JP5495066B2 - 熱交換部一体型反応器 - Google Patents
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Description
本発明は、自己熱交換機能と反応機能の両方を備えた反応器、より詳しくは、反応部で生じた熱を熱交換部で回収して反応前の流体を効率的に予熱することにより、該反応に必要な加熱のためのエネルギーを少なくしたり、反応部の温度を上昇ならびに安定化させて目的とする反応を高効率に進行させることを可能にする反応器に関する。
化学反応、特に流体中に含まれる有害成分を分解したり酸化したりして無害化する反応を行うためには、一般に、処理する流体を加熱し高温にして、目的とする化学反応の速度を増大させている。さらに、この加熱を効率的に行うため、熱交換器を用いて処理済みの高温流体から処理前の低温流体へと熱を回収して処理前の流体を予熱することが比較的大型の装置、例えば蓄熱式VOC（揮発性有機化合物）除去装置などとして実用化されている。しかし、小規模、例えば処理流量10m3/min以下のような気体に対して無害化反応を行う場合は、装置が小型になるため、それぞれの装置要素やこれらを連結する配管部における放熱割合が相対的に大きく、また、小型、高効率で耐熱性の高い熱交換器が得られないため、高性能の熱回収性能を有する、省エネルギー性に優れた反応装置は未だ実用化していない。
上記の技術課題解決に向けて、熱交換部と反応部の連結構造を工夫して性能向上を図る発明がこれまでにも提案されている。例えば、下記の特許文献１及び２では、多管円筒型の熱交換構造と反応を行わせる触媒構造体のそれぞれの開口部の一端を直結した反応器が提示されている。
さらに、特許文献３ないし５では、プレート型熱交換構造の流路内に発熱反応を促進する触媒を直接配置したものが提案されている。
さらに、特許文献３ないし５では、プレート型熱交換構造の流路内に発熱反応を促進する触媒を直接配置したものが提案されている。
しかし、特許文献１、２のいずれの場合も、熱交換部と触媒構造体のそれぞれの開口部の一端は互いに直結されているものの、それぞれの他端同士は構造上直結することができず、パイプ状あるいは外套と触媒構造体との間のすき間状の連結流路を設けて間接的に結びつけられている。このため、この部分を形成させるため反応器全体の容積が大きくなるとともに、全体としての放熱度が増して、熱回収による反応部昇温効果がそれほど得られないという問題がある。また、多管円筒型熱交換構造では、一般に、小型の場合、高い熱回収性能が期待できない。
一方、特許文献３ないし５の場合は、対向流プレート型熱交換構造であるため高い熱回収性能が期待できるが、触媒等の発熱手段を熱交換構造の内部に直接配置すると、触媒反応と熱交換作用が相互に干渉し合って熱交換構造の内部、特に触媒を配置した部分での温度の不均一性が大きくなり、その結果、相対的に温度が低い部分の流速が大きくなるなどして、目的とする反応の効率、例えば有害成分除去率などが低下するという欠点が生じる。
特許文献４の場合には、対向流プレート型熱交換構造と反応部を分離した構造も提案されているが（同文献の図１５参照）、この場合には熱交換部と触媒構造体の開口部を結ぶ比較的大きな連結流路が必要になって、特許文献1、２と同様に放熱による熱の損失が大きくなるおそれがある。
特許文献４の場合には、対向流プレート型熱交換構造と反応部を分離した構造も提案されているが（同文献の図１５参照）、この場合には熱交換部と触媒構造体の開口部を結ぶ比較的大きな連結流路が必要になって、特許文献1、２と同様に放熱による熱の損失が大きくなるおそれがある。
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、熱交換部と触媒構造体とが分離された反応器において、反応器全体の容積を大きくすることなく、高い熱回収性能が得られる反応器を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、複数の面状流路からなる熱交換部を備えた一体型自己熱交換構造体において、該熱交換部と、その面状流路の往路と復路を連通するために設けられた空間部との間に、別途ダクトを配置し、該ダクト内部に発熱要素及び反応要素を配置することにより、上記の課題が解決できるという知見を得た。
上記課題を解決するための本発明は、これら知見に基づいて完成に至ったものであり、以下の技術的手段から構成される。
［１］熱交換部と反応部を一体的に組み合わせた反応器において、
該熱交換部は、熱交換面となる積層された面状隔壁によって仕切られた複数の面状流路を備えた一体形成された積層構造を有する熱交換構造体からなり、
前記複数の面状流路は、同一流体の往路と復路となる二種類の流路が互いに一つ置きに重なり合って一方向に伸長しており、
該伸長方向の一端に位置する前記構造体の一つの側面上に、往路の出口がある領域及び復路の入口がある領域をそれぞれ少なくとも１箇所設け、
往路の出口がある領域には、前記複数の面状流路断面に流体排出のための開口部を積層の一つ置きに設け、一方、復路の入口がある領域には、前記開口部が設けられていない積層の一つ置きの複数の面状流路断面に流体流入のための開口部を設け、
該側面から、往路の出口がある領域に直結しさらにこれから伸長する往路側ダクト、及びこれと壁をへだてて隣接する復路の入口がある領域に直結しさらにこれから伸長する復路側ダクトを設け、
これらの往路側ダクトと復路側ダクトを、前記構造体と接する側と反対の面側に設けた空間で連通させ、
該往路側ダクト及び復路側ダクトの少なくとも一方の内部に、発熱要素及び／又は反応要素を配置したことを特徴とする反応器。
［２］前記往路側ダクト及び前記復路側ダクトの少なくとも一方を、前記側面の、縦及び横の少なくとも一方の面方向に拡張したことを特徴とする上記［１］の反応器。
