水素抽出器を備えることにより、ヒートパイプ中に侵入し、そこに蓄積した水素は、再びヒートパイプの外に導かれ、そのようにしてヒートパイプの熱交換能力が保持される。水素抽出器は、パイプケーシングの内部と外部との間に水素濃度勾配又は水素分圧勾配を発生させ、そしてヒートパイプの内部に侵入した水素が水素抽出器中に拡散し、そこで抽出できる。水素濃度勾配又は水素分圧勾配が、再び、ヒートパイプの雰囲気環境、例えば、改質流動層ガス化室における雰囲気と、水素抽出器との間に形成され、雰囲気環境由来の水素が、再び水素抽出器中に拡散し、そこで抽出される。

前記水素濃度勾配は、パイプケーシングの内部及び／又は表面上を走り、その内部は無水素雰囲気であるフラッシングダクトを用いて、単純な方法で与えられてもよい。前述の無水素雰囲気は、例えば、真空ポンプを用いて、一端が密閉されているフラッシングダクトに空気を吸い出すことにより提供されてもよい（請求項２参照）。

請求項４に係る本発明の有利な改良点としては、無水素雰囲気を、フラッシングダクトにおいて単純な方法で作り出すことである。

請求項５に係る発明の有利な改良点により、複数のフラッシングダクトを提供するための単純な選択肢ができる。ここで重要なのは、パイプケーシング及び被覆パイプが近接し、かつ、ヒートパイプの内部から周囲環境への良熱伝導性を提供するための、それらの２つのパイプ間の、十分な接触領域が存在することである。

前記の水素分圧勾配又は水素濃度勾配は、水素抽出器を加熱するという単純な方法により、得てもよい（請求項１０参照）。

既に述べたように、本発明のヒートパイプは、ヒートパイプ改質装置、とりわけ特許文献１において知られている改質装置の改質流動層に熱を伝えるために使用することが好ましい（請求項１１参照）。

これらのすべての特徴は、更に、水素リッチな雰囲気下での非圧縮操作において、ヒートパイプの有効性を改良することは明らかである。したがって、本発明は、圧縮操作環境におけるヒートパイプの操作方法を制限するものではない。

他の従属項は、本発明の更に有利な改良点に関するものである。

更なる詳細、本発明の特徴及び利点は、図面に基づく発明の代表的な実施
例についての以下の詳細説明より判断できる。

図１及び２は、本発明の第１実施例を表す。本発明の第１実施例のヒートパイプ１は、金属からなり、その内部３を公知の方法で熱キャリア媒体が循環するパイプケーシング２を備える。ヒートパイプ１は、熱吸収端部４、及び熱放散端部６を備える。パイプケーシング２の外側５は、したがって、熱交換面として形成されるか、又は熱交換面の機能を有する。熱放散端部６の部分８は、ケース１２を備える水素抽出器１０によって囲まれている。水素抽出器１０は、管状であり、かつ、パイプケーシング２より大きな直径を有する。その管状の水素抽出器１０は、パイプケーシング２の熱放散端部６を覆うように押し付けられ、底部１４を用いてガス漏れしないように溶接されている。このようにして、環状の隙間１６が形成され、その隙間１６は、水素抽出器１０のケース１２により一方の面が仕切られ、パイプケーシング２の部分８により他の面が仕切られている。ヒートパイプの部分８に蓄積された水素は、前記環状の隙間１６の中に拡散し、集められ、あるいは排出される。ヒートパイプの熱放散端部６は、水素リッチ操作環境、例えば、圧力容器２０で囲まれている改質流動層１８に位置している。水素抽出器１０は圧力容器２０を貫通しており、そのため水素が前記環境に排出できる。

図３に概略が示されている本発明の第２実施例は、第１実施例と、水素抽出器の構成が異なる。ヒートパイプ２１は、管状であり、直径がパイプケーシング２よりも小さい水素抽出器２２を有する。水素抽出器２２は、ヒートパイプの熱放散端部６の端面２４を貫通し、パイプケーシング２の中に指のように突き出している。水素抽出器２２の部分２６は、したがって、パイプケーシング２の内部に位置しており、水素抽出器２２の部分２８は、パイプケーシング２から突き出している。

