JP3333591B2 - 高温容器のシール部の冷却構造 - Google Patents

高温容器のシール部の冷却構造

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    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0275Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、固体電解質を用いた
燃料電池式発電炉のケーシングのように、内部がシール
材を有するシール部にて密閉された高温容器に関するも
ので、特にこの高温容器のシール部の冷却構造に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】図3は固体電解質を用いた燃料電池式発
電炉の断面を示している。図中1は例えばイットリア安
定化ジルコニア(YSZ)から構成される円筒状の固体
電解質1aの内面側に空気電極1b、外面側に燃料電極
1cを有する円筒状の単セルであり、この単セル1内に
は空気供給管2が上端の開口部側から下端の閉塞部近傍
まで差し込まれていて、単セル1の空気電極1bと空気
供給管2との間に空気流路3を形成している。この空気
供給管2が上方に突出するように差し込まれた単セル1
は上端部が閉じた円筒状のケーシング本体4内に複数本
収納されており、その下端部はケーシング本体4の下部
側を上下に区画する燃料ガス仕切板5上に支持され、そ
の上端部はケーシング本体4の中間部を上下に区画する
燃焼ガス仕切板6に案内支持されている。そして空気供
給管2はその上端部がケーシング本体4の上部側を上下
に区画する空気仕切板7に位置決め支持されている。
【0003】ケーシング本体4の下端は開閉可能なケー
シング底板8により閉じられており、ケーシング本体4
の下部には燃料ガス仕切板5との間に燃料室9が形成さ
れているとともに、燃料ガス仕切板5と燃焼ガス仕切板
6とで仕切られるケーシング本体4の中間部には単セル
1の長手方向に沿って燃料ガス流路が形成されている。
そして、燃焼ガス仕切板6と空気仕切板7とで仕切られ
るケーシング本体4の上部側には燃焼室11が形成さ
れ、空気仕切板7の上方のケーシング本体4の上端部に
は空気室12が形成されている。
【0004】つぎにこの燃料電池式発電炉の動作を説明
する。空気室12に供給された空気は空気供給管2内を
通って単セル1の空気電極1b側に放出され、空気流路
3を通過しつつ、空気電極1b内に拡散したその酸素が
イオンとなって固体電解質1aを通過して、燃料電極1
c側に達する。そして、酸素が消費され、酸素濃度がや
や低下した空気は空気流路3から燃焼室11内に放出さ
れる。また燃料室9内に供給された燃料ガスである水素
は燃料ガス仕切板5に設けられた孔部5aを通って燃料
ガス流路10に達し、この燃料ガス流路10中を移動し
ている間に、空気電極1b側から移動してきた酸素イオ
ンと電気化学的に反応して水蒸気となり、この間に単セ
ル1の空気電極1bと燃料電極1c間には起電力が発生
する。そして、残った水素と水蒸気とからなる燃料ガス
は燃焼ガス仕切板6に設けられた孔部6aを通って燃焼
室11に達し、ここで前述の空気と混合して,その水素
が燃焼された後、発電炉外に放出される。なお、複数の
単セル1はインターコネクタ(図示せず)を介して、互
いに直並列に連結されていて、この発電炉の電力取り出
し部から所定の電力が取り出される。
【0005】ところで、上記発電炉のケーシング本体4
の下端に取り付けられたケーシング底板8はケーシング
本体4内への単セル1等の組み込みやメンテナンスのた
めにケーシング本体4に対して開閉可能となっている
が、燃料ガスである水素が供給される燃料室9の一部を
形成するものであるため、ケーシング本体4とケーシン
グ底板8との接合部13には充分な燃料ガスの漏れ防止
対策がとられる必要がある。このため、図4で示される
ように、ケーシング本体4の外方にこのケーシング本体
4とケーシング底板8およびその凸部8aとでリング状
溝が形成され、有機材からなるOリングやシリコンパッ
キン等のシール部材22が、このリング状溝内に押圧具
23により押し込まれてシール部が形成されている。
【0006】一方、上記発電炉の内部では、燃料ガスで
ある水素を燃焼させるなどのことを行い、単セル1が約
1000℃の高温に保持されており、このため、燃料室
9の温度も700〜800℃の高温になっている。した
がって、上記シール部もシール部材22の許容温度を超
える高温となってしまうため、ケーシング底板8の凸部
8aには水ジャケット14が形成されており、この水ジ
ャケット14内に冷却水Wを通すことによりシール部材