［３］前記往路側ダクトが、前記壁と垂直な方向において両端の二箇所を占めることを特徴とする上記［１］又は［２］の反応器。
［４］前記往路側ダクトを、前記側面の横及び縦の面方向に拡張し、さらに前記復路側ダクトを外側から取り囲むように拡張したことを特徴とする上記［３］の反応器。
［５］前記構造体の、面状流路が伸長する方向に位置する側面の少なくとも一方を、その断面が三角形の畝状に折れ曲がった形状としたことを特徴とする上記［１］〜［４］のいずれかの反応器。
［６］前記往路側ダクト及び前記復路側ダクトの少なくとも一方の内部のいずれかの部分に、蓄熱要素を配置したことを特徴とする上記［１］〜［５］のいずれかの反応器。
［１］熱交換部と反応部を一体的に組み合わせた反応器において、
該熱交換部は、熱交換面となる積層された面状隔壁によって仕切られた複数の面状流路を備えた一体形成された積層構造を有する熱交換構造体からなり、
前記複数の面状流路は、同一流体の往路と復路となる二種類の流路が互いに一つ置きに重なり合って一方向に伸長しており、
該伸長方向の一端に位置する前記構造体の一つの側面上に、往路の出口がある領域及び復路の入口がある領域をそれぞれ少なくとも１箇所設け、
往路の出口がある領域には、前記複数の面状流路断面に流体排出のための開口部を積層の一つ置きに設け、一方、復路の入口がある領域には、前記開口部が設けられていない積層の一つ置きの複数の面状流路断面に流体流入のための開口部を設け、
該側面から、往路の出口がある領域に直結しさらにこれから伸長する往路側ダクト、及びこれと壁をへだてて隣接する復路の入口がある領域に直結しさらにこれから伸長する復路側ダクトを設け、
これらの往路側ダクトと復路側ダクトを、前記構造体と接する側と反対の面側に設けた空間で連通させ、
該往路側ダクト及び復路側ダクトの少なくとも一方の内部に、発熱要素及び／又は反応要素を配置したことを特徴とする反応器。
［２］前記往路側ダクト及び前記復路側ダクトの少なくとも一方を、前記側面の、縦及び横の少なくとも一方の面方向に拡張したことを特徴とする上記［１］の反応器。
［３］前記往路側ダクトが、前記壁と垂直な方向において両端の二箇所を占めることを特徴とする上記［１］又は［２］の反応器。
［４］前記往路側ダクトを、前記側面の横及び縦の面方向に拡張し、さらに前記復路側ダクトを外側から取り囲むように拡張したことを特徴とする上記［３］の反応器。
［５］前記構造体の、面状流路が伸長する方向に位置する側面の少なくとも一方を、その断面が三角形の畝状に折れ曲がった形状としたことを特徴とする上記［１］〜［４］のいずれかの反応器。
［６］前記往路側ダクト及び前記復路側ダクトの少なくとも一方の内部のいずれかの部分に、蓄熱要素を配置したことを特徴とする上記［１］〜［５］のいずれかの反応器。
本発明により、反応させる流体を著しく予熱して目的とする反応の速度を促進したり、反応部における温度を安定させて反応の選択性を高度に制御するなどが可能になり、反応器としての性能を著しく向上させることができる。また、反応に必要な加熱エネルギーを節約することが可能になる。また、本発明は、気体中の有害成分を除去する小型で高性能の反応装置としての利用に好適で、特に、低濃度ＶＯＣを含む空気の浄化や、自動車排ガスの浄化手段として好適な技術である。
以下、本発明の反応器について、その実施形態を、図を用いて説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。
（第１の実施形態）
図１は、往路側ダクトと復路側ダクトを各１個ずつ備えた、本発明の反応器の一例を示したものである。
図中、１は本発明の熱交換部一体型反応器の全体、２はプレート型の積層構造を有する熱交換部、３は反応部、４は本反応器外部から熱交換部への流体流入部（往路への入口）、５は熱交換部から本反応器外部への流体排出部（復路からの出口）、６は４及び５と相対する熱交換部の一つの側面、７は側面６の一部分に設けた該熱交換部から反応部へ流体が排出される開口部（往路の出口）、８は、７とともに側面６の別の一部分に設けた反応部から熱交換部へ流体が流入する開口部（復路の入口）、９は７と直結する反応部の往路側ダクト、１０は８と直結する反応部の復路側ダクト、１１は９と１０を隔てる壁、１２は９あるいは１０内部に設けた発熱要素、１３は９あるいは１０内部に設けた反応要素、１４は熱交換部と直結していない側の９と１０開口端どうしを連通させる空間部である。
なお、この図では発熱要素、反応要素がそれぞれ往路型ダクト、復路側ダクトに配置されているが、この順序が逆転しても、また、両要素を両方のダクトに配置しても、または片方のダクトのみに配置しても、さらには両要素を混在させてダクト往復路内部の同じ位置に配置しても構わない。
図１は、往路側ダクトと復路側ダクトを各１個ずつ備えた、本発明の反応器の一例を示したものである。
図中、１は本発明の熱交換部一体型反応器の全体、２はプレート型の積層構造を有する熱交換部、３は反応部、４は本反応器外部から熱交換部への流体流入部（往路への入口）、５は熱交換部から本反応器外部への流体排出部（復路からの出口）、６は４及び５と相対する熱交換部の一つの側面、７は側面６の一部分に設けた該熱交換部から反応部へ流体が排出される開口部（往路の出口）、８は、７とともに側面６の別の一部分に設けた反応部から熱交換部へ流体が流入する開口部（復路の入口）、９は７と直結する反応部の往路側ダクト、１０は８と直結する反応部の復路側ダクト、１１は９と１０を隔てる壁、１２は９あるいは１０内部に設けた発熱要素、１３は９あるいは１０内部に設けた反応要素、１４は熱交換部と直結していない側の９と１０開口端どうしを連通させる空間部である。
なお、この図では発熱要素、反応要素がそれぞれ往路型ダクト、復路側ダクトに配置されているが、この順序が逆転しても、また、両要素を両方のダクトに配置しても、または片方のダクトのみに配置しても、さらには両要素を混在させてダクト往復路内部の同じ位置に配置しても構わない。
