JP4444019B2 - 熱交換器の製造方法、熱交換器、硫酸分解器、及び、水素製造装置 - Google Patents
熱交換器の製造方法、熱交換器、硫酸分解器、及び、水素製造装置 Download PDFInfo
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Description
→SO2(G)+1/2O2(G)+H2O(G)…(3)
本発明の熱交換器を適用した硫酸分解器及び水素製造装置の第1の実施の形態について説明する。
まず、本発明の熱交換器を適用した硫酸分解器及び水素製造装置の実施の形態の構成について説明する。図3は、本発明の水素製造装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。水素製造装置は、反応器10、分離器20、濃縮器30、分解器40、冷却分離器50、濃縮器60、分解器70、冷却分離器80を具備する。
図4は、硫酸分解器としての分解器70を示す斜視図である。分解器70は、本体部70Aを備える。本体部70Aは、第1流通プレート71と第2流通プレート72とが交互に複数積層され、その積層方向の一方の側の端部に供給マニホールド73が、他方の側の端部に送出マニホールド74がそれぞれ配設されたプレート積層型である。
図5は、第1流通プレート及び第2流通プレートの構成の詳細を示す正面図である。図5(a)は第1流通プレート、図5(b)は第2流通プレートを示す。
第1流体は、連絡穴71b及び71cを通りつつ、流通路71aを介して連絡穴71b−連絡穴71c間を移動する。
第1流体は、連絡穴72d及び72eを通る。第2流体は、連通溝72b−流通路72a−連通溝72c間を移動する。
図6は、供給マニホールド73の構成の詳細を示す正面図である。図6(a)は供給マニホールド部材73a、図6(b)は供給マニホールド部材73bを示す。
図7は、送出マニホールド74の構成の詳細を示す正面図である。図7(a)は送出マニホールド部材74a、図7(b)は送出マニホールド部材74bを示す。
→SO2(G)+1/2O2(G)+H2O(G)…(3)
分解器70を構成するセラミックスの各部品を準備(製造)する。各部品は、複数の第1流通プレート71(図5(a))、複数の第2流通プレート72(図5(b))、供給マニホールド部材73a及び73b(図6(a)及び(b))、送出マニホールド部材74a、74b及び74c(図7(a)、(b)及び(c))、複数の炭素棒91である。なお、溝や穴の形状、数は、設計により種々に変更可能である。ここでは、炭素棒91を除く各部材の四隅に炭素棒91を通す貫通穴を設けることとする。また、各マニホールドの部材(マニホールド部材)及び流通プレートの部材(流通プレート部材)は、同じ材料(例示:炭化ケイ素)を用いることとする。
供給マニホールド部材73aを連通溝82が上になるように静置する。供給マニホールド部材73aの四隅の穴に炭素棒91を取り付ける(図9(a))。
その後、供給マニホールド部材73a上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、マニホールド部材と同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、供給マニホールド部材73bの四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、供給マニホールド部材73bを供給マニホールド部材73a上に積層する(図9(b))。炭素棒91と供給マニホールド部材73a、73bとの接合も、炭化ケイ素を含むセラミック系接着剤を用いる。
供給マニホールド部材73b上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、マニホールド部材と同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、第1流通プレート71の四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、第1流通プレート71を流通路71aが上になるように供給マニホールド部材73b上に積層する(図9(c))。炭素棒91と第1流通プレート71との接合も、炭化ケイ素を含むセラミック系接着剤を用いる。なお、供給マニホールド部材73aと供給マニホールド部材73bとが一体となった部材を用いても良い。
第1流通プレート71上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、流通プレートと同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、第2流通プレート72の四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、第2流通プレート72を第1流通プレート71上に積層する(図9(d))。炭素棒91と第2流通プレート72との接合も、炭化ケイ素を含むセラミック系接着剤を用いる。
所定の枚数の第1流通プレート71及び第2流通プレート72を積層したか否かを判定する。Yesの場合、ステップS06へ進む。Noの場合、ステップS03に戻って、ステップS03、S04を繰り返す。ただし、必ずしもステップS04まで行う必要はなく、ステップS03で止めても良い。