22の冷却がなされている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら水ジャケ
ット14内に冷却水Wを通してシール部を冷却する水ジ
ャケット方式では、冷却水Wが止まれば、シール部材2
2が高温になって劣化し、ガス漏れを生じさせてしまう
という問題があった。また、水ジャケット14内に冷却
水を循環させるには循環ポンプ、冷却器、水配管等が必
要となり、装置の複雑化、高コスト化を招いてしまうと
ともに、これらの機器が充分に作動するように、機器の
運転管理を充分に行う必要もあった。
【0008】この発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、高温容器のシール部の冷却を簡単な構成で、かつ、
確実に行うことができるとともに、設備も低コストな高
温容器のシール部の冷却構造を提供することを目的とす
るものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、円筒形状のケーシング本体の下端に
ケーシング底板を取り付けて、高温の燃料室の一部を形
成するとともに、前記ケーシング本体と前記ケーシング
底板との間に、シール部材を有するシール部を形成し、
このシール部またはその近傍に、作動流体を封入したヒ
ートパイプの蒸発部が、360度のリングを形成するよ
うに配置され、この蒸発部が前記ケーシング底板に埋設
されているとともに、このヒートパイプの凝縮部を、低
温域である大気中に配置したことを特徴とするものであ
る。
【0010】
【作用】ヒートパイプは、高温域側に配設される蒸発部
にて、その作動流体が蒸発して高温域側から熱を吸収
し、その蒸気が低温域側に配設される凝縮部に移動して
凝縮し、低温域側に熱を放出する熱輸送手段である。し
たがって、ヒートパイプの蒸発部が高温容器のシール部
またはその近傍に配置され、凝縮部が低温域側に配置さ
れていれば、高温容器のシール部またその近傍の熱はヒ
ートパイプを介して低温域側に放出され、シール部のシ
ール材が冷却される。
【0011】
【実施例】つぎにこの発明の実施例を図面を参照して説
明する。以下に述べる実施例は固体電解質を用いた燃料
電池式発電炉に関するものであり、発電炉の基本構成は
図3により説明した発電炉と同一である。したがって、
この実施例でも図3および図4で説明した発電炉の構成
部分と同一部分または相当部分には同一符号をして、そ
の説明を省略する。
【0012】図1および図2はケーシング本体4とケー
シング底部間に設けられたシール部と、その冷却手段を
示している。シール部20はケーシング底板8の外周部
のケーシング本体4側に取り付けられ、ケーシング本体
4およびケーシング底板8との間でケーシング本体4周
りにリング状溝21を形成するリング部材24と、リン
グ状溝21内に詰められるシール部材22と、シール部
材22をリング状溝21のケーシング底板8側に押し込
む押圧具23とから構成されている。そして、このシー
ル部20によりケーシング本体4の下端とケーシング底
板8間の接合部13からケーシング本体4内の燃料ガス
が外部に漏れ出すことが防止されている。
【0013】シール部20の冷却手段は2本のヒートパ
イプ30,30から構成されている。すなわち、前記シ
ール部材22の直下のケーシング底板8内には、2本の
ヒートパイプ30,30の蒸発部31,31が、それぞ
れ180度の半リング状態に配置され、両者で360度
のリングを形成するように埋設されている。そして、こ
のヒートパイプ30の凝縮部32はケーシング底板8の
外側面から互いに180度離間した状態で低温域である
大気中に突出しており、その外周部には複数の放熱用の
フィン33が取り付けられている。
【0014】ここで、ヒートパイプ30は真空脱気した
密閉管の内部に水銀やナトリウムなどの目的温度範囲で
蒸発・凝縮する流体を作動流体として封入したものであ
り、蒸発部31においてシール部20側から熱を吸収し
て作動流体を蒸発させ、この蒸気を凝縮部32に移動さ
せて、この凝縮部32で低温域となる大気中にフィン3
3を介して熱を放出し、作動流体を凝縮液化させるもの
である。また、凝縮部32から蒸発部31への液環流
は、重力の作用またはヒートパイプ30内に設けられた
ウィック(毛細管構造)によってなされる。なお、ヒー
トパイプ30の蒸発部31と凝縮部32の長さの比等
は、このヒートパイプ30がシール部20の冷却効果を
最大にあげるように定められている。
【0015】つぎに上記の冷却構造の作用を説明する。
発電炉に燃料ガスと空気とが供給されると、単セル1に
起電力が生じ、この発電炉から所定の電力が取り出され
る。またこのような発電時には、発電炉の単セル1の周