熱交換部２は、熱交換面となる積層された面状隔壁によって仕切られた複数の面状流路を備えた一体形成された積層構造を有する熱交換構造体をなし、それぞれ流入口と排出口を共有する往路と復路が互いに交互に積層されている。これらの流路はいずれも一方向に伸長しており、この伸長方向の一端に位置する該熱交換構造体の一つの側面６上の一領域に、複数の往路の開口部７が積層の一つ置きに設けられ、一方、往路の開口部７が設けられていない側面６上の別の領域には、積層の一つ置きの複数の面状流路断面に復路の開口部８が設けられている。
図示してはいないが、反応器外部からの流入部４および反応器外部への排出部５の構造は、側面６と同様に、４、５それぞれの領域において、往路及び復路の開口部がひとつ置きに設けられている。これにより、流体流入領域４と排出領域５が分離され、外部配管等と接続することが可能になっている。
反応要素とは、ハニカム、フォーム、ペレット、メッシュ状などの触媒構造体、あるいはバーナー、あるいは高電圧を印加して生じさせる非熱平衡プラズマなど、流体に含まれる成分に対して目的とする化学反応を進行させる反応手段を意味する。また、発熱要素とは、電気抵抗加熱、マイクロ波や電磁誘導加熱、バーナー、流体中の発熱反応成分と当該反応を促進する触媒の組み合わせ、高電圧を印加して生じさせる非熱平衡プラズマなど、ダクト内部で熱を発生させうるさまざまな加熱手段を意味する。流体中の発熱反応成分と触媒の組み合わせの例としては、Ｈ２、ＣＯ、プロパンをはじめとする炭化水素類とＰｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｎなどを活性成分とする固体触媒との組み合わせなど、一般的な酸化触媒反応を利用することができる。また、反応要素が発熱要素を兼ねてもかまわない。
処理すべき流体は、この図では、上記の各構成要素を４、２（往路内）、７、９、１２、１４、１３、１０、８、２（復路内）、５の順に、すなわち１４を折り返した点として、本反応器内部を往復するように流れる。流体が、発熱機能を有する１２を通過したり、反応要素１３において発熱反応が進行したりすると、熱交換部２内の復路を通過する流体は、同往路を通過する流体より適宜温度が高くなる。この温度差により反応器１の復路側から往路側に熱移動が起こり、その結果、往路の出口７がある領域において、反応部３に流入する流体温度は、流体流入領域４における温度よりも高くなる。すなわち、この反応器構造により処理すべき流体は、反応要素１３に流入する以前に熱交換作用および発熱要素により予熱され、大きく温度上昇する。この上昇温度は熱交換部の熱回収性能が高ければ高いほど高くなる。例えば、本装置が完全断熱条件、すなわち装置外表面や配管を伝わっての放熱が全くなく、また熱回収率が８０％の場合、この上昇温度は、反応要素１３における加熱によってもたらされる上昇温度の４倍にも達する。
本発明の構造を取ることにより、熱回収性能が高い積層構造を有する熱交換部と反応部を直結することが可能になるとともに、熱交換体と反応部とを連結する部分、および往路側と復路側のダクトを連通させる部分の体積を小さくすることができ、また全体形状としてもコンパクトな直方体とすることができるので、放熱の度合いが小さくなる。これら２つの効果により、小型でありながら従来の装置では得られなかった高い予熱性能、すなわち高い昇温効果が得られる。その結果、例えば、低濃度の揮発性有機化合物(ＶＯＣ)、例えば３００ｐｐｍ程度のトルエンを含む汚染空気を触媒反応機能を備えた本発明を用いて処理する場合、初期加熱の期間を除いて、外部から加熱することなく、ＶＯＣの触媒燃焼で生ずる反応熱のみで反応層を必要な温度（例えば３００℃）に維持し、無害化反応を継続することが可能になる。
さらに、高い熱回収性能が実現することにより、本装置に流入する流体の温度が大きく変動しても、反応要素１３の温度がそれほど変動しないという効果も生ずる。したがって、本発明を利用することにより、目的とする化学反応を促進したり反応の選択性を精密に制御したりできることが期待される。
（第２の実施形態）
図１では、反応部における往路側ダクト９および復路側ダクト１０がそれぞれ１つしかないが、それぞれ２つ以上設けてもよい。
図２は、その一例として、往路側ダクト９を２個、復路側ダクト１０を１個とした例を、反応要素１３及び発熱要素１４の記載を省略して図示したものである。
該図に示す例のように、それぞれのダクト数を増やすには、往路の開口部（出口）７のある領域及び復路の開口部（入口）８がある領域が、それぞれ熱交換部の積層面と垂直な方向に伸びるように、かつ往路の開口部（出口）７がある領域と復路の開口部（入口）８がある領域とが交互に隣り合うように縞状に配置し、それぞれの領域の間を複数の壁１１で隔てた構造とすればよい。そして、このようにして形成された複数のダクトのそれぞれに反応要素及び発熱要素を設ければよい。
図１では、反応部における往路側ダクト９および復路側ダクト１０がそれぞれ１つしかないが、それぞれ２つ以上設けてもよい。
図２は、その一例として、往路側ダクト９を２個、復路側ダクト１０を１個とした例を、反応要素１３及び発熱要素１４の記載を省略して図示したものである。
該図に示す例のように、それぞれのダクト数を増やすには、往路の開口部（出口）７のある領域及び復路の開口部（入口）８がある領域が、それぞれ熱交換部の積層面と垂直な方向に伸びるように、かつ往路の開口部（出口）７がある領域と復路の開口部（入口）８がある領域とが交互に隣り合うように縞状に配置し、それぞれの領域の間を複数の壁１１で隔てた構造とすればよい。そして、このようにして形成された複数のダクトのそれぞれに反応要素及び発熱要素を設ければよい。
このように往復路のダクト数を増やし、さらに反応器の出入り口領域もこれと対応させてその数を増やすことにより、熱交換部の内部における２方向の流れが完全な対向流に近づくので、熱回収性能を高くすることができる。また、このように流れの向きが異なるダクトを多数交互に配置しても、１つの直方体にすきま空間を設けるだけで折り返し部１４を形成することができるので、構造が単純かつ外表面積を小さくして放熱を少なくすることが可能である。