第2流通プレート72上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、流通プレート部材と同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、送出マニホールド部材74cの四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、送出マニホールド部材74cを第2流通プレート72上に積層する(図10(a))。
送出マニホールド部材74c上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、マニホールド部材と同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、送出マニホールド部材74bの四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、送出マニホールド部材74bを連通溝86が上になるように送出マニホールド部材74c上に積層する(図10(b))。
送出マニホールド部材74b上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、マニホールド部材と同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、送出マニホールド部材74aの四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、送出マニホールド部材74aを送出マニホールド部材74b上に積層する(図10(c))。炭素棒91と送出マニホールド部材74c、74b、74aとの接合も、炭化ケイ素を含むセラミック系接着剤を用いる。なお、送出マニホールド部材74aと送出マニホールド部材74bと送出マニホールド部材74cとが一体となった部材を用いても良い。
熱処理装置において、出来上がった本体部70Aを所定の温度で熱処理する。それにより、各部材の間の接着剤(塗布されたスラリ)が焼結して、接着層が形成される。接着層により、接着層を挟んだ両部材が密着することができる。接着層は、各部材と同じセラミックス(炭化ケイ素)を含む材料を用いているので、熱処理により強固な接着力を持たせることができる。
炭素棒91と各部材との接着も同様に、各部材と同じセラミックス(炭化ケイ素)を含む接着剤の焼結により行われる。それにより、炭素棒91と各部材との接合面に炭化ケイ素が形成され強固な接着力を持たせることができる。
ただし、焼結の際の焼き締りにより、接着層に微細な隙間や穴が出来ている可能性がある。そのため、熱処理後の本体部70Aの接着層の隙間や穴に、毛細管現象を利用してシール材を充填する。例えば、各部材及び接着層が炭化ケイ素の場合、開口部分を目張りした本体部70Aを、溶融したシリコンが入ったバスの中に浸す。そうすることで、溶融したシリコンが微細な隙間や穴に含浸し、隙間や穴をふさぐことができる。それにより、リークにより加熱ガスと硫酸とが反応することを防止することが可能となる。本体部70Aを浸す材料としては、シリコン−アルミ合金のようなシリコンを含む材料でも良い。合金を使用すると、その取り扱いが容易となる場合がある。例えば、シリコン−アルミ合金の場合、融点が下がり、装置コストを低く抑えることができるほか、材料の取り扱いが容易である。
本発明の熱交換器を適用した硫酸分解器及び水素製造装置の第2の実施の形態について説明する。図11は、硫酸分解器としての分解器を示す斜視図である。なお、前述した第1の実施の形態の場合と同様な部分については、前述した第1の実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
分解器470は、本体部470Aを備える。本体部470Aは、第3流通プレート471と第4流通プレート472とが交互に複数積層され、その積層方向の一方の側の端部に供給マニホールド73が、他方の側の端部に送出マニホールド74がそれぞれ配設されたプレート積層型である。
図12は、第4流通プレートの構成の詳細を示す正面図である。図12(a)は第4流通プレートの一方の面(表面)、図12(b)は第4流通プレートの他方の面(裏面)を示す。
第1流体は、連絡穴472d及び472eを通る。第2流体は、連通溝472b−流通路472a−連通溝472c間を移動する。
第1流体は、連絡穴472d及び472eを通りつつ、流通路472fを介して連絡穴472d−連絡穴472e間を移動する。
図13は、第3流通プレートの構成の詳細を示す正面図である。第3流通プレート471は、複数の連絡穴471aが一方の辺の側に沿って、及び、複数の連絡穴471bが一方の辺に対向する他方の辺の側に沿って、それぞれ並んで配置されている。