図２に示される第２実施例において、特に言及されるべきことは、水素抽出器２２の壁は、熱キャリア媒体の流れを改良するために、芯構造として提供されてもよいことである。

第１及び第２実施例において、水素リッチ操作環境に設置されている被覆パイプ２の部分は、水素拡散防止壁を形成する塗膜３０を備えてもよい。

図４及び５は、本発明の第３実施例を表す。ヒートパイプ３２は、水素抽出器３４を備えている。水素抽出器３４は、ヒートパイプ３２の熱放散端部６の大きい方の部分を覆うように伸びている。水素抽出器３４は、内径がパイプケーシング２の外径と略等しい被覆パイプを備える。被覆パイプ３６は、ヒートパイプ３２の熱放散端部６を覆うように押し付けられ、パイプケーシング２に対し縮められている。フラッシングダクト３８は、被覆パイプ３６とパイプケーシング２の外側面５との間において、被覆パイプ３６の長さを超えて伸びている。図５に示されるように、フラッシングダクト３８は、パイプケーシング２の外側面に形成され、被覆パイプ３６により外側が覆われるくぼみ、又は溝から形成される。フラッシングガス入口４０は、被覆パイプ３６の一方の終端部に備えられ、フラッシングガス出口４２は、被覆パイプ３６の他方の終端部に備えられ、フラッシングダクト３８が、フラッシングガス入口４０及びフラッシングガス出口４２に対し、開口している。図５（ａ）及び５（ｂ）に示されるように、フラッシングダクト３８は、ヒートパイプ３２の長軸に対し平行に伸びており、かつ、パイプケーシング２の周囲を覆うように等間隔で配置されている。本発明は、しかしながら、このフラッシングダクトの内容に限定されない、つまり、他のフラッシングダクトの幾何学的内容の態様が、更に考えられる。

水素リッチ雰囲気下でヒートパイプ３２を使用する際、フラッシングダクト３６を連続的に、又は断続的に、無水素フラッシングガスが通る。このようにして、ヒートパイプ３２の内部３とフラッシングダクト３８との間に水素濃度勾配が発生し、その水素濃度勾配が、外側のケース２を通り拡散して、ヒートパイプ３２の内部５に侵入した水素をフラッシングダクトへ導き、かつヒートパイプ３２の熱放散端部６の領域からフラッシングガスを除去する。

前述の水素抽出器１０、２２及び３４は、例えば、水素抽出器３４が加熱されているという理由により、互いに組合せてもよい。

本発明のヒートパイプは、特許文献１において知られているヒートパイプ改質装置において使用することが、とりわけ好ましい。この点に関し、その文献の詳細説明の全ての内容が引用される。

図６は、前記様式のヒートパイプ改質装置４４を表し、多数のヒートパイプ４６が設置されている。ヒートパイプ４６は、上述の実施例に係るヒートパイプでもよい。ヒートパイプ改質装置４４は、管状の加圧容器４８を備える。改質流動層ガス化室５０は、ヒートパイプ改質装置４４、又は加圧容器４８の上方領域に配置され、改質流動層ガス化室５０において、熱変化水蒸気ガス化法により炭素含有原材料から発生した水素含有燃焼ガスが含まれている。炭素含有原材料は、供給装置５２を用いて流動層ガス化室５０中に導かれる。改質流動層ガス化室５０で発生した生成ガスは、生成ガス出口５４を介して抽出される。外部熱源のような流動層炉５６は、ヒートパイプ改質器４４、又は圧力容器４８の下方領域に配置される。流動層炉５６は、コークス抽出器５８、及び加圧固定装置６０を通る流動層ガス化器５０から抽出されたコークスで燃焼される。また、流動層炉５６は、流動層ガス化器５０における原材料、又は他の如何なる原材料を用いて加熱されてもよい。前記燃料は、燃料入口を介して流動層炉５６に供給されてもよい。流動層炉において発生した送管ガスは、送管ガス抽出器６４を介して抽出される。ヒートパイプ４６は、熱放散端部６の領域において、前述のヒートパイプ１、２１、３２の実施例についての水素抽出器、又はこれらの結合体からなる水素抽出器６６を備えてもよい。

長く伸びた管状のヒートパイプ４６は、熱吸収端部４が流動層炉５６中に突き出し、かつ、熱放散端部６が流動層ガス化室５０中に突き出している。これにより、ヒートパイプ４６は、流動層炉５６で発生した熱を流動層ガス化室５０中に移動させる。流動層ガス化室において一般的な温度である８００〜９００℃の範囲の操作温度において、金属性パイプケーシング２と被覆パイプ３６は、ともに好ましくは耐高温高品質スチールからなるが、水素分子に対し透過性があり、そのため、水素は、燃焼ガスからヒートパイプ４６の内部３へ排出される。前記水素は、再び、ヒートパイプ４６の内部から、水素抽出器１０、２２、３４を介して抽出される。

ヒートパイプ３２がヒートパイプ４６として使用される場合、水素を排出するためのフラッシングガスは、同時に、流動層ガス化室５０において、流動層を流動化するために使用されてもよい。