りの温度は約1000℃に維持され、燃料室9の温度も
700〜800℃まで上昇する。したがって、ケーシン
グ本体4とケーシング底板8間のシール部20およびそ
の近傍の温度も熱伝導や対流により高温となり、シール
部材22の温度が上昇する。
【0016】この場合、シール部材22近傍のケーシン
グ底板8内に配設されているヒートパイプ30の蒸発部
31内の作動流体は蒸発して、シール部20から熱を奪
い、このシール部材22の温度を許容温度以下に下げ
る。そして、蒸発した作動流体は凝縮部32の方へ移動
し、その熱を大気中に放出して液化し、再び蒸発部31
の方へ移動される。そして、このヒートパイプ30内に
おける作動流体の蒸発と凝縮との繰り返しにより、シー
ル部20は常時冷却され、シール部材22が劣化してガ
ス漏れが生じるのが防止される。
【0017】以上のように高温の発電炉のケーシング本
体4とケーシング底板8とのシール部20の冷却にヒー
トパイプ30を使用したため、水ジャケット14中に冷
却水を循環させる従来の水ジャケット方式のものに比
べ、循環ポンプや冷却器および水配管が不要となり、装
置が簡単となるとともに、装置の低コスト化を図ること
ができる。また、ヒートパイプ30は一旦取り付ければ
その後の運転管理は不要であり、水ジャケット方式のも
ののように循環ポンプの運転管理が充分でないため循環
ポンプが停止して、シール部の温度が上昇したり、冷却
器の運転管理が不充分なために冷却水の温度が上昇し
て、シール部の温度を上昇させてしまうことはない。す
なわち、ヒートパイプ30を使用することによりシール
部20の冷却を確実に行うことができ、シール部材22
を劣化させることはない。さらに、ヒートパイプ30は
作動流体の潜熱を利用して熱輸送を行うものであるため
に、冷却水を使用する場合に比べ、シール部20を均一
な温度に冷却することができる。
【0018】なお、上記実施例ではケーシング底部8に
2本のヒートパイプ30,30の蒸発部31,31を埋
設したが、1本または3本以上のヒートパイプ30を埋
設してもよく、埋設方法も2本または3本のヒートパイ
プ30の蒸発部31を互いに沿わせるように埋設しても
よい。また、ヒートパイプ30の蒸発部31の埋設場所
もケーシング底板8に限らず、リング部材24中や押圧
具23中などシール部材22を充分に冷却できる場所で
あればどこに埋設してもよい。
【0019】さらに、この発明を原子炉に用いられる高
温容器におけるシール部や、エンジンの高温部における
シール部に適用しても同様の効果を得ることができる。
【0020】
【発明の効果】以上の説明から明らかなようにこの発明
によれば、高温容器のシール部またはその近傍をヒート
パイプにより冷却しているため、シール部のシール材は
そのシール効果を充分に維持することができる。この場
合、ヒートパイプ30は単純な構造の熱輸送手段であ
り、水ジャケット式の冷却手段に比べポンプや冷却器お
よび水配管等が不要であるため、冷却部の構造が簡単と
なり、かつ、コストも下げることができる。また、ヒー
トパイプ30は故障がなく、メンテナンスも不要である
ため、シール部の冷却を確実に行うことができ、かつ、
運転管理も容易である。
【図面の簡単な説明】
【図1】発電炉のシール部周りの部分断面斜視図であ
る。
【図2】発電炉のシール部周りの部分断面図である。
【図3】発電炉の断面図である。
【図4】従来のシール部の冷却構造を示す図である。
【符号の説明】
4 ケーシング本体 8 ケーシング底板 20 シール部 22 シール部材 30 ヒートパイプ 31 蒸発部 32 凝縮部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭64−15822(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F28D 15/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 円筒形状のケーシング本体の下端にケー
    シング底板を取り付けて、高温の燃料室の一部を形成す
    るとともに、前記ケーシング本体と前記ケーシング底板
    との間に、シール部材を有するシール部を形成し、この
    シール部またはその近傍に、作動流体を封入したヒート
    パイプの蒸発部が、360度のリングを形成するように
    配置され、この蒸発部が前記ケーシング底板に埋設され
    ているとともに、このヒートパイプの凝縮部を、低温域
    である大気中に配置したことを特徴とする高温容器のシ
    ール部の冷却構造。
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