（第３の実施形態）
図３〜５は、積層型熱交換体と連結する反応部の断面を、図１や２などのように熱交換体の側面６の範囲と同一にするのではなく、この側面の、縦及び横の少なくとも一方の面方向に拡張したものである。
なお、図３〜５では、出入口４および５の記載を省略し、図４、５では、ダクト内部に配置すべき発熱要素１２、及び反応要素１３の記載も省略してある。
図３は、縞状に配置されたダクトのうち両端にあるダクトを、側面６の一方の面方向(横の面方向)に拡張した一例を示すものである。該図において、１５は、ダクト９の一部分で、熱交換部の開口部７がある領域と反応要素および／あるいは発熱要素の一端を連結する空間としての機能を担っている。また、この空間の底部は板１６によって反応器外部と仕切られている。
図３〜５は、積層型熱交換体と連結する反応部の断面を、図１や２などのように熱交換体の側面６の範囲と同一にするのではなく、この側面の、縦及び横の少なくとも一方の面方向に拡張したものである。
なお、図３〜５では、出入口４および５の記載を省略し、図４、５では、ダクト内部に配置すべき発熱要素１２、及び反応要素１３の記載も省略してある。
図３は、縞状に配置されたダクトのうち両端にあるダクトを、側面６の一方の面方向(横の面方向)に拡張した一例を示すものである。該図において、１５は、ダクト９の一部分で、熱交換部の開口部７がある領域と反応要素および／あるいは発熱要素の一端を連結する空間としての機能を担っている。また、この空間の底部は板１６によって反応器外部と仕切られている。
図４は、往路側ダクト及び復路側ダクトのそれぞれを、側面６の他方の面方向（縦の面方向）に拡張し、それに伴って、壁１１も同一方向に伸長させたものである。
また、図５は、側面６の横及び縦の面方向に拡張することにより、図３及び図４で示したダクトの拡大の両方を同時に行ったものである。
なお、図４及び図５では、往路側ダクトが２個、復路側ダクトが１個の場合を示しているが、ダクトの数がこの例に限られないことは図３の場合と同様である。
また、図５は、側面６の横及び縦の面方向に拡張することにより、図３及び図４で示したダクトの拡大の両方を同時に行ったものである。
なお、図４及び図５では、往路側ダクトが２個、復路側ダクトが１個の場合を示しているが、ダクトの数がこの例に限られないことは図３の場合と同様である。
以上のいずれにおいても、往路側ダクト及び／又は復路側ダクトを、側面の面方向へ拡張することにより、反応部の体積および断面積が大きくなり、ここに配置する反応要素の体積に対する処理流体の流速の割合（空間速度）を小さくすることができ、その結果、目的とする反応の効率を向上させるとともに、流れに伴う圧力損失を小さくすることができる。また、このような拡張を行ってもダクトの一部を宛てるだけで連結空間１５を形成できるので、全体形状をコンパクトにすることができ、放熱を小さく抑えることが可能になる。
（第４の実施形態）
図６は、往路の出口７がある領域と直結する往路側ダクトが、壁１１と垂直な方向で両端の２箇所を占める場合において、該ダクトを、側面６の横及び縦の面方向に拡大し、さらに復路の入口８がある領域と直結する復路側ダクトを外側から取り囲むように拡張させたものである。なお、ダクト内部に配置すべき発熱要素１２、反応要素１３、出入口４および５の記載は省略してある。
このように復路側ダクトを往路側ダクトで取り囲むことにより、放熱に伴う復路側ダクト内部の温度不均一性を減ずることが可能になる。すなわち、復路側ダクトは往路側ダクトで取り囲まれているために、あまり温度低下しなくなり、その結果、この内部に設けた反応要素における温度を均一かつ一定に保ちやすくなる。これにより、反応温度条件を一定に制御することが必要な選択的触媒反応などを行うことが可能になる。
図６は、往路の出口７がある領域と直結する往路側ダクトが、壁１１と垂直な方向で両端の２箇所を占める場合において、該ダクトを、側面６の横及び縦の面方向に拡大し、さらに復路の入口８がある領域と直結する復路側ダクトを外側から取り囲むように拡張させたものである。なお、ダクト内部に配置すべき発熱要素１２、反応要素１３、出入口４および５の記載は省略してある。
このように復路側ダクトを往路側ダクトで取り囲むことにより、放熱に伴う復路側ダクト内部の温度不均一性を減ずることが可能になる。すなわち、復路側ダクトは往路側ダクトで取り囲まれているために、あまり温度低下しなくなり、その結果、この内部に設けた反応要素における温度を均一かつ一定に保ちやすくなる。これにより、反応温度条件を一定に制御することが必要な選択的触媒反応などを行うことが可能になる。
（第５の実施形態）
図７は、図１に示すような構造の反応器において、発熱要素１２及び反応要素１３に加えて蓄熱要素１７を、往路側ダクト９内の一部に設けたものである。蓄熱要素とは、流体が通過できる形状を有し、かつある程度の熱容量を有する材料で、例えば、セラミック製あるいは金属製のハニカム構造体、フォーム、ペレット、金属製のメッシュ構造体などがある。なお、図７では、蓄熱要素１７を、往路側ダクト９内の一部に設けた例を示したが、復路側ダクト１０内の一部に設けてもよい。
図７は、図１に示すような構造の反応器において、発熱要素１２及び反応要素１３に加えて蓄熱要素１７を、往路側ダクト９内の一部に設けたものである。蓄熱要素とは、流体が通過できる形状を有し、かつある程度の熱容量を有する材料で、例えば、セラミック製あるいは金属製のハニカム構造体、フォーム、ペレット、金属製のメッシュ構造体などがある。なお、図７では、蓄熱要素１７を、往路側ダクト９内の一部に設けた例を示したが、復路側ダクト１０内の一部に設けてもよい。