分解器470を構成するセラミックスの各部品を準備(製造)する。各部品は、複数の第3流通プレート471(図13)、複数の第4流通プレート472(図12)、供給マニホールド部材73a及び73b(図6(a)及び(b))、送出マニホールド部材74a、74b及び74c(図7(a)、(b)及び(c))、複数の炭素棒91である。なお、溝や穴の形状、数は、設計により種々に変更可能である。ここでは、炭素棒91を除く各部材の四隅に炭素棒91を通す貫通穴を設けることとする。また、各マニホールドの部材(マニホールド部材)及び流通プレートの部材(流通プレート部材)は、同じ材料(例示:炭化ケイ素)を用いることとする。
供給マニホールド部材73aを連通溝82が上になるように静置する。供給マニホールド部材73aの四隅の穴に炭素棒91を取り付ける(図15(a))。
その後、供給マニホールド部材73a上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、マニホールド部材と同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、供給マニホールド部材73bの四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、供給マニホールド部材73bを供給マニホールド部材73a上に積層する(図15(b))。
更に、供給マニホールド部材73b上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、マニホールド部材と同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、送出マニホールド部材74cの四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、送出マニホールド部材74cを供給マニホールド部材73b上に積層する(図15(c))。炭素棒91と供給マニホールド部材73a、73b及び送出マニホールド部材74cとの接合も、炭化ケイ素を含むセラミック系接着剤を用いる。
なお、供給マニホールド部材73aと供給マニホールド部材73bとが一体となった部材を用いても良い。
送出マニホールド部材74c上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、流通プレートと同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、第4流通プレート472の四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、第4流通プレート472を送出マニホールド部材74c上に積層する(図15(d))。炭素棒91と第4流通プレート472との接合も、炭化ケイ素を含むセラミック系接着剤を用いる。
第4流通プレート472上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、流通プレートと同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、第3流通プレート471の四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、第3流通プレート471を第4流通プレート472上に積層する(図15(e))。炭素棒91と第3流通プレート471との接合も、炭化ケイ素を含むセラミック系接着剤を用いる。
第3流通プレート471上の所定の位置(例えば溝や穴を除く全面)に、流通プレートと同じセラミックス材料(例示:炭化ケイ素)を用いたスラリを接着剤として塗布する。そして、第4流通プレート472の四隅の穴に炭素棒91を通しつつ、第4流通プレート472を第3流通プレート471上に積層する(図15(f))。炭素棒91と第4流通プレート472との接合も、炭化ケイ素を含むセラミック系接着剤を用いる。
所定の枚数の第4流通プレート472及び第3流通プレート471を積層したか否かを判定する。Yesの場合、ステップS17へ進む。Noの場合、ステップS14に戻って、ステップS14、S15を繰り返す。ただし、必ずしもステップS15まで行う必要はなく、ステップS14で止めても良い。
本発明の熱交換器を適用した硫酸分解器及び水素製造装置の第3の実施の形態について説明する。図17は、硫酸分解器としての分解器の概略構成図である。なお、前述した第1、2の実施の形態の場合と同様な部分については、前述した第1、2の実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、その説明を省略する。
なお、熱処理に関しては、個々の本体部の熱処理と、それらを一体化する熱処理とを一度に行っても良い。
本発明に係る硫酸分解器及びこれを利用する水素製造装置の第4の実施の形態を図18、19に基づいて説明する。図18は、硫酸分解器としての分解器70を示す斜視図である。図19は、第1流通プレート及び第2流通プレートの構成の詳細を示す正面図である。図19(a)は第1流通プレート、図19(b)は第2流通プレートを示す。
なお、第1、2の実施の形態の場合と同様な部分については、第1、2、3の実施の形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、第1、2、3の実施の形態での説明と重複する説明を省略する。
20、120 分離器
30、130 濃縮器
40、140 分解器
50、150 冷却分離器
60、160 濃縮器
70、170、270、370 分解器