本発明のヒートパイプの第１実施例の概略説明図である。 図１の実施例の詳細を表す。 図２に対応する本発明の第２実施例の説明図である。 本発明の第２実施例の概略説明図である。 図４の第２実施例の概略説明図である。 本発明のヒートパイプを有するヒートパイプ改質装置を表す。

符号の説明

１ ヒートパイプ
２ パイプケーシング
３ ２の内部
４ 熱吸収端部
５ ２の外側
６ 熱放散端部
８ ６の一部
１０ 水素抽出器
１２ １０のケース
１４ １０の底部
１６ 環状の隙間
１８ 改質流動層
２０ 圧力容器
２１ ヒートパイプ
２２ 水素抽出器
２４ ２の端部表面
２６ ２の内部における２２の一部
２８ ２の外側の２２の一部
３０ 塗膜
３２ ヒートパイプ
３４ 水素抽出器
３６ 被覆パイプ
３８ フラッシングダクト
４０ フラッシングガス入口
４２ フラッシングガス出口
４４ ヒートパイプ改質装置
４６ ヒートパイプ
４８ 圧力容器
５０ 改質流動層ガス化室
５２ ガス化される炭素含有原材料を導入するための供給装置
５４ 生成ガス抽出器
５６ 流動層炉
５８ コークス抽出器
６０ 圧力調節室
６２ 燃料入口
６４ 燃料ガス抽出器
６６ 水素抽出器

Claims (12)

1. 金属製で、内部（３）を熱伝達媒体が循環し、外側（５）には少なくとも部分的に熱交換面が形成されたパイプケーシング（２）と、
   熱吸収端部（４）と、
   熱放散端部（６）とを備えたヒートパイプにおいて、
   前記熱放散端部（６）の少なくとも一部の領域に水素抽出器（１０、２２、３４）が備えられ、該水素抽出器（１０、２２、３４）により、前記パイプケーシング（２）の内部（３）と該パイプケーシング（２）の外側（５）との間に、水素濃度勾配または水素分圧勾配が与えられることを特徴とするヒートパイプ。
2. 水素抽出器（３２）は、パイプケーシング（２）の内部及び／又は表面上を走り、その内部は無水素雰囲気である少なくとも一つのフラッシングダクト（３８）を備えることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 少なくとも一つのフラッシングダクト（３８）は、ヒートパイプのパイプケーシング（２）に形成されている穴からなることを特徴とする請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 無水素フラッシングガスが、少なくとも一つのフラッシングダクト（３８）を流れることを特徴とする請求項２又は３に記載のヒートパイプ。
5. 水素抽出器（３２）は、ヒートパイプのパイプケーシング（２）を包む被覆パイプ（３６）を備え、少なくとも一つのフラッシングダクト（３８）は、被覆パイプ（３６）及びパイプケーシング（２）の間に配置されることを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載のヒートパイプ。
6. 少なくとも一つのフラッシングダクト（３８）は、ヒートパイプのパイプケーシング（２）及び／又は被覆パイプ（３６）に形成されている溝からなることを特徴とする請求項５に記載のヒートパイプ。
7. 少なくとも一つのフラッシングダクト（３８）には、フラッシングガス入口（４０）及びフラッシングガス出口（４２）が備えられていることを特徴とする請求項２〜６の何れか１項に記載のヒートパイプ。
8. 複数のフラッシングダクト（３８）は、ヒートパイプの縦方向に走ることを特徴とする請求項２〜７の何れか１項に記載のヒートパイプ。
9. 少なくとも一つのフラッシングダクト（３８）は、ヒートパイプに沿って螺旋状に走ることを特徴とする請求項２〜６の何れか１項に記載のヒートパイプ。
10. 水素抽出器（１０、２２）は、加熱されることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載のヒートパイプ。
11. 流動層を備える改質流動層ガス化室（５０）と、
    流動層ガス化室（５０）に原材料を供給する供給装置（５２）と、
    水及び／又は水蒸気用の流動層ガス化室（５０）内への入口経路（５４）と、
    外部熱源（５６）と、
    外部熱源（５６）から改質流動層ガス化室（５０）に熱伝達するための少なくとも一つのヒートパイプ（４６）を有するヒートパイプ装置とを備える、熱変化蒸気ガス化法によって炭素含有原材料から燃焼ガスを発生させるヒートパイプ改質装置において、
    少なくとも一つのヒートパイプ（４６）は、
    請求項１〜１０の何れか１項に記載のヒートパイプ（１、２１、３２）であることを特徴とするヒートパイプ改質装置。
12. 少なくとも一つのフラッシングダクト（３８）から水素を除去するためのフラッシングガスが、流動化層の流動化に使用されることを特徴とする請求項１１に記載のヒートパイプ改質装置の操作方法。
    

Images