このような蓄熱要素をダクト内部に配置することにより、前記の温度安定化効果をより大きくすることができる。すなわち反応器に流入する流体の温度が一時的に低くなったり、流入する流体中の発熱反応成分濃度が一時的に小さくなったりした場合には、熱交換機能による温度安定性があるとはいえ、反応要素１３の温度が一時的に下がるが、蓄熱要素に蓄えられた熱が放出されることにより、これを通過する流体の温度、ひいては反応要素１３の温度低下を小さくすることができる。逆に、流入する流体の温度が一時的に上がったり、発熱反応成分の濃度が一時的に大きくなったりした場合も同様の作用により、反応要素１３の温度上昇を小さくすることができる。これらの結果、目的とする化学反応の安定性を増し、装置の性能を向上させることが可能になる。なお、熱容量の大きな触媒構造体を使用するなど、反応要素あるいは発熱要素と蓄熱要素を兼用させてもよい。
（第６の実施形態）
図８は、本発明の別の形態の反応器を示した斜視透視図、図９は、図８の熱交換構造体部分を同図面中の右方向から見た正面透視図である。
この形態では、図３の場合と同様に、反応部３の往路側ダクト９を両側に２つ、復路側ダクト１０を中央に１つ設けたものであって、両ダクトは壁１１で仕切られている。図３に示す反応器と異なる点は、熱交換構造体の伸長方向の両端に位置する側面形状にある。
すなわち、図３の実施形態では、熱交換構造体の伸長方向の一端に位置し、該構造体から流体が排出される開口部（図１の７に相当する部分）を設けた領域、及び該構造体へ流体が流入する開口部（図１の８に相当する部分）を設けた領域のある側面（図１の６に相当する部分）、並びに、空間部１５と反応器外部を仕切る板１６とは、１つの平面内に設けられているが、本実施形態では、これらが、その断面が三角形の畝状に折れ曲がった、いわゆる、ジグザク状の複数の面から構成されている。同様に、該構造体の他端に位置し、外部から該構造体への流体流入部(図１の４に相当する部分)及び該構造体から外部への流体排出部（図１の５に相当する部分）が設けられた側面も、ジグザク状の複数の面から構成されている。これらの複数の面がなす角度としては６０〜１５０°、より好ましくは９０〜１２０°とすることがよい。
なお、図中の１８及び１９は、それぞれ、後述する実施例に用いた試作器において、外部から熱交換部への流体の出入り口側に設けたフランジ（出入り口側フランジ）、及び反応部との連通側に設けたフランジ（連通側フランジ）を示している。
図８は、本発明の別の形態の反応器を示した斜視透視図、図９は、図８の熱交換構造体部分を同図面中の右方向から見た正面透視図である。
この形態では、図３の場合と同様に、反応部３の往路側ダクト９を両側に２つ、復路側ダクト１０を中央に１つ設けたものであって、両ダクトは壁１１で仕切られている。図３に示す反応器と異なる点は、熱交換構造体の伸長方向の両端に位置する側面形状にある。
すなわち、図３の実施形態では、熱交換構造体の伸長方向の一端に位置し、該構造体から流体が排出される開口部（図１の７に相当する部分）を設けた領域、及び該構造体へ流体が流入する開口部（図１の８に相当する部分）を設けた領域のある側面（図１の６に相当する部分）、並びに、空間部１５と反応器外部を仕切る板１６とは、１つの平面内に設けられているが、本実施形態では、これらが、その断面が三角形の畝状に折れ曲がった、いわゆる、ジグザク状の複数の面から構成されている。同様に、該構造体の他端に位置し、外部から該構造体への流体流入部(図１の４に相当する部分)及び該構造体から外部への流体排出部（図１の５に相当する部分）が設けられた側面も、ジグザク状の複数の面から構成されている。これらの複数の面がなす角度としては６０〜１５０°、より好ましくは９０〜１２０°とすることがよい。
なお、図中の１８及び１９は、それぞれ、後述する実施例に用いた試作器において、外部から熱交換部への流体の出入り口側に設けたフランジ（出入り口側フランジ）、及び反応部との連通側に設けたフランジ（連通側フランジ）を示している。
本実施形態では、該構造体の断面が三角形の部分を設けることにより、図９中の該構造体内部を流れる流体の往路流線２０および復路流線２１で示すように、該構造体中央部付近で互いに完全な対向流が形成されるとともに、該構造体の幅一杯にほぼ均等な流れが形成される。その結果、図３の形態と比べて、熱交換の効率をさらに向上させることができる。
本実施形態では、図３に示した反応器における熱交換構造体の両側面の形状を変更したものであるが、両側面でなく、いずれか一方の側面であってもよい。
さらに、図３以外の図に示す反応器においても、本実施形態におけるのと同様の側面形状とすることにより、同様の効果を奏することが可能であることはいうまでもない。
本実施形態では、図３に示した反応器における熱交換構造体の両側面の形状を変更したものであるが、両側面でなく、いずれか一方の側面であってもよい。
さらに、図３以外の図に示す反応器においても、本実施形態におけるのと同様の側面形状とすることにより、同様の効果を奏することが可能であることはいうまでもない。
なお、以上の第２〜４、６の実施形態では、全体の流れの向きを全く逆向きに、すなわち、図２〜６、８、９に示した反応器の入口および出口をそれぞれ出口および入口とし、一方、往路側ダクトおよび復路側ダクトをそれぞれ復路側ダクトおよび往路側ダクトとして利用することも可能である。
（実施例１：模擬汚染空気を用いたテスト）