80、180 冷却分離器
70A、270A、270B、270C、370A 本体部
71 第1流通プレート
72、372 第2流通プレート
73、273 供給マニホールド
74、274 送出マニホールド
91 炭素棒
171 本体
71a、72a、171a、171b、372a、472a、472f 流通路
71b、71c、72d、72e、84、85a、85b、471a、471b、472d、472e 連絡穴
72b、72c、82、86、372b、472b、472c 連通溝
73a、73b 供給マニホールド部材
74a、74b、74c 送出マニホールド部材
87a、87b 貫通穴
270a 混合空間部
274a 混合空間部
276 補助プレート
471 第3流通プレート
472 第4流通プレート
Claims (15)
- (a)第1マニホールドと、第2マニホールドと、少なくとも一つの第1板と、少なくとも一つの第2板とを準備するステップと、
ここで、
第1マニホールドは、第1供給口と、前記第1供給口に連通する第1送出口とを有し、
前記第1板は、第1面と第2面と第3面と第4面とを含み、前記第1面から前記第2面へ貫通する第1穴及び第2穴と、前記第1面に形成され前記第1穴と前記第2穴の間をつなぐ第1溝と、前記第2面に形成され前記第3面から前記第4面へ達する第2溝とを有し、
前記第2板は、第5面と第6面とを含み、前記第5面から前記第6面へ貫通する第3穴及び第4穴を有し、
前記第2マニホールドは、第2供給口と、前記第2供給口に連通する第2送出口とを有し、
(b)前記第1板及び前記第2板のいずれか一方としての第1積層板を、前記第1マニホールド上に接着層を介して配置するステップと、
(c)前記第1積層板とは異なる前記第1板及び前記第2板のいずれか一方としての第2積層板を、前記第1積層板上に接着層を介して配置するステップと、
(d)前記第2マニホールドを、前記第2積層板上に接着層を介して配置し、構造体とするステップと、
(e)前記構造体に所定の熱処理を施して、前記接着層を、シール性を有する接合層にするステップと
を具備し、
前記第1面と前記第5面又は前記第6面とは実質的に同じ方向を向き、前記第1送出口と前記第1穴と前記第3穴とは連通し、前記第2穴と前記第4穴と前記第2供給口とは連通する
熱交換器の製造方法。 - (a)第1マニホールドと、第2マニホールドと、少なくとも一つの第1板と、少なくとも一つの第2板とを準備するステップと、
ここで、
第1マニホールドは、第1供給口と、前記第1供給口に連通する第1送出口とを有し、
前記第1板は、第1面と第2面とを含み、前記第1面から前記第2面へ貫通する第1穴及び第2穴と、前記第1面に形成され前記第1穴と前記第2穴の間をつなぐ第1溝とを有し、
前記第2板は、第3面と第4面と第5面と第6面とを含み、前記第3面から前記第4面へ貫通する第3穴及び第4穴と、前記第3面に形成され前記第5面から前記第6面へ達する第2溝とを有し、
前記第2マニホールドは、第2供給口と、前記第2供給口に連通する第2送出口とを有し、
(b)前記第1板及び前記第2板のいずれか一方としての第1積層板を、前記第1マニホールド上に接着層を介して配置するステップと、
(c)前記第1積層板とは異なる前記第1板及び前記第2板のいずれか一方としての第2積層板を、前記第1積層板上に接着層を介して配置するステップと、
(d)前記第2マニホールドを、前記第2積層板上に接着層を介して配置し、構造体とするステップと、
(e)前記構造体に所定の熱処理を施して、前記接着層を、シール性を有する接合層にするステップと
を具備し、
前記第1面と前記第3面とは実質的に同じ方向を向き、前記第1送出口と前記第1穴と前記第3穴とは連通し、前記第2穴と前記第4穴と前記第2供給口とは連通する
熱交換器の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の熱交換器の製造方法において、
前記(d)ステップの前に、
(f)他の前記第1積層板を、接着層を介して前記第2積層板上に配置するステップをさらに具備し、
前記(d)ステップは、前記第2積層板の代わりに、前記他の第1積層板上に接着層を介して前記第2マニホールドを配置する
熱交換器の製造方法。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法において、
前記(c)ステップの前に、
(g)別の前記第2積層板を、前記第1積層板上に接着層を介して配置するステップと、
(h)別の前記第1積層板を、前記第2積層板上に接着層を介して配置するステップと
を更に具備し、
前記(b)及び前記(c)ステップを、前記第1板及び前記第2板が所定の枚数となるまで繰り返す
熱交換器の製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法において、
前記(e)ステップは、
(e1)前記接着層を加熱処理して焼結させるステップと、
(e2)焼結された前記接着層にシール材を付与するステップと
を具備する
熱交換器の製造方法。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法において、