図２に示したような、反応部として両脇に往路側ダクト２個、中央部に復路側ダクト１個を備えた試作器を製作し、これに酸化触媒を担持したハニカム構造体を収納して、酸化反応器としての性能を確認した。試作した反応器の全体形状は直方体で、外寸は、縦５１ｍｍ、横１２０ｍｍ、流れが往復する方向の高さ２００ｍｍ（うち熱交換部１００ｍｍ、ダクト部９０ｍｍ、ダクト間を連通させる空間部１０ｍｍ）である。この復路側ダクト（５０×６０×９０ｍｍ）の内部に、直方体（５０×６０×４０ｍｍ）に切り出したセル密度４００ｃｐｓｉのコージェライトハニカムにＰｔを０．８ｇ担持したハニカム触媒構造体を収納した。ここにＨ２を０．７１％含む空気を約２００Ｌ／ｍｉｎ流したところ、Ｐｔ触媒上でＨ２の酸化反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）が進行した。この濃度のＨ２が完全酸化したときに予想される理論断熱上昇温度は５８Ｋである。一方、この実験での実際の反応器への入気温度、ハニカム構造体出口部温度は、それぞれ３３℃、３７２℃であり、実際の上昇温度は３３９Ｋにも達した。すなわち、実際の上昇温度は理論断熱上昇温度の５．８倍にもなり、これより熱交換部における熱回収率は８３％に達したと見積もられた。
図２に示したような、反応部として両脇に往路側ダクト２個、中央部に復路側ダクト１個を備えた試作器を製作し、これに酸化触媒を担持したハニカム構造体を収納して、酸化反応器としての性能を確認した。試作した反応器の全体形状は直方体で、外寸は、縦５１ｍｍ、横１２０ｍｍ、流れが往復する方向の高さ２００ｍｍ（うち熱交換部１００ｍｍ、ダクト部９０ｍｍ、ダクト間を連通させる空間部１０ｍｍ）である。この復路側ダクト（５０×６０×９０ｍｍ）の内部に、直方体（５０×６０×４０ｍｍ）に切り出したセル密度４００ｃｐｓｉのコージェライトハニカムにＰｔを０．８ｇ担持したハニカム触媒構造体を収納した。ここにＨ２を０．７１％含む空気を約２００Ｌ／ｍｉｎ流したところ、Ｐｔ触媒上でＨ２の酸化反応（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）が進行した。この濃度のＨ２が完全酸化したときに予想される理論断熱上昇温度は５８Ｋである。一方、この実験での実際の反応器への入気温度、ハニカム構造体出口部温度は、それぞれ３３℃、３７２℃であり、実際の上昇温度は３３９Ｋにも達した。すなわち、実際の上昇温度は理論断熱上昇温度の５．８倍にもなり、これより熱交換部における熱回収率は８３％に達したと見積もられた。
（実施例２：ディーゼル車排ガスを用いたテスト）
実施例1において、さらに往路側の２つのダクト（５０×３０×９０ｍｍ）に、ＮＨ３による窒素酸化物（ＮＯｘ）選択還元反応に活性なＣｕ系触媒を担持したハニカム構造体を収納し、ディーゼル車排ガス中のＮＯｘ除去反応を行い、自動車排ガス浄化用ＮＯｘコンバータとしての性能を調べた。具体的には、２つの往路側ダクトそれぞれに、Ｃｕをイオン交換担持したフェリエライト（Ｃｕ０．４ｇ、フェリエライト１４ｇ）をウォッシュコートしたハニカム構造体（直方体５０×３０×８０ｍｍ、４００ｃｐｓｉのコージェライト）を収納し、排気量２．２Ｌのディーゼル貨物車をシャーシダイナモメータ上で６０ｋｍ／ｈ定地走行させた際に発生する排ガスの一部（３００Ｌ／ｍｉｎ）をこの反応器に導き、さらに、排ガス中のＮＯｘと同濃度（約１００ｐｐｍ）のＮＨ３および補助加熱用のＨ２を加えて、反応器出入口におけるＮＯｘ濃度を比較することにより、ＮＯｘ除去性能を評価した。その結果、入気温度１２２℃の下で、Ｈ２をわずか０．３４％（理論断熱上昇温度＝２８Ｋ）加えることにより、復路側においたＰｔ触媒出口温度が３１８℃まで加熱（上昇温度＝１９６Ｋ、熱回収率８６％）するとともに、これに伴って往路側のＣｕ触媒を担持したハニカム構造体も２９０℃まで温度上昇した。そして、このような高い触媒温度条件が実現したことによりＮＯｘ除去率７９％に達する高い性能が得られた。自己熱交換による触媒温度上昇の効果がなければ、このような低い入気温度で高いＮＯｘ除去率を発揮することは不可能である。
実施例1において、さらに往路側の２つのダクト（５０×３０×９０ｍｍ）に、ＮＨ３による窒素酸化物（ＮＯｘ）選択還元反応に活性なＣｕ系触媒を担持したハニカム構造体を収納し、ディーゼル車排ガス中のＮＯｘ除去反応を行い、自動車排ガス浄化用ＮＯｘコンバータとしての性能を調べた。具体的には、２つの往路側ダクトそれぞれに、Ｃｕをイオン交換担持したフェリエライト（Ｃｕ０．４ｇ、フェリエライト１４ｇ）をウォッシュコートしたハニカム構造体（直方体５０×３０×８０ｍｍ、４００ｃｐｓｉのコージェライト）を収納し、排気量２．２Ｌのディーゼル貨物車をシャーシダイナモメータ上で６０ｋｍ／ｈ定地走行させた際に発生する排ガスの一部（３００Ｌ／ｍｉｎ）をこの反応器に導き、さらに、排ガス中のＮＯｘと同濃度（約１００ｐｐｍ）のＮＨ３および補助加熱用のＨ２を加えて、反応器出入口におけるＮＯｘ濃度を比較することにより、ＮＯｘ除去性能を評価した。その結果、入気温度１２２℃の下で、Ｈ２をわずか０．３４％（理論断熱上昇温度＝２８Ｋ）加えることにより、復路側においたＰｔ触媒出口温度が３１８℃まで加熱（上昇温度＝１９６Ｋ、熱回収率８６％）するとともに、これに伴って往路側のＣｕ触媒を担持したハニカム構造体も２９０℃まで温度上昇した。そして、このような高い触媒温度条件が実現したことによりＮＯｘ除去率７９％に達する高い性能が得られた。自己熱交換による触媒温度上昇の効果がなければ、このような低い入気温度で高いＮＯｘ除去率を発揮することは不可能である。
（実施例３：図８に示す変形型反応器によるディーゼル車の排ガス浄化テスト）
図８に示すような、熱交換部２と、往路側ダクト９又は２つの復路側ダクト１０を接続する側面６及び仕切板１６がジグザザグ状に折れ曲がった形状の熱交換部一体型反応器を試作した。
材質は、ＳＵＳ３１６Ｌ製とした。熱交換部の寸法は、縦６０ｍｍ、横１２０ｍｍ、長さ（流れ方向）１００ｍｍで、その内部に厚さ０．１ｍｍの伝熱板で仕切られたすきま幅１．９ｍｍの往復流路を交互に計２９層積層した。熱交換部の出入り口側には、出入り口側フランジ１８を設け、ここに両脇と中央がそれぞれ出入り口となっている接続口（図示せず）を取り付けた。一方、３つに仕切られたダクト部は、いずれも内寸が縦５８ｍｍ、横５８ｍｍ、長さ（流れ方向）１２０ｍｍとした。さらに、熱交換部と反対側のダクト部端面と連通側フランジ１９に取り付けたふた（図示せず）との間にすきまを設けることにより、流体が往復路ダクト間を連通する空間部とした。
図８に示すような、熱交換部２と、往路側ダクト９又は２つの復路側ダクト１０を接続する側面６及び仕切板１６がジグザザグ状に折れ曲がった形状の熱交換部一体型反応器を試作した。
材質は、ＳＵＳ３１６Ｌ製とした。熱交換部の寸法は、縦６０ｍｍ、横１２０ｍｍ、長さ（流れ方向）１００ｍｍで、その内部に厚さ０．１ｍｍの伝熱板で仕切られたすきま幅１．９ｍｍの往復流路を交互に計２９層積層した。熱交換部の出入り口側には、出入り口側フランジ１８を設け、ここに両脇と中央がそれぞれ出入り口となっている接続口（図示せず）を取り付けた。一方、３つに仕切られたダクト部は、いずれも内寸が縦５８ｍｍ、横５８ｍｍ、長さ（流れ方向）１２０ｍｍとした。さらに、熱交換部と反対側のダクト部端面と連通側フランジ１９に取り付けたふた（図示せず）との間にすきまを設けることにより、流体が往復路ダクト間を連通する空間部とした。
この試作器の両脇の往路側ダクトのそれぞれに、反応要素として縦５２ｍｍ、横５２ｍｍ、長さ１１０ｍｍでＣｕをＺＳＭ−５型ゼオライトに担持した触媒３２ｇをウォッシュコートしたセル密度４００ｃｐｓｉのハニカム型触媒を収納した。また、中央部の復路側ダクトには、発熱要素として最高出力９００Ｗの電熱ヒータを収納した。そして、排気量２．２Ｌのディーゼル車の排ガスの一部（約４００ＮＬ／ｍｉｎ）を本試作器の出入り口側中央部から熱交換部（往路）、両脇の往路側ダクト、連通部、中央部の復路側ダクト、熱交換部（復路）、出入り口部両脇部方向に流して、排ガス中に含まれる約８０ｐｐｍのＮＯｘ除去を試みた。ＮＯｘの還元剤としてほぼＮＯｘと等モル濃度のNH3を試作器の上流から添加した。なお、ＮＯｘの還元を促進するため、ディーゼル排ガス本試作器の前段にＰｔ／Ａｌ２Ｏ３担持したハニカム型触媒を配置して、ＮＯｘの主成分であるＮＯの一部（約４０％）を反応性の高いＮＯ2に変換してから本試作器に導入した。また、導入時の排ガス温度は約１６０℃であった。
本実験の結果を図１０に示す。
図中、−▲−は、ＮＯｘ転化率（％）、−●−は、熱回収率（％）、−■−は、補助加熱量（Ｗ）を示している。
図に示すとおり、電熱ヒータによる補助加熱量が６０Ｗのときには、試作器内部に収めた触媒の温度は約１６０℃であり、反応器外壁等からの放熱分を補うだけで昇温効果はなく、この時の実質的な熱回収率は０％であった。また、この条件でのＮＯｘ転化率（除去率）は約７８％であった。しかし、ヒータ加熱をこれより増すにつれて触媒温度は上昇し、ＮＯｘ浄化率は格段に向上した。すなわち、補助加熱量をわずか１３０Ｗにまで増大しただけで触媒温度は約１９０℃になり、その結果、ＮＯｘとＮＨ３との反応が促進され、ＮＯｘ浄化率は９５％以上になった。さらに、補助加熱量を３１５Ｗまで増加すると触媒温度は２５５℃なり、ＮＯｘ浄化率は９９％以上に達した。この時の加熱効率（熱回収効果がない場合とくらべての温度上昇率）は２．５倍に達し、これから熱回収率は約６０％と求められた。
以上の結果より、本試作器により、比較的小さな補助加熱エネルギーで触媒温度を効率的に上昇させ、もってＮＯｘ浄化率を格段に向上させ得ることが明らかである。
図中、−▲−は、ＮＯｘ転化率（％）、−●−は、熱回収率（％）、−■−は、補助加熱量（Ｗ）を示している。
図に示すとおり、電熱ヒータによる補助加熱量が６０Ｗのときには、試作器内部に収めた触媒の温度は約１６０℃であり、反応器外壁等からの放熱分を補うだけで昇温効果はなく、この時の実質的な熱回収率は０％であった。また、この条件でのＮＯｘ転化率（除去率）は約７８％であった。しかし、ヒータ加熱をこれより増すにつれて触媒温度は上昇し、ＮＯｘ浄化率は格段に向上した。すなわち、補助加熱量をわずか１３０Ｗにまで増大しただけで触媒温度は約１９０℃になり、その結果、ＮＯｘとＮＨ３との反応が促進され、ＮＯｘ浄化率は９５％以上になった。さらに、補助加熱量を３１５Ｗまで増加すると触媒温度は２５５℃なり、ＮＯｘ浄化率は９９％以上に達した。この時の加熱効率（熱回収効果がない場合とくらべての温度上昇率）は２．５倍に達し、これから熱回収率は約６０％と求められた。
以上の結果より、本試作器により、比較的小さな補助加熱エネルギーで触媒温度を効率的に上昇させ、もってＮＯｘ浄化率を格段に向上させ得ることが明らかである。
（実施例４）
前記実施例の試作器の両脇のダクトそれぞれに、ＳｉＣ製、直方体（縦５２ｍｍ、横５２ｍｍ、長さ８０ｍｍ）、セル密度２００ｃｐｓｉのウォールフロー型ＤＰＦと、最高出力９００Ｗの電熱ヒータを連通側に収納し、一定条件で運転しているディーゼル車の排ガスの一部（１６０〜４５０ＮＬ／ｍｉｎ）を、出入り口側両脇部から前記実施例とは逆向きに流すことにより、排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の捕集・ＤＰＦ再生試験を行った。なお、中央部のダクトには何も収納していない。
前記実施例の試作器の両脇のダクトそれぞれに、ＳｉＣ製、直方体（縦５２ｍｍ、横５２ｍｍ、長さ８０ｍｍ）、セル密度２００ｃｐｓｉのウォールフロー型ＤＰＦと、最高出力９００Ｗの電熱ヒータを連通側に収納し、一定条件で運転しているディーゼル車の排ガスの一部（１６０〜４５０ＮＬ／ｍｉｎ）を、出入り口側両脇部から前記実施例とは逆向きに流すことにより、排ガス中に含まれる粒子状物質（ＰＭ）の捕集・ＤＰＦ再生試験を行った。なお、中央部のダクトには何も収納していない。