前記第1マニホールド、前記第1板、前記第2板及び前記第2マニホールドは、第1セラミックス材料及び炭素材料のうちの少なくとも一つを材料として含む
熱交換器の製造方法。 - 請求項6に記載の熱交換器の製造方法において、
前記接着層は、第2セラミックス材料を含むスラリを塗布して形成される
熱交換器の製造方法。 - 請求項6又は7に記載の熱交換器の製造方法において、
前記第1セラミックス材料及び前記第2セラミックス材料は、炭化ケイ素を含み、
前記シール材は、溶融したシリコンを含む
熱交換器の製造方法。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法において、
前記第1マニホールド、前記第1板、前記第2板及び前記第2マニホールドは、前記第1マニホールド、前記第1板、前記第2板及び前記第2マニホールドの四隅を貫通する四つの棒を利用して一体化される
熱交換器の製造方法。 - 第1流体と第2流体とを供給され、前記第1流体と前記第2流体との間で熱交換を行う熱交換器本体と、
前記熱交換器本体に結合された第1マニホールドと、
前記熱交換器本体に結合された第2マニホールドと
を具備し、
第1マニホールドは、前記第1流体が流入する第1供給口と、前記第1流体が流出する第1送出口とを有し、
前記第2マニホールドは、前記第1流体が流入する第2供給口と、前記第1流体が流出する第2送出口とを有し、
前記熱交換器本体は、複数の第1板と複数の第2板とを備え、前記第1板と前記第2板とは所定の順番で積層され、
前記第1板は、第1面と第2面と第3面と第4面とを含み、前記第1面から前記第2面へ貫通する第1穴及び第2穴と、前記第1面に形成され前記第1穴と前記第2穴の間をつなぐ第1溝と、前記第2面に形成され前記第3面から前記第4面へ達する第2溝とを有し、
前記第2板は、第5面と第6面とを含み、前記第5面から前記第6面へ貫通する第3穴及び第4穴と、を有し、
前記第1面と前記第5面又は前記第6面とは実質的に同じ方向を向き、前記第1供給口と前記第1穴と前記第3穴とは連通し、前記第2穴と前記第4穴と前記第2供給口とは連通する
熱交換器。 - 第1流体と第2流体とを供給され、前記第1流体と前記第2流体との間で熱交換を行う熱交換器本体と、
前記熱交換器本体に結合された第1マニホールドと、
前記熱交換器本体に結合された第2マニホールドと
を具備し、
第1マニホールドは、前記第1流体が流入する第1供給口と、前記第1流体が流出する第1送出口とを有し、
前記第2マニホールドは、前記第1流体が流入する第2供給口と、前記第1流体が流出する第2送出口とを有し、
前記熱交換器本体は、複数の第1板と複数の第2板とを備え、前記第1板と前記第2板とは所定の順番で積層され、
前記第1板は、第1面と第2面とを含み、前記第1面から前記第2面へ貫通する第1穴及び第2穴と、前記第1面に形成され、前記第1穴と前記第2穴の間をつなぐ第1溝とを有し、
前記第2板は、第3面と第4面と第5面と第6面とを含み、前記第3面から前記第4面へ貫通する第3穴及び第4穴と、前記第3面に形成され、前記第5面から前記第6面へ達する第2溝とを有し、
前記第1面と前記第3面とは実質的に同じ方向を向き、前記第1供給口と前記第1穴と前記第3穴とは連通し、前記第2穴と前記第4穴と前記第2供給口とは連通する
熱交換器。 - 請求項11に記載の熱交換器において、
前記第1マニホールド、前記第1板、前記第2板及び前記第2マニホールドは、セラミックス材料、及び炭素材料のうちの少なくとも一つを材料として含む
熱交換器。 - 請求項12に記載の熱交換器において、
前記セラミックス材料は、炭化ケイ素を含む
熱交換器。 - 請求項10乃至13のいずれか一項に記載の熱交換器と、
前記熱交換器の第1マニホールドへ硫酸を含む流体としての第1流体を供給する第1供給配管と、
前記熱交換器の第2マニホールドにから前記第1流体を送出する第1送出配管と
前記熱交換器の第2板の第2溝へ熱媒としての第2流体を供給する第2供給配管と、
前記第2溝から前記第2流体を送出する第2送出配管と
を具備する
硫酸分解器。 - ヨウ素又は臭素のハロゲンと二酸化硫黄と水とを反応させて硫酸水溶液とハロゲン化水素水溶液とを生成させる反応器と、
硫酸水溶液とハロゲン化水素水溶液とを比重差により分離する分離器と、
分離されたハロゲン化水素水溶液を濃縮するハロゲン化水素濃縮器と、
濃縮されたハロゲン化水素水溶液をハロゲンと水素とに分解するハロゲン化水素分解器と、
分解された水素を単離し、分解されたハロゲンを前記反応部に供給するハロゲン再利用器と、
分離された硫酸水溶液を濃縮する硫酸濃縮器と、
濃縮された硫酸を二酸化硫黄と酸素と水とに分解する請求項14に記載の硫酸分解器と、
分解された二酸化硫黄、酸素、水のうち、少なくとも二酸化硫黄を前記反応器に供給する二酸化硫黄再利用器と
を具備する
水素製造装置。
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---|---|---|---|
JP2004186490A JP4444019B2 (ja) | 2004-06-24 | 2004-06-24 | 熱交換器の製造方法、熱交換器、硫酸分解器、及び、水素製造装置 |
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