図１１は、ディーゼル車の排ガスを本試作器に導入した際のＰＭ捕集率（―◆−）、排ガス流量（実線）、ＤＰＦ温度（−●−）の経時変化を示したものである。途中、時刻１５：００〜１５：１８と１７：００〜１７：２１で、電熱ヒータ設定温度を８００℃として、ＤＰＦに捕集されたＰＭの焼却（ＤＰＦ再生）を行った。ＤＰＦの再生中およびその直後の数分間を除き、ＰＭ捕集率９９％以上の高いＰＭ捕集性能が得られた。また、流量約２００ＮＬ／ｍｉｎ（１５：００〜１５：１８）、約４００ＮＬ／ｍｉｎ（１７：００〜１７：２１）の両条件とも、間欠的な電熱ヒータ加熱により流量が回復し、ＤＰＦが順調に再生することが確認された。１５：００頃の再生時（図１１中Ａ）の補助加熱量は１２２０Ｗ、流量は２６４ＮＬ／ｍｉｎ、排ガス流入温度１０６℃、ＤＰＦ到達温度７４４℃となり、これらの値より、加熱効率２．７倍（熱回収率６３％）に達する熱回収性能が確認された。
以上の結果より、本試作器により、熱回収効果がなければ到達することが不可能な高い再生温度が得られ、これによりＤＰＦを再生し得ることが明らかである。
以上の結果より、本試作器により、熱回収効果がなければ到達することが不可能な高い再生温度が得られ、これによりＤＰＦを再生し得ることが明らかである。
１：本発明の熱交換部一体型反応器の全体
２：プレート型の積層構造を有する熱交換部
３：反応部
４：反応器外部から熱交換構造体への流体流入部
５：熱交換構造体から反応器外部への流体排出部
６：流体流入部４及び流体排出部５と相対する熱交換部の一つの側面
７：側面６の一部分に設けた、熱交換構造体から反応部へ流体が排出される開口部（往路の出口）
８：側面６の別の一部分に設けた、反応部から熱交換構造体へ流体が流入する開口部（復路の入口）
９：開口部７と直結する反応部の往路側ダクト
１０：開口部８と直結する反応部の復路側ダクト
１１：往路側ダクト９と復路側ダクト１０を隔てる壁
１２：往路側ダクト９あるいは復路側ダクト１０内部に設けた発熱要素
１３：往路側ダクト９あるいは復路側ダクト内部に設けた反応要素
１４：熱交換部と直結していない側の往路側ダクト９と復路側ダクト１０開口端どうしを連通させる空間部
１５：熱交換部の開口部７と、反応要素および発熱要素の一端を連結する空間（往路側ダクト９の一部）
１６：空間部１４と反応器外部を仕切る板
１７：蓄熱要素
１８：出入り口側フランジ
１９：連通側フランジ
２０：図８に示した形態の反応器の熱交換構造体内部における往路流線
２１：図８に示した形態の反応器の熱交換構造体内部における復路流線
２：プレート型の積層構造を有する熱交換部
３：反応部
４：反応器外部から熱交換構造体への流体流入部
５：熱交換構造体から反応器外部への流体排出部
６：流体流入部４及び流体排出部５と相対する熱交換部の一つの側面
７：側面６の一部分に設けた、熱交換構造体から反応部へ流体が排出される開口部（往路の出口）
８：側面６の別の一部分に設けた、反応部から熱交換構造体へ流体が流入する開口部（復路の入口）
９：開口部７と直結する反応部の往路側ダクト
１０：開口部８と直結する反応部の復路側ダクト
１１：往路側ダクト９と復路側ダクト１０を隔てる壁
１２：往路側ダクト９あるいは復路側ダクト１０内部に設けた発熱要素
１３：往路側ダクト９あるいは復路側ダクト内部に設けた反応要素
１４：熱交換部と直結していない側の往路側ダクト９と復路側ダクト１０開口端どうしを連通させる空間部
１５：熱交換部の開口部７と、反応要素および発熱要素の一端を連結する空間（往路側ダクト９の一部）
１６：空間部１４と反応器外部を仕切る板
１７：蓄熱要素
１８：出入り口側フランジ
１９：連通側フランジ
２０：図８に示した形態の反応器の熱交換構造体内部における往路流線
２１：図８に示した形態の反応器の熱交換構造体内部における復路流線
Claims (6)
- 熱交換部と反応部を一体的に組み合わせた反応器において、
該熱交換部は、熱交換面となる積層された面状隔壁によって仕切られた複数の面状流路を備えた一体形成された積層構造を有する熱交換構造体からなり、
前記複数の面状流路は、同一流体の往路と復路となる二種類の流路が互いに一つ置きに重なり合って一方向に伸長しており、
該伸長方向の一端に位置する前記構造体の一つの側面上に、往路の出口がある領域及び復路の入口がある領域をそれぞれ少なくとも１箇所設け、
往路の出口がある領域には、前記複数の面状流路断面に流体排出のための開口部を積層の一つ置きに設け、一方、復路の入口がある領域には、前記開口部が設けられていない積層の一つ置きの複数の面状流路断面に流体流入のための開口部を設け、
該側面から、往路の出口がある領域に直結しさらにこれから伸長する往路側ダクト、及びこれと壁をへだてて隣接する復路の入口がある領域に直結しさらにこれから伸長する復路側ダクトを設け、
これらの往路側ダクトと復路側ダクトを、前記構造体と接する側と反対の面側に設けた空間で連通させ、
該往路側ダクト及び復路側ダクトの少なくとも一方の内部に、発熱要素及び／又は反応要素を配置したことを特徴とする反応器。 - 前記往路側ダクト及び前記復路側ダクトの少なくとも一方を、前記側面の縦及び横の少なくとも一方の面方向に拡張したことを特徴とする請求項１に記載の反応器。
- 前記往路側ダクトが、前記壁と垂直な方向において両端の二箇所を占めることを特徴とする請求項１又は２に記載の反応器。
- 前記往路側ダクトを、前記側面の横及び縦の面方向に拡張し、さらに前記復路側ダクトを外側から取り囲むように拡張したことを特徴とする請求項３に記載の反応器。
- 前記構造体の、面状流路が伸長する方向に位置する側面の少なくとも一方を、その断面が三角形の畝状に折れ曲がった形状としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の反応器。
- 前記往路側ダクト及び前記復路側ダクトの少なくとも一方の内部のいずれかの部分に、蓄熱要素を配置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の反応器。
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Patent Citations (2